《Case Studies in Construction Materials》：Immobilization of Cr(VI): Mechanism and Performance of Modified Coal Bottom Slag in Cement
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为应对重金属污染治理需求，本研究聚焦于改性煤底渣(CBS)在水泥基材料中固化六价铬(Cr(VI))的效能与机理。研究发现，经柠檬酸(CA)和硅酸钠(SS)改性的CBS可显著降低Cr(VI)的浸出浓度（降幅分别达23.0%和22.4%），并揭示了Cr(VI)在钙矾石(AFt)中取代Al3?形成Bentorite (Ca6Cr2(SO4)3(OH)12)的微观机制。该工作为固体废物的资源化利用及重金属污染控制提供了经济高效的新途径。
随着工业活动的快速发展，重金属污染已成为全球性的严峻环境挑战。其中，六价铬(Cr(VI))因其高毒性、水溶性和潜在的致癌性，对环境和人类健康构成严重威胁。如何有效、经济地处理含铬废物，是环保和建材领域亟待破解的难题。与此同时，燃煤电厂产生的大量固体废弃物——煤底渣(Coal Bottom Slag, CBS)，传统上采用填埋或堆放方式处理，不仅占用土地，还存在有害成分（如重金属）浸出导致二次污染的风险。因此，寻求CBS的高附加值资源化利用途径，并将其应用于重金属污染治理，成为一项兼具环保与经济效益潜力的研究方向。
在此背景下，来自东南大学材料科学与工程学院的研究团队在《Case Studies in Construction Materials》上发表了一项创新性研究。他们独辟蹊径，将通常被视为废物的CBS进行改性，探究其作为水泥基材料添加剂用于固化Cr(VI)的性能与内在机理，旨在为CBS的资源化利用和重金属污染控制提供“一举两得”的解决方案。
为了系统回答上述科学问题，研究人员采用了宏观性能测试与微观结构分析相结合的研究策略。在宏观层面，他们系统评价了掺入改性CBS的水泥砂浆的工作性能（如流动度、凝结时间）和力学性能（抗折、抗压强度），并严格遵循中国标准测定了Cr(VI)的浸出浓度。在微观机理探索方面，综合运用了X射线衍射(XRD)进行物相定性与定量分析，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学键变化，热重分析(TG)测定氢氧化钙(CH)含量，扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌，并结合能谱分析(EDS)确定局部元素组成。此外，还通过溶液吸附实验初步筛选了有效的CBS改性剂。
1. 改性剂的筛选与溶液体系固化效果
研究人员首先在纯溶液体系中评估了四种改性剂——氢氧化钙(Ca(OH)2, CH)、木质素磺酸钠(Sodium Lignosulfonate, SLS)、柠檬酸(Citric Acid, CA)和硅酸钠(Sodium Silicate, SS)——对Cr(VI)的固化能力。结果显示，过饱和CH溶液和适当用量的SLS表现出较高的固化效率。当将CBS与改性剂结合，或在“水泥+CBS+改性剂”的复合体系中测试时，发现CBS自身具有一定的Cr(VI)吸附能力（固化率33.2%），而SS是CBS的有效活化剂。特别值得注意的是，在含有水泥的复合体系中，CA改性CBS展现出惊人的性能，能在1小时内实现Cr(VI)的完全固化（固化率100%），这归因于CA的还原性、提供的H?对CBS的活化作用以及其官能团的螯合能力。
2. 含改性CBS砂浆的工作性与力学性能
将改性CBS掺入水泥砂浆后研究发现，所有含CBS的砂浆流动性均略低于掺粉煤灰的基准组。CA的加入会显著延长水泥的凝结时间，这与其羧基和羟基官能团的缓凝作用有关。在未掺Cr(VI)的体系中，改性CBS（尤其是SLS和CA改性）能提升砂浆7天和28天的抗压强度。然而，当体系中引入高剂量（0.2%）的Cr(VI)时，所有试验组的力学性能均出现显著劣化，28天抗压强度下降幅度在9.2%到29.1%之间。微观分析将此归因于Cr(VI)的引入导致了有害微观结构的形成。值得庆幸的是，当Cr(VI)含量降低至标准允许限值（0.015%）时，其对28天抗压强度的不利影响被大幅削弱，强度损失被控制在3.95%–6.30%的较小范围内。
3. Cr(VI)浸出行为与固化效能
浸出试验数据清晰表明，改性CBS能有效提升对Cr(VI)的固化封存能力。在Cr(VI)掺量为0.2%的高污染情境下，经CA和SS改性的CBS组，其Cr(VI)浸出浓度比未改性CBS组分别降低了23.0%和22.4%，固化性能提升显著。即使将Cr(VI)含量降至0.015%，改性CBS仍能维持约10%的额外固化率提升，表明其在合规剂量下具有优异的环保安全增强潜力。
4. 水化产物与微观结构机理
通过XRD物相分析发现，Cr(VI)的引入改变了水泥水化路径。在含Cr(VI)的体系中，部分钙矾石(Ettringite, AFt)中的Al3?被Cr(VI)取代，形成了一种称为Bentorite (Ca6Cr2(SO4)3(OH)12)的新相。晶粒尺寸计算表明，含Cr(VI)体系中形成的Bentorite晶粒尺寸增大。FTIR光谱证实，改性组在后期产生了更多的C-S-H凝胶。SEM观察直观揭示了微观形貌的剧变：Cr(VI)的存在导致C-S-H凝胶变形，并在所有改性CBS砂浆中诱生大量AFt状纤维状产物，尤其在CH高掺量组中观察到独特的花状和纤维状形貌共存。EDS点分析进一步证实，Cr元素主要富集在高铝含量的AFt/Bentorite相中。这些膨胀性相在硬化后持续形成和生长，会引发内部微裂纹，这正是导致长期抗压强度显著下降的根本原因。
结论与意义
本研究系统论证了采用CH、SLS、CA和SS改性CBS，可显著提升其在水泥基体系中对Cr(VI)的固化性能。主要结论包括：1) CA和SS是尤为有效的改性剂，能大幅降低Cr(VI)浸出浓度；2) Cr(VI)会通过取代AFt中的Al3?形成Bentorite，其较大的晶粒和纤维/花状形貌是导致材料力学性能劣化的微观机制；3) 在Cr(VI)含量符合标准限值时，改性CBS的掺入对强度影响较小，却能显著提高固化效率，增强环境安全性。
这项研究的重要意义在于，它成功地将两种环境挑战——固体废物处置和重金属污染——的解决方案巧妙地结合在一起。一方面，它为燃煤底渣这类大宗工业固废找到了一条高附加值的资源化利用途径，变废为宝；另一方面，它提供了一种经济、高效且易于在现有水泥工业中应用的重金属污染控制方法。该策略不仅拓宽了CBS的应用场景，也为可持续建筑材料开发和环境污染治理提供了新的思路和实验依据，具有明确的环保效益和潜在的经济价值。
