中圖分類號：TQ317 文獻標志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）06-0894-03

煤矸石不僅大量占用土地資源，而且釋放的重金屬等污染物對周邊環(huán)境造成長期污染和危害，因此煤矸石的資源化利用始終是環(huán)境保護的研究熱點[1]。煤矸石富含 SiO₂ 和 Al₂O₃ ，是制備地質聚合物的良好原料?；谶@一特性，部分研究人員開展煤矸石基地質聚合物的制備及應用研究，實現污染物在煤矸石基地質聚合物內部的穩(wěn)定、固定，進而在實現目標污染物穩(wěn)定無害化的同時，拓展煤矸石資源化利用途徑，實現以廢治廢的最終目標。

煤矸石中的硅鋁礦物主要以穩(wěn)定無機物礦物存在，經機械研磨、煅燒或化學活化后可以破壞煤矸石晶格結構，增加其活性組分，進而改善煤矸石基地質聚合物性能[2-3]。此外，因其具有類沸石的三維立體網狀結構，能有效固化重金屬離子[4]。部分研究人員利用煤矸石制備地質聚合物，其對重金屬固化效果較好[5-7]。

目前，對煤矸石基地質聚合物固化重金屬的研究主要集中于單一金屬離子的固化，對多種重金屬離子摻雜條件煤矸石基地質聚合物下各重金屬固化效果及相互影響作用機理研究相對較少。因此，通過開展煤矸石基地質聚合物固化單一、多種重金屬實驗，以固化體的抗壓強度、浸出毒性為表征量，探討單一重金屬固化、多種重金屬固化過程中的協(xié)同影響及其作用機理。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

實驗所用原材料為遼寧省撫順市的煤矸石，

SiO2和 Al₂O₃ 的質量分數分別為 60.25% 、 23.86% 。堿激發(fā)劑模數為1.4。以硝酸鉛、硝酸銅和硝酸鎘為重金屬污染離子。

1.2 實驗方法

將堿激發(fā)劑、重金屬鹽溶液與煤矸石以液固比為0.4共混，攪拌后注入模具中。于恒溫恒濕箱中60^°C 養(yǎng)護 24h ，脫模后室溫養(yǎng)護，分別得到煤矸石基地質聚合物（GP） Pb²⁺ 固化體（GP-Pb）和 Pb²⁺ 、Cd²⁺ 1 Cu²⁺ 固化體（GP-Pb、 c_u 、Cd）

多種重金屬固化體的研究采用3因素4水平正交試驗。

1.3 分析方法

重金屬浸出毒性鑒別參照《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》（GB5085.3—2007），并用ICP-OES測定浸出液中重金屬離子的質量濃度。

將養(yǎng)護3、7、14、28d的樣品使用萬能壓力試驗機進行抗壓強度測試，測定參照標準《水泥膠砂強度檢驗方法（IS0法）》（GB/T17671—1999）。

采用SEM、XRD對樣品微觀結構進行分析。

2 結果與討論

2.1 浸出毒性分析

不同摻混量 Pb²⁺ 浸出質量濃度及固化率如圖1所示。由圖1可以看出，GP-Pb浸出質量濃度均隨離子摻混量的增加而上升，至 Pb²⁺ 摻混量（質量分數，下同）為 3.5% 時，重金屬浸出質量濃度達到4.99mg^.L^-1 ，摻混量為 4.0% 時，GP-Pb重金屬浸出質量濃度為 7.82mg^.L^-1 ，超出國家規(guī)定標準（ρ（Pb²⁺）lt;5mg?L^-1 ）。因此，煤矸石基地質聚合物對Pb²⁺ 的有效摻混量應小于 3.5% 。

由正交試驗方案得到重金屬固化體中 Pb²⁺ 浸出質量濃度和固化率可知，最優(yōu)組合是 Pb²⁺ 摻混量為2% 、 Cu²⁺ 摻混量為 2% 、 Cd²⁺ 摻混量為 2% （固化率為 99.89% ，浸出質量濃度 1.12mg?L^-1 ）

結果表明，GP-Pb、GP-Pb、 cu 、Cd中 Pb²⁺ 浸出質量濃度分別為0.40、 1.12mg^.L^-1 ，固化率分別為 99.96% 7 99.89% 。相較GP-Pb，GP- ?Pb 、 Cu 、Cd的 Pb²⁺ 固化率降低，分析認為 Pb²⁺ 、 Cd²⁺ 、 Cu²⁺ 半徑與 Na⁺ K⁺ 半徑十分接近，在聚合反應進程中， Pb²⁺ 、Cd²⁺ ！ Cu²⁺ 極易取代它們的位點。由于地質聚合物中可取代的離子點位有限，猜測在GP-Pb、 Cd 、Cu中可能存在重金屬陽離子間對地質聚合物中結合位點競爭，使 Pb²⁺ 固化率降低[8]

2.2 抗壓強度分析

不同養(yǎng)護時間地質聚合物及重金屬固化體抗壓強度如圖2所示。

由圖2可以看出，養(yǎng)護28d后的GP、GP-Pb和 GP-Pb、 Cu 、Cd抗壓強度分別為76、64、 26MPa ，較GP抗壓強度分別下降 15.7% 、 65.8% 。GP-Pb相較GP-Pb、 Cu 、Cd樣品具有較高的力學性能，分析認為隨著摻入重金屬種類增加，重金屬離子結合氫氧根離子形成的羥基配離子，使煤矸石基地質聚合物體系堿度降低，黏度增大，阻礙煤矸石中的活性Si、Al溶解，從而導致多種重金屬固化煤矸石基地聚物的抗壓強度降低[]。

2.3 XRD分析

地質聚合物及重金屬固化體的XRD圖譜如圖3所示。由圖3可以看出，隨 Pb²⁺ 、 Cd²⁺ 、 Cu²⁺ 摻人在各重金屬固化體的XRD圖譜中發(fā)現有含相應元素氧化物的晶相出現，在地質聚合過程中形成了化合物，說明 Pb²⁺ 、 Cd²⁺ 、 Cu²⁺ 主要以化學鍵合的形式被固化在地質聚合物內，與文獻[10研究結果相似。

2.4 SEM-EDS分析

煤矸石基地質聚合物及重金屬離子固化體SEM如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著復摻重金屬種類增加，地質聚合物表面出現不同程度的“坑”，GP-Pb、Cu、Cd致密度較差。隨著復摻重金屬種類增加，煤矸石基地質聚合物固化體微觀結構變得疏松多孔，使得地質聚合物中存在很多未被完全反應的塊狀顆粒和碎屑，從而導致地質聚合物結構被破壞，反映到宏觀層面則是重金屬固化體強度的降低，重金屬浸出質量濃度的增高。

3結論

1）固化多種重金屬在滿足相關抗壓強度和浸出質量濃度標準下， Pb²⁺ 最佳摻混量為 2.0% 、 Cu²⁺ 最優(yōu)摻混量為 2.0% 、 Cd²⁺ 最優(yōu)摻混量為 2.0% 。

2）XRD、SEM 等測試結果表明， Pb²⁺ 、 Cu²⁺ 、Cd²⁺ 的引入使地質聚合物產生相應的金屬氧化物新相， Pb²⁺ 、 Cu²⁺ 、 Cd²⁺ 通過取代Na+或 K⁺ 位點方式被固化在地質聚合物晶體中。

3）復摻多種重金屬離子時，存在競爭Na或K位點，使重金屬浸出質量濃度增加。因此，為了降低這種競爭影響，在固化時需要注意重金屬的種類、總量。

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Study on Stabilization/Solidification of Pb²⁺ by Coal Gangue Base Polymer

ZHANG Rongxin， HAN Min

（School ofMunicipal Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 11oooo， China）

Abstract：Theefectsofcuringsingleandmultipleeavymetalsonthecompressivestrengthandleachngtoxicityoftheheavymetal solidifiedbodywereanalyedbysinglefactorandorthogonaltest.TheheavymetalsolidifiedbodywascharacterizedbyXRD，EM， etc.andthesynergiceffectsandmechanismofthecuring processofsingleandmutipleheavymetalswerediscussd.Teresults showed that compared with the single curing Pb²⁺ ，the leachingmass concentration of Pb²⁺ in the heavymetal solidified body of Pb²⁺ Cu²⁺ and Cd²⁺ increased. XRD and SEM analysis showed that the competition of Pb²⁺ Cu²⁺ and Cd²⁺ for Na⁺ and K⁺ binding sites in geopolymer structure led to the increase of the leaching mass concentration of Pb²⁺ when the three heavy metals were cured at the same time.

Key Words： Geopolymer; Heavy metal ions; Lattice substitution; Substitutional competition