《Environmental Research》：Study on adsorption characteristics of dredged sediment-attapulgite vertical cutoff walls
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重金属与有机酸共存条件下复合土体吸附行为及界面稳定性研究。
白博文|梁景瑞|张雷|徐浩清|岳勇|张楠
江苏科技大学建筑与土木工程学院，镇江212100，中国
摘要:
垃圾填埋场渗滤液通常含有多种污染物，其中重金属与有机酸共存，这可能会影响垂直截断墙回填材料的化学衰减和界面稳定性。在本研究中，选择ZnCl2和丁酸作为代表性的无机和有机溶质。通过流动性测试确定了合适的淤泥-膨润土回填比例：膨润土:水:淤泥 = 31:36:33。对单一溶质和混合溶质进行了平衡批吸附试验和等温线拟合，并测量了Zeta电位以探究界面电响应。在单一溶质条件下，Zn2+的吸附表现出符合Langmuir模型的容量限制行为，qmax = 23,617 mg/kg；当ZnCl2 ≤ 800 mg/L时，Zn2+的去除率超过90%，而在1,000 mg/L时仍保持在80%以上，而丁酸的去除率则介于30%-40%之间。在共存条件下，两者之间的相互作用表现出强烈的不对称性：丁酸显著抑制了Zn2+的吸附，而ZnCl2对丁酸的去除影响较弱。在40,000 mg/L的丁酸浓度下，Zn2+的表观qmax降至3,132.59 mg/kg，相对于无有机物的情况有效容量降低了0.13，表明在富含有机酸的环境中，单一溶质的参数可能不具有保守性。Zeta电位的结果进一步显示其值减小，尤其是在丁酸存在的情况下，这意味着静电排斥作用减弱，可能促进聚集和微观结构的重新排列。
引言
垂直截断墙被广泛用作隔离和防水措施。通过构建低渗透性屏障，它们可以减弱地下水流动对污染物迁移的影响，广泛应用于垃圾填埋场和受污染场地的原位渗滤液控制和风险隔离（Shu等人，2022年）。先前的研究已经对传统截断墙材料（如土壤膨润土混合物）的机械响应和短期渗透性有了相对成熟的理解（Wang等人，2025年；Xu等人，2019年），但在化学复杂的渗滤液条件下，其长期性能可能受到防水隔离和界面过程（包括污染物衰减和电荷驱动的胶体稳定性）的共同影响，这些因素可能会影响服役期间的微观结构完整性（Fu等人，2021年；Zhang等人，2025年）。因此，有必要通过综合考虑防水隔离和化学衰减来评估垂直截断墙材料，并从界面过程的角度解释性能变化，以提高工程适用性和可靠性（Shu等人，2022年）。
现有研究表明，经过适当改良或与水泥粘合剂和粘土矿物混合后，淤泥可以用于道路和基础工程以及建筑材料（Zhang等人，2024年）。例如，Wang等人（2018年）评估了将淤泥回收利用为工程填料、分隔块和铺路块的可能性，而Zentar等人（2021年）比较了基于水泥的稳定化方法，以将淤泥转化为道路建设材料。膨润土具有高比表面积和多孔结构，对重金属和有机污染物具有很强的吸附潜力，并已在水处理和环境修复中得到广泛应用。例如，Wang等人（2019年）研究了用于废水处理的可回收膨润土基材料，包括针对溶解金属和类似染料的有机污染物的吸附系统，类似的策略也应用于更广泛的水相有机物去除。利用淤泥增值和膨润土吸附能力的互补性，将这两种材料混合用于垂直截断墙建设，可以在满足低渗透性要求的同时增强污染物衰减效果（Zhang等人，2021年）。此外，先前的工作已经验证了在围压条件下淤泥-膨润土复合截断墙的水力性能，为从吸附和界面稳定性的角度进一步评估环境适用性提供了基础（Bai等人，2024年）。
需要强调的是，实际垃圾填埋场渗滤液中的污染物通常以共存混合物的形式存在（Xu等人，2019年）。除了重金属离子外，挥发性脂肪酸和其他低分子量有机酸也是常见的溶解有机成分（Ciftcioglu-Gozuacik等人，2023年；Talebi等人，2020年）。它们的酸化作用和络合反应可能会改变金属的形态和迁移性，进而影响固相上吸附位点的可用性和有效性。例如，挥发性脂肪酸通过酸化和络合反应增强了潜在有毒金属的生物浸出（Molaey等人，2021年），同样，低分子量有机酸也被报道可以通过重塑水相关联和界面相互作用促进Cd2+在饱和多孔介质中的迁移（Zhang等人，2020年）。虽然在单一污染物条件下的吸附等温线和动力学描述在屏障材料环境行为研究中已经相对成熟，但在混合有机无机污染条件下系统量化相互作用效应的研究仍然不足（Al-Ghouti和Da'ana，2020年；Wang和Guo，2020年）。特别是，浓度依赖性模式和双向相互作用很少被评估：有机成分是否以浓度依赖的方式削弱重金属的吸附和固定作用，重金属的存在是否反过来改变有机成分的吸附行为，以及这些相互作用在界面层面如何表现，都值得进一步研究。
混合污染还可能改变颗粒表面的静电性质和双电层条件，从而改变颗粒间的排斥力和聚集沉降行为；例如，Liu等人（2023年）表明，电解质类型和浓度、pH值以及大分子的变化可以通过电荷筛选、EDL压缩和阳离子桥接显著改变胶体稳定性，导致不同的聚集反应。这些变化可以改变胶体稳定性，并可能影响屏障的微观结构和长期性能（Fu等人，2025年）。Zeta电位是一个表征界面电性质的关键参数，已被用于解释水泥水化系统中的分散剂吸附和界面机制（Lowke和Gehlen，2017年），同样适用于评估污染物吸附后粘土矿物和复合屏障材料的界面稳定性（Roy和Mishra，2023年）。因此，结合Zeta电位和吸附行为的分析可以为评估屏障材料的环境适用性提供一个更具机制解释性和可转移性的框架，通过联系界面过程、胶体稳定性和工程性能（Uddin，2017年）。
基于此背景，本研究在与垃圾填埋场渗滤液相关的混合污染条件下，研究了淤泥-膨润土复合材料，其中溶解的重金属可以与挥发性脂肪酸和盐类电解质共存。为了使用可行的模型溶质来表示这种共存，选择氯化锌作为金属源，丁酸作为代表性的短链羧酸，研究重点在于吸附量化、混合污染相互作用以及基于界面电性质和胶体稳定性的机制解释。具体来说，本研究解决了以下科学问题：在满足工程应用所需的可建造性和不渗透性约束下，如何表征复合材料对单一Zn2+和丁酸的吸附特性和等温线参数；在Zn2+和丁酸共存的情况下，丁酸对锌吸附的影响是否表现出明显的浓度依赖性模式，锌是否对丁酸吸附产生可量化的反馈效应，以及这些变化如何通过Zeta电位响应反映出来，从而为设计和应用不同污染物组成和浓度水平的淤泥-膨润土复合垂直截断墙提供证据和见解。
部分摘录
垂直屏障组分
本实验中使用的截断墙主要由淤泥和膨润土组成。淤泥来自江苏省无锡市的太湖，具有独特的物理化学性质，如表1所总结。膨润土的主要物理和化学性质分别在表2中列出。
我们之前的研究使用X射线对测试材料（包括淤泥和膨润土）的矿物组成进行了表征
结果与讨论
我们之前的工作已经证明了淤泥-膨润土截断墙回填材料在围压条件下的防水隔离能力。在本节中，我们提供了新的证据，通过展示Zn2+和丁酸的吸附等温线以及反映胶体稳定性相关的界面电变化的Zeta电位响应，来证明在混合有机和无机条件下的化学衰减作用。除非另有说明，每个数据点代表
结论
本研究表明，一种为满足截断墙可建造性设计的淤泥-膨润土复合回填材料，在渗滤液相关的混合污染条件下也能提供有意义的化学衰减效果。使用可行的且成本效益高的膨润土:水:淤泥 = 31:36:33的比例，平衡批测试显示Zn(II): Zn2+的吸附表现出符合Langmuir模型的容量限制行为，表观最大容量为23,617 mg/kg
作者贡献声明
白博文：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理。梁景瑞：可视化、软件、方法论、研究、正式分析、数据管理。张雷：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目协调、研究、资金获取、数据管理。徐浩清：撰写——审稿与编辑、监督、项目协调、方法论、研究、概念化。岳勇：撰写——初稿
未引用参考文献
Al-Ghouti和Da'ana，2020年；Klinkert和Comans，2020年；Liu等人，2023年；Liu等人，2023年；Luo等人，2020年；Montalvo和Smolders，2019年；Wang等人，2024年；Wang等人，2016年；Wang等人，2019年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2025年。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（资助编号：42007263）、中国高等教育机构的‘青兰计划’（2023年）以及江苏科技大学的国家级大学生创新创业培训计划（资助编号：202410289053Z）对这项研究的支持。
