聚丙烯酸钠改性的膨润土-粉煤灰复合材料在煤矸石回填场的应用：一种提高阻水性和固定重金属的可持续策略

《Environmental Research》：Sodium polyacrylate-modified bentonite-fly ash composite for coal gangue backfill sites: A sustainable strategy for enhanced impermeability and immobilization of heavy metals

基于钠聚丙烯酸酯（SP）和本地粉砂（FS）改性膨润土-粉煤灰（BF）复合材料的研究，提出了一种兼具超低渗透性（1.35×10-8 cm/s）和高抗压强度（814.55 kPa）的新型环保材料BFS，通过响应面法优化配比（膨润土:粉煤灰:粉砂:SP=65:35:37.5:4），并证实其重金属吸附能力显著优于BF体系（Pb2+吸附率98.77%，Cr6+吸附率88.92%）。

　　

陈梦圆|张凯|李斌宇|王福瑶|王一帆|孙远申

中国矿业大学化学与环境工程学院，北京，100083，中国

摘要

煤炭矸石是矿区产生的大量固体废物，其安全处置受到重金属渗出和地下水污染风险的阻碍。传统的膨润土-粉煤灰（BF）衬垫材料在低水力传导性和足够的机械强度之间存在根本性的权衡。为克服这一限制，本研究通过用聚丙烯酸钠（SP）改性BF并加入本地来源的淤泥（FS），开发出一种新型的低成本四元复合材料（BFS）。通过响应面方法确定了最佳配比（Bent: FA: FS: SP = 65:35:37.5:4），以同时满足严格的工程标准。所得到的BFS表现出优异的性能：超低的水力传导性为1.35 × 10^-8 cm/s，以及高无侧限抗压强度为814.55 kPa。此外，BFS对Pb²⁺（98.77%）和Cr⁶⁺（88.92%）的吸附能力显著优于BF。综合表征（XRD、FT-IR、SEM）和密度泛函理论（DFT）计算揭示了其背后的多尺度机制：（i）FS/FA/Bent梯度骨架确保了紧密堆积；（ii）FA的火山灰反应生成了用于化学键合的C-S-H凝胶；（iii）SP水凝胶网络提供了聚合物桥接和动态孔隙密封。这项工作为煤炭矸石回填场地的渗漏预防和污染物控制问题提供了科学依据、经济可行且环境可持续的材料解决方案，对全球采矿固体废物的管理具有重大意义。

引言

中国每年产生约7亿吨煤炭矸石，主要集中在生态环境脆弱的西北地区，远离城市区域[1]，[2]。因此，难以实施将煤炭矸石用于生产建筑材料的综合利用技术，目前大多数煤炭矸石通过现场回填进行处理[3]。因此，防止煤炭矸石在储存/回填过程中向土壤和地下水环境中迁移重金属污染物是克服高质量煤炭矸石回填技术瓶颈的关键[4]，[5]，[6]，[7]。

与传统聚乙烯（PE）薄膜相比，膨润土（Bent）具有更好的延展性和抗损伤性，使其成为煤炭矸石场地有前景的基层材料[8]，[9]，[10]。为了降低成本和提高性能，开发了低成本的膨润土-粉煤灰（BF）复合材料，用于一般垃圾填埋场衬垫，显示出较低的渗透性（K < 1×10^-7 cm/s）和一定的重金属（如Cd²⁺）控制能力[11]，[12]，[13]，[14]。然而，煤炭矸石在渗出过程中会释放多种重金属，如Pb²⁺、Cr⁶⁺和Cd²⁺[15]，[16]，[17]，而BF复合材料面临一个关键限制：要达到所需的超低渗透性通常需要较高的膨润土含量，这会显著降低机械强度（UCS）[18]。这种不透水性和强度之间的内在权衡限制了它们在煤炭矸石回填中的直接应用，因为回填场地需要同时具备这两种性能。

为了提高膨润土的化学抗性和抗膨胀性，将聚丙烯酸钠（SP）插层到蒙脱石层中，制备出了具有优异不透水性和稳定性的改进型SP改性膨润土或聚合物改性GCL[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。尽管这些材料有效，但它们在大规模应用于偏远矿区时往往成本较高，且其配方并未针对煤炭矸石渗滤液中的多种重金属问题进行优化[26]，[27]。因此，存在一个明确的科学和实际差距：缺乏一种专为煤炭矸石回填场地设计的成本效益高的衬垫材料，能够同时（i）解决简单膨润土-粉煤灰系统中的渗透性-强度权衡问题，以及（ii）对从煤炭矸石中渗出的复杂重金属混合物（Pb²⁺、Cr⁶⁺）提供增强的多机制固定能力，超越了单一污染物或高级聚合物-膨润土复合材料的昂贵配方。受此启发，本研究提出了一种新型的集成解决方案：通过用聚丙烯酸钠（SP）和本地来源的淤泥（FS）改性BF基质，开发出一种四元复合材料（BFS）。这种方法旨在协同解决上述问题。通过响应面方法确定了最佳原材料比例，以明确平衡水力传导性和无侧限抗压强度。通过深入表征和DFT计算讨论了其不透水性和重金属控制性能的增强机制[28]，[29]。

本研究通过开发一种专为煤炭矸石回填场地设计的新型低成本膨润土（Bent）复合材料（BFS）推动了该领域的发展[30]。主要创新包括：（1）战略性地使用本地淤泥（FS）和聚丙烯酸钠（SP）来提高不透水性和机械强度，同时降低成本；（2）同时优化水力传导性和无侧限抗压强度，以满足严格的工程标准；（3）通过综合实验和DFT方法对重金属固定机制进行了全面分析。

因此，本研究旨在设计、验证并阐明这种BFS复合材料的机制，为其作为煤炭矸石回填修复项目中的有效底部衬垫提供全面的理论和数据支持。

样本来源与制备

样品来源与制备

本研究使用的原材料包括：商用膨润土（Bent）、聚丙烯酸钠（SP，分子量=72.06），以及来自西北矿区（39.48° N, 110.06° E）的本地粉煤灰（FA）和淤泥（FS）。它们的性质在表1和图1中总结，证明了它们的协同作用：

FA是一种C级粉煤灰，含有高比例的CaO（19.97 wt.%）和显著的非晶态玻璃相（XRD hump在20°–30° 2θ，图1c）。这种组成赋予了基质火山灰/水泥反应性

FA含量对BF的影响

图3[39]，[40]展示了以FA部分替代膨润土来降低材料成本的BF混合物的性能。随着膨润土含量的增加，水力传导性和膨胀性能得到了持续改善。当膨润土含量超过70%时，渗透系数（K）系统性地降低，最终达到目标值K < 1 × 10^-7 cm/s，最低值为8.02 × 10^-9 cm/s。

结论

本研究开发并表征了一种聚丙烯酸钠改性的膨润土-粉煤灰-淤泥复合材料（BFS），作为煤炭矸石回填场地的可持续高性能衬垫材料。主要发现总结如下：

(1)

最佳配比和性能：响应面方法确定了BFS的最佳混合比例（膨润土：粉煤灰：淤泥：聚丙烯酸钠 = 65:35:37.5:4）。这种复合材料同时满足了关键工程要求

CRediT作者贡献声明

孙远申：软件处理。陈梦圆：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究。张凯：撰写 – 审稿与编辑。李斌宇：可视化处理，软件应用。王福瑶：项目监督，项目管理。王一帆：实验研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号42577523）、中央高校基本科研业务费（中国矿业大学博士顶尖创新人才基金BBJ2025058）和水利部的重大科技项目（编号SKS-2022094）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。