NaOH活化与Na2SiO3活化的土聚合物在化学侵蚀作用下的Pb固化/稳定效果的比较耐久性

《Environmental Research》：Comparative durability of NaOH-activated and Na 2SiO 3-activated geopolymer for Pb solidification/stabilization under chemical attack

铅污染场地修复中，NaOH和Na2SiO3活化一聚体（NHG、NSG）的化学侵蚀耐久性对比研究。评估其在硫酸、盐酸等腐蚀介质中的铅固定效果，发现NHG因C-S-H凝胶结构更耐酸蚀，长期耐久性优于NSG，铅溶出均低于5mg/L。

　　

Xiyao Zheng|Liang Li|Guanglei Yu|Jun Wu|Xiuli Du

城市安全与灾害工程重点实验室，北京工业大学，教育部，北京100124，中国

摘要

快速的工业发展和受污染场地的再利用增加了在恶劣化学条件下铅（Pb）污染的风险。固化与稳定化技术通过物理封装和化学稳定化来降低铅的迁移性，从而被广泛用于固定铅。由工业副产品和固体碱性活化剂合成的一组分地质聚合物因其相比传统的两组分系统具有更好的安全性和实用性而受到关注，然而其在化学侵蚀下的长期耐久性和铅固定性能仍不够明确。本研究评估了由磨细高炉矿渣和粉煤灰合成的一组分NaOH活化地质聚合物（NHG）和Na₂SiO₃活化地质聚合物（NSG）作为铅固定剂的性能。掺铅的NHG和NSG分别浸入H₂SO₄、HCl、Na₂SO₄和NaCl溶液中，以水浸作为参考条件。通过宏观外观、质量损失、无约束抗压强度（UCS）、耐久性系数和铅浸出行为来评估耐久性，同时利用扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM-EDS）观察微观结构演变和铅分布。结果表明，化学侵蚀的严重程度依次为H₂SO₄ > HCl > Na₂SO₄ > NaCl，相应的离子侵蚀性顺序为H⁺ > SO₄^2- > Cl^- > Na⁺。浸渍前，NSG的初始UCS明显高于NHG；在Pb浓度为0.8时，NHG的抗压强度为24.37 MPa，而NSG达到68.15 MPa。在化学侵蚀下，尤其是在酸性环境中，NSG的抗压强度下降更快。相比之下，NHG表现出更强的长期耐久性，表现为更好的抗压强度保持能力和更低的降解程度。尽管存在这些差异，但在所有测试条件下铅的浸出浓度均低于5 mg/L。SEM-EDS观察表明，耐久性的差异与不同的凝胶结构有关：NHG主要由网络状的C-S-H凝胶组成，而NSG则以N-A-S-H凝胶为主。总体而言，考虑到长期耐久性，掺铅的NHG表现出更优的综合性能。

引言

铅（Pb）污染是一个持续存在的全球环境问题，因其难以降解、具有强生物累积性以及对生态系统和人类健康的严重毒性（Ghasemi等人，2014；Yuan等人，2025）。固化/稳定化技术通过降低铅的迁移性和生物可利用性被广泛用于在工程材料中固定铅（Deng等人，2025；Guo和Shi，2012；Jochem和Rocha，2021；Ouhadi等人，2021）。然而，传统的基于水泥的粘合剂往往对恶劣化学环境的抵抗力有限，并且与熟料生产相关的环境负担较大。这些限制促使人们越来越关注具有更好化学耐久性的替代低碳粘合剂。

地质聚合物是一种通过工业副产品（如磨细高炉矿渣（GGBFS）和粉煤灰（FA）的碱性活化合成的铝硅酸盐粘合剂（Ke等人，2025；Geddes等人，2025）。在地质聚合物化过程中，会形成三维铝硅酸盐凝胶网络，为铅的固定提供多种途径，包括物理封装、离子交换、表面结合以及形成难溶的含铅相。由于其致密的基质结构、化学稳定性和低碳足迹，地质聚合物越来越被视为固定铅污染物的有前景的粘合剂（Sun等人，2025；Wu等人，2025）。地质聚合物系统通常分为两组分系统和一组分系统（Zhang等人，2021；Zhang等人，2024）。两组分地质聚合物依赖于高碱性的液体活化剂，这在处理安全、运输和现场应用方面存在挑战。相比之下，一组分地质聚合物使用固体碱性活化剂，并在使用前与水混合，从而提高了操作安全性，并适用于大规模工程应用。尽管有这些优势，但一组分地质聚合物系统在受污染场地相关的化学侵蚀条件下的长期耐久性尚未完全确立。

在实际应用中，铅污染物经常暴露在恶劣的化学环境中，如酸雨、工业废水、富含硫酸盐或氯化物的地下水以及海水中（Li等人，2024）。酸性溶液会促进凝胶的不稳定和浸出过程，导致基质凝聚力的逐渐丧失。硫酸盐和氯离子可能渗透到孔隙结构中，并在孔隙内或暴露表面附近引发结晶，产生局部应力，促进裂纹发展，逐渐降低机械完整性。因此，用于铅稳定的地质聚合物系统的长期化学耐久性是评估其在实际工程环境中可靠性的关键因素。尽管有许多研究考察了地质聚合物材料的耐久性，但系统地比较不同固体碱性活化剂活化的一组分地质聚合物系统在化学侵蚀下的性能仍有限。特别是，NaOH活化地质聚合物（NHG）和Na₂SiO₃活化地质聚合物（NSG）在酸性和盐碱环境中的耐久性差异尚未完全阐明。此外，铅污染水平、孔隙结构演变、离子传输和凝胶稳定性对长期化学侵蚀机制的综合影响也尚未充分理解。

为填补这些知识空白，本研究考察了由GGBFS和FA合成的一组分NHG和NSG在长期浸入代表性恶劣环境（包括H₂SO₄（pH = 2）、HCl（pH = 2）、Na₂SO₄（5 wt%）和NaCl（5 wt%）中的耐久性能和铅固定行为，以水浸作为参考条件。通过宏观表面劣化、质量损失、无约束抗压强度（UCS）和耐久性系数来评估整体降解行为，同时利用扫描电子显微镜结合能量色散光谱（SEM-EDS）观察微观结构演变和铅分布。通过直接比较NaOH活化和Na₂SiO₃活化的一组分地质聚合物系统，本研究有助于更全面地理解地质聚合物的耐久性和铅固定性能，并为在化学侵蚀环境中选择合适的粘合剂提供实用指导。

章节摘录

铝硅酸盐前驱体和碱性活化剂

本研究中使用的铝硅酸盐前驱体是磨细高炉矿渣（GGBFS）和F级粉煤灰（FA）[C618（ASTM，2012）]。GGBFS来自中国江苏省苏泉市，呈深灰色粉末状（图1），其X射线衍射（XRD）图谱显示出一个宽大的非晶峰，表明其具有适合碱性活化的强反应性非晶结构。F级FA来自中国江苏省江阴市的一家燃煤电厂。

浸渍前

不同Ca/Si比例的掺铅地质聚合物样品在浸渍前的UCS值分别见图4、图5、图6、图7、图8、图9。每个测试条件下测试了三个平行样品，报告的UCS值代表这些测量的平均值。由于样品是在标准条件下未经化学浸渍的情况下固化的，所测得的UCS值代表了地质聚合物基质在耐久性之前的内在机械性能。

化学侵蚀机制

根据上述实验结果，可以系统地解释不同浸渍环境下掺铅地质聚合物的化学侵蚀机制，如图20和图21所示。侵蚀行为主要受外部溶液中存在的H⁺、Na⁺、Cl^-和SO₄^2-离子的影响，这些离子进入地质聚合物基质的过程，以及凝胶本身的稳定性，这在掺铅NHG和NSG系统之间存在显著差异。

(a)

结论

本研究系统地研究了在恶劣环境下由NaOH（NHG）和Na₂SiO₃（NSG）活化的一组分地质聚合物的化学侵蚀行为和铅固定性能。主要结论如下：

(1)

浸渍前，掺铅地质聚合物的UCS在Ca/Si比为1.2时达到峰值。掺铅NSG的初始UCS显著更高，但在化学侵蚀下的UCS下降更快。

CRediT作者贡献声明

Xiuli Du：监督、方法论。Jun Wu：写作——审稿与编辑、项目管理、方法论。Guanglei Yu：方法论、研究、数据管理。Liang Li：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论。Xiyao Zheng：写作——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、研究、数据分析、数据管理

未引用参考文献

ASTM C1012, 2024; ASTM C109/C109M, 2024; ASTM C267, 2020; ASTM C618, 2012; ASTM D3557, 2008; ASTM D3987, 2014; Guo and Shi, 2012.

利益冲突声明

作者声明本文不存在利益冲突。