地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的研究進(jìn)展

陳 帥，王慶平，王彥君，吳求剛，趙 恒，陳孝楊，盧春陽

(1.安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，淮南 232001；2.中能化江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，徐州 221006；3.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，淮南 232001)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，特別是在采礦、冶金、化工等行業(yè)中，會(huì)產(chǎn)生大量廢渣、尾礦等重金屬廢棄物[1]。這些重金屬廢棄物如果不加處理就任意排放，將對(duì)水、大氣和土壤環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，從而對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害[2]。膠結(jié)材料處理和熱處理是固定重金屬廢棄物常用的兩種技術(shù)[3-4]，膠結(jié)材料處理法包括水泥基固定技術(shù)和地質(zhì)聚合物基固定技術(shù)；熱處理法包括燒結(jié)法固定和玻璃化固定，此外還有碳酸化固定、膠體二氧化硅介質(zhì)獲得安全惰性固定和瀝青封裝等固定化技術(shù)。地質(zhì)聚合物是一種新型鋁硅酸鹽無機(jī)聚合物材料，因具有機(jī)械性能優(yōu)異、耐久性高、原料來源廣、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、能源排放低等優(yōu)點(diǎn)，近年來被研究人員廣泛關(guān)注。地質(zhì)聚合物具有致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能有效固定重金屬離子，因此被認(rèn)為是重金屬離子最有效的固化材料之一。

Davidovites等[5]使用堿性活化劑和高嶺石反應(yīng)，制備出一種具有無定形態(tài)和半晶態(tài)的三維硅鋁酸鹽結(jié)構(gòu)的新型材料，稱為地質(zhì)聚合物。地質(zhì)聚合物由反應(yīng)性硅鋁酸鹽前驅(qū)體與堿性活化劑反應(yīng)形成，其結(jié)構(gòu)與沸石的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似[6-7]。制備地質(zhì)聚合物的反應(yīng)過程通常包括四個(gè)步驟：(1)含有硅鋁的礦物在堿溶液的作用下被不斷溶解；(2)含硅鋁的結(jié)晶相解聚成Si和Al單體；(3)Si和Al單體進(jìn)行縮聚反應(yīng)形成低聚凝膠；(4)低聚凝膠不斷生長(zhǎng)凝聚成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)聚合物。圖1是地質(zhì)聚合反應(yīng)過程的示意圖[7]。與傳統(tǒng)的水泥基固定技術(shù)相比，地質(zhì)聚合物基固定技術(shù)具有制備成本低、原料來源廣泛、低資源消耗和低CO2排放等優(yōu)點(diǎn)。地質(zhì)聚合物具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐久性、固化速度和界面結(jié)合力,又被廣泛應(yīng)用于建筑材料、耐火材料、藥物緩釋和金屬黏結(jié)等領(lǐng)域[8]。

圖1 地質(zhì)聚合反應(yīng)過程的示意圖[7]Fig.1 Schematic diagram of geological polymerization process[7]

1 地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的機(jī)制

地質(zhì)聚合物能夠有效固定重金屬離子，這與其特殊水化產(chǎn)物和鋁硅酸鹽的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有非常密切的關(guān)系。地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度高、抗?jié)B性強(qiáng)、耐酸堿、導(dǎo)熱系數(shù)低等特性使其在固定重金屬離子方面具有良好的應(yīng)用前景[8]。固定化的關(guān)鍵是降低重金屬離子的生物有效性、遷移性、溶解性和浸出毒性[9]。

地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的主要機(jī)制包括物理包封、離子平衡電荷、形成化合物、化學(xué)鍵合和還原劑耦合等方式，一般研究認(rèn)為固化作用包括物理作用和化學(xué)作用[10]。此外，重金屬離子還可以通過形成氫氧化物、碳酸鹽、硅酸鹽和鋁酸鹽等被固定于地質(zhì)聚合物中[11]。

1.1 地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的物理作用機(jī)制

1.1.1 物理包封

物理包封主要是通過地質(zhì)聚合物的致密結(jié)構(gòu)阻礙離子浸出，使得重金屬離子滯留在地質(zhì)聚合物內(nèi)部。在形成地質(zhì)聚合物的過程中，鋁硅酸鹽固體在堿溶液中溶解，通過堿激發(fā)的活性作用，解聚形成游離的[SiO4]四面體和[AlO4]四面體，溶液中的[SiO4]四面體和[AlO4]四面體再進(jìn)行縮聚反應(yīng)，形成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的地質(zhì)聚合物凝膠，重金屬離子在地質(zhì)聚合反應(yīng)中被包封在地質(zhì)聚合物的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。Long等[12]研究了粉煤灰和廢棄陰極射線管玻璃骨料對(duì)礦渣基地質(zhì)聚合物性能的影響，從廢棄陰極射線管玻璃中釋放的PbO被物理包封到由水合硅鋁酸鈣(C-A-S-H)和/或水合硅鋁酸鈉(N-A-S-H)凝膠組成的鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)中。Guzmn-Carrillo等[13]使用偏高嶺土基地質(zhì)聚合物封裝廢棄陰極射線管玻璃中鉛、鋇等有毒重金屬離子，有毒重金屬通過物理包封，被成功固定在偏高嶺土基地質(zhì)聚合物中。因此，地質(zhì)聚合物對(duì)廢棄陰極射線管玻璃的固定作用主要取決于物理包封作用。Wan等[14]研究了地質(zhì)聚合反應(yīng)對(duì)鋅尾礦的固定，尾礦中的ZnO不發(fā)生地質(zhì)聚合反應(yīng)，通過物理包封被固定在尾礦基地質(zhì)聚合物中。隨著地質(zhì)聚合物凝膠的增加，固定效率提高。

C-A-S-H、N-A-S-H、水合硅鋁酸鈉(鈣)(N-(C)-A-S-H)、水合硅鋁酸鈣(鈉)1(C-(N)-A-S-H1)等水合凝膠的產(chǎn)生為地質(zhì)聚合物物理包封提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，如果地質(zhì)聚合物中產(chǎn)生大量的上述凝膠，會(huì)有利于物理包封。Long等[15]還利用地質(zhì)聚合技術(shù)處置鎳鐵礦渣，同樣發(fā)現(xiàn)C-A-S-H凝膠有助于提高重金屬離子的物理包封效率。而Nath等[16]通過地質(zhì)聚合物固定鉛渣時(shí)，也檢測(cè)到地質(zhì)聚合反應(yīng)產(chǎn)物主要是N-(C)-A-S-H和C-(N)-A-S-H1型水合凝膠，在富含鋅渣的混合物中觀察到具有橋接顆粒的致密微觀結(jié)構(gòu)，這更有利于重金屬離子的物理包封。

地質(zhì)聚合物對(duì)重金屬離子的物理包封是由地質(zhì)聚合物的低滲透性引起的，其致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和不相互連接的小孔阻礙了重金屬離子的擴(kuò)散。C-A-S-H凝膠和N-A-S-H凝膠的產(chǎn)生有利于地質(zhì)聚合物對(duì)重金屬離子的物理包封。但是，物理包封不能完全固定重金屬離子，還需要離子交換、化學(xué)鍵合等化學(xué)作用協(xié)同固定重金屬離子。

1.1.2 離子交換

地質(zhì)聚合物在形成過程中，能夠形成一種可以進(jìn)行離子交換的特殊結(jié)構(gòu)。地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)是由[SiO4]四面體單元和[AlO4]四面體單元兩種無定形態(tài)組成，每個(gè)四面體單元以Si和Al為中心原子，每個(gè)中心原子與四個(gè)O相互連接，而且每個(gè)四面體結(jié)構(gòu)中4個(gè)Si—O鍵和4個(gè)Al—O鍵的鍵能都是均勻的。其中Al3+的四面體連接4個(gè)O，使其在地質(zhì)聚合物中帶負(fù)電荷，從而使帶正電荷的Na+或K+可與Al3+的四面體結(jié)合。因此重金屬離子可通過與Na+或K+進(jìn)行離子交換，從而被地質(zhì)聚合物固定。El-Eswed等[17]研究發(fā)現(xiàn)重金屬離子與地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)中的Na+和K+進(jìn)行了離子交換，平衡了帶負(fù)電荷的[AlO4]，從而被成功固定在高嶺土/沸石基地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)中。Xia等[18]研究發(fā)現(xiàn)重金屬離子能夠取代Ca2+和Na+實(shí)現(xiàn)電荷平衡，成功固定重金屬離子。Li等[19]利用浸出試驗(yàn)和XPS分析表明，Pb2+和Cd2+通過取代Na+或Ca2+與硅鋁酸四面體結(jié)合，并被固定在地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)中。電解錳渣/粉煤灰和偏高嶺土基地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的機(jī)理如圖2所示。加入堿性活化劑后，隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，重金屬離子會(huì)不斷取代堿金屬離子，從而被固定在地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)中。Muhammad等[20]通過FTIR結(jié)果表明，重金屬離子鉻、鉛、鎘通過取代Na+而被物理固定，Na+起到了平衡[AlO4]四面體單元電荷的作用。

圖2 電解錳渣/粉煤灰和偏高嶺土基地質(zhì)聚合物固定重金屬的離子交換平衡電荷機(jī)理圖[19]Fig.2 Ion-exchange equilibrium charge mechanism diagram of heavy metal immobilized by electrolytic manganese slag/fly ash and metakaolin-based geopolymers[19]

地質(zhì)聚合物的離子交換不僅可以通過FTIR和XPS測(cè)得,還可以通過固態(tài)核磁共振波譜得到。Wang等[21]利用固態(tài)核磁共振波譜發(fā)現(xiàn)，Zn2+部分替代了Na+/K+在地質(zhì)聚合物凝膠內(nèi)的電荷平衡位置而被固定在地質(zhì)聚合物中。重金屬離子通過取代地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)中的堿金屬離子，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生強(qiáng)力的共價(jià)鍵而被固定在地質(zhì)聚合物中。

1.2 地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的化學(xué)作用機(jī)制

1.2.1 化合物的形成

重金屬離子在堿激發(fā)的反應(yīng)條件下，不但可以鍵合在地質(zhì)聚合物框架中，還可以形成一系列的重金屬化合物，從而被更加穩(wěn)定地固定在地質(zhì)聚合物中。多數(shù)研究人員在固化Pb2+和Ba2+的研究中發(fā)現(xiàn)，不管是通過常規(guī)的堿激發(fā)還是酸激發(fā)，Pb2+和Ba+都能在地質(zhì)聚合物中形成穩(wěn)定的化合物進(jìn)而被固定。Zhang等[22]制備了粉煤灰基地質(zhì)聚合物用于固定Pb2+，研究表明，Pb2+在地質(zhì)聚合物中形成了高度不溶性的硅酸鹽(Pb3SiO5)沉淀，Pb2+被有效地固定在粉煤灰基地質(zhì)聚合物中。Pu等[23]以粉煤灰為原料，以磷酸二氫鋁為反應(yīng)物，合成了一種新型的酸性磷酸基地質(zhì)聚合物用于固定重金屬離子Pb2+，Pb2+在地質(zhì)聚合過程中形成了PbHPO4、Pb3(PO4)2、Pb2HP3O10等化合物，證明了Pb2+能被穩(wěn)定地固定在地質(zhì)聚合物中。Hu等[24]制備了稀土尾礦基地質(zhì)聚合物，Pb2+和Ba2+在地質(zhì)聚合過程中形成PbO/BaSiO3，從而被固定。圖3為稀土尾礦基地質(zhì)聚合物固定重金屬前后的XRD譜。引入Pb2+和Ba2+后，PbO和BaSiO3的特征峰表明，添加的重金屬陽離子在地質(zhì)聚合過程中形成了化合物，從而被固定在地質(zhì)聚合物內(nèi)。

圖3 稀土尾礦基地質(zhì)聚合物固定重金屬前后的XRD譜[24]Fig.3 XRD patterns of rare earth tailings-based geopolymers before and after immobilization of heavy metal[24]

Koplík等[25]通過測(cè)試分析得到，所有重金屬在堿性活化后形成不溶性鹽。Ba2+以BaSO4的形式存在，在某些區(qū)域積聚并形成團(tuán)塊；Pb2+以Pb(OH)2的形式存在，分散在整個(gè)基體中的高爐礦渣晶粒的邊緣；Cu2+主要以Cu(OH)2的形式存在，也在一些區(qū)域累積并形成團(tuán)塊，另外還發(fā)現(xiàn)了Cu—O鍵。通過上述總結(jié)可以看出Pb2+和Ba2+能在地質(zhì)聚合物中形成化合物從而被固定。

1.2.2 化學(xué)鍵合

重金屬離子在地質(zhì)聚合過程中，不僅能在堿激發(fā)的條件下形成各種化合物，還能在地質(zhì)聚合物骨架的Si—O—和Al—O—之間形成配位鍵，使重金屬離子與地質(zhì)聚合物結(jié)合得更加緊密，從而有效地將重金屬離子固定在地質(zhì)聚合物中。Wang等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)聚合物中加入重金屬離子會(huì)導(dǎo)致Al—O周圍形成復(fù)雜的陽離子作用層，從而改變了Si—O—Si或Al—O—Si的衍射峰。Al3+在Si和Al的氧化物中連接著四個(gè)氧原子，導(dǎo)致其在地質(zhì)聚合物中攜帶負(fù)電荷，而重金屬離子可能直接參與反應(yīng)，與Si—O—和Al—O—進(jìn)行化學(xué)鍵合，因此，它們被固定在地質(zhì)聚合物體系中。El-Eswed等[26]發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)聚合反應(yīng)后，重金屬離子被有效地固定在偏高嶺土基地質(zhì)聚合物中。偏高嶺土基地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的化學(xué)鍵合機(jī)理如圖4所示。重金屬離子與偏高嶺土鋁硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)共價(jià)鍵合，在地質(zhì)聚合物骨架(交聯(lián)劑)的Si—O—和Al—O—之間形成配位鍵，從而更有效地穩(wěn)定地質(zhì)聚合物基體中的陽離子。重金屬在地質(zhì)聚合反應(yīng)過程中會(huì)與骨架結(jié)構(gòu)中的Si—O—和Al—O—形成Si—O—M或Al—O—M(M代表重金屬離子)的配位結(jié)構(gòu)，從而更緊密地結(jié)合在地質(zhì)聚合物骨架中，并通過物理包封進(jìn)一步包覆在地質(zhì)聚合物中，以達(dá)到更優(yōu)良的固定效果。

圖4 偏高嶺土基地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的化學(xué)鍵合機(jī)理[26]Fig.4 Chemical bonding mechanism of heavy metal ions immobilized by metakaolin-based geopolymers[26]

1.2.3 還原劑耦合

對(duì)于Cr6+等重金屬離子，如果在地質(zhì)聚合過程中直接固定，很難達(dá)到固封的國家標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)研究人員在直接固定Cr6+時(shí)，所得到的固定效率只有20%～30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到國家對(duì)Cr6+的最低浸出標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)Cr6+進(jìn)行預(yù)處理顯得尤為重要，最常用的方法是將Cr6+與具有還原性的元素耦合。Chen等[27-28]使用Fe2+對(duì)Cr6+進(jìn)行還原和固定，最終將Cr6+還原為Cr3+并固定在地質(zhì)聚合物骨架中。Wei等[29]則是通過堿性活化和水熱處理，將Cr6+預(yù)先還原為Cr3+。

此外還有很多研究人員選用納米零價(jià)鐵顆粒還原Cr6+[30-31]，同樣得到很優(yōu)良的固定效率。還原劑耦合為地質(zhì)聚合物固定重金屬離子提供了新的思路和發(fā)展方向。地質(zhì)聚合物經(jīng)過還原劑耦合后，對(duì)重金屬離子的固定效果大大提高，不但增加了對(duì)各種固廢的利用率，還增加了材料再生性能。但目前對(duì)還原劑耦合的研究還不夠充分廣泛，主要集中在Cr6+的還原上，而且對(duì)于還原劑的選擇較為單一，多數(shù)使用Fe進(jìn)行。

2 地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的影響因素

2.1 添加劑對(duì)固定重金屬離子的影響

在地質(zhì)聚合物固化重金屬離子的過程中，單純的堿激發(fā)制備出的地質(zhì)聚合物對(duì)部分離子的固化效果相對(duì)較差，例如Cr6+，多數(shù)情況下直接固定的浸出率嚴(yán)重不符合國家標(biāo)準(zhǔn)。但是，通過添加一些還原性的添加劑，能對(duì)固化體的重金屬離子浸出起到協(xié)同作用，充分提高固化效果。田全志等[32]針對(duì)Cr6+固化效率低的問題，研究了CaO、MgO和Fe2+鹽對(duì)地質(zhì)聚合物固化Cr6+的影響機(jī)制，結(jié)果表明無添加劑作用的Cr6+浸出率達(dá)60%以上，而MgO作用下的Cr6+浸出率可降至10%以下。MgO、CaO和Fe2+鹽對(duì)固化體中Cr6+的浸出起著一定的協(xié)同效應(yīng)。

2.2 堿激發(fā)劑種類和摻量對(duì)固定重金屬離子的影響

地質(zhì)聚合物最廣泛的激發(fā)方式是堿激發(fā)，通常是用硅酸鈉配合NaOH共同激發(fā)。研究人員對(duì)堿性激發(fā)劑的類型又進(jìn)行了拓寬，NaOH和KOH溶液都能與硅酸鈉相互組合進(jìn)行激發(fā)；NaOH也可以與硅酸鹽激發(fā)劑和鋁酸鹽激發(fā)劑相互組合激發(fā)，因此，拓寬激發(fā)劑的種類對(duì)固化有著重要的影響。Boca等[33]使用濃度為8 mol/L和12 mol/L的NaOH和KOH溶液(其體積比為1 ∶2)，用于制備底灰和偏高嶺土基地質(zhì)聚合物固化重金屬離子。通過浸出測(cè)試發(fā)現(xiàn)，用8 mol/L的KOH溶液激發(fā)地質(zhì)聚合物的效果最好，固定效率能達(dá)到99.99%。Lee等[34]通過比較鋁酸鹽激發(fā)劑和硅酸鹽激發(fā)劑的固定能力，發(fā)現(xiàn)由鋁酸鈉和NaOH制備得到硅鋁比為2.0的地質(zhì)聚合物更適合固化鉛。

2.3 硅鋁比對(duì)固定重金屬離子的影響

地質(zhì)聚合物的硅鋁比是控制地質(zhì)聚合物最終結(jié)構(gòu)和性能的最重要因素之一，包括化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、耐火性和耐久性。不同硅鋁比的地質(zhì)聚合物的固定效率不同。當(dāng)?shù)刭|(zhì)聚合物的硅鋁比為2.0時(shí)，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，更適合固化金屬離子。Kr?nzlein等[35]通過比較不同硅鋁比的地質(zhì)聚合物對(duì)固化Pb2+和Zn2+的影響，發(fā)現(xiàn)硅鋁比為2.0的地質(zhì)聚合物對(duì)重金屬固化效果最好，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。Lee等[34]的研究也發(fā)現(xiàn)硅鋁比為2.0的地質(zhì)聚合物固化鉛的效果最好。因此，固定重金屬離子的地質(zhì)聚合物的有效性取決于硅鋁比，在試驗(yàn)中盡量使硅鋁比接近2.0，可以有效地提高固定效率。

2.4 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)固定重金屬離子的影響

地質(zhì)聚合物在養(yǎng)護(hù)過程中，溫度會(huì)對(duì)地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度過低時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生低地質(zhì)聚合速率相關(guān)的典型微觀結(jié)構(gòu)，得到較低的抗壓強(qiáng)度，不能生成致密完整的地質(zhì)聚合物，因此固定效果差。而當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致致密基質(zhì)的退化，形成更多的微孔和可見的寬裂紋，同樣影響重金屬離子的固定。因此，選取合適的養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)地質(zhì)聚合物進(jìn)行養(yǎng)護(hù)顯得尤為重要。Hu等[24]在制備尾礦基地質(zhì)聚合物時(shí)，設(shè)定固化溫度為60 ℃，得到了內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密均勻，無明顯孔隙和裂紋的地質(zhì)聚合物，并成功固定重金屬離子Pb2+和Ba2+。

2.5 重金屬離子對(duì)固定的影響

地質(zhì)聚合物在固定重金屬離子方面有著優(yōu)異的性質(zhì)，但是對(duì)于不同重金屬離子，用于固定的地質(zhì)聚合物的適配性也不同。研究人員針對(duì)各種含硅鋁的工業(yè)固廢都進(jìn)行了固定重金屬離子的嘗試，有毒重金屬離子主要為Pb、Zn、Cr、Cd等。研究表明，利用含硅鋁的工業(yè)固廢制備出的地質(zhì)聚合物對(duì)重金屬離子的固定效率都相對(duì)較高，在90%以上，其中粉煤灰基地質(zhì)聚合物對(duì)Pb的固定能力達(dá)到99%以上。這說明地質(zhì)聚合物展現(xiàn)出對(duì)重金屬離子優(yōu)異的固定能力，在工業(yè)生產(chǎn)中通過使用固體廢棄物作為原料固定重金屬離子，有利于保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)再利用。

2.5.1 重金屬添加量對(duì)固化的影響

添加較低濃度的重金屬離子后，往往能得到優(yōu)良的固化效果。但是在達(dá)到一定限值以后，浸出率會(huì)不斷增高。Pu等[23]設(shè)置的Pb2+含量為0%、0.4%、0.6%、0.8%和1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，分別代表Pb2+污染物的含量為4 000 mg/kg、6 000 mg/kg、8 000 mg/kg和10 000 mg/kg，當(dāng)添加的含量為0.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，浸出率達(dá)到最低。

2.5.2 重金屬化合物形式對(duì)固化的影響

重金屬離子在環(huán)境中以多種形式存在，例如Pb2+在環(huán)境中的3種主要污染物以PbO、PbSO4和PbS的形式存在。Guo等[11]探究Pb在粉煤灰基地質(zhì)聚合物中的固定機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于能溶于氫氧化鈉溶液的PbO和PbSO4，Pb的固化主要是化學(xué)鍵合和物理包封。對(duì)氫氧化鈉溶液呈惰性的PbS，會(huì)從黏合劑中分離出來，通過物理包封可以將其捕獲。

2.5.3 重金屬種類對(duì)固化的影響

3 地質(zhì)聚合物在固定重金屬離子中的應(yīng)用

以下總結(jié)了近年來地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的最新研究進(jìn)展(見表1、表2)，研究人員研究了粉煤灰基地質(zhì)聚合物和其他種類的地質(zhì)聚合物對(duì)重金屬離子的固定效果。此外，其他一些富含硅鋁元素的固體廢棄物(例如煤矸石、污泥殘?jiān)⒌谆?、尾礦、飲用水處理殘?jiān)透郀t礦渣等)同樣可以用來制備地質(zhì)聚合物。

表1 粉煤灰基地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的最新研究進(jìn)展Table 1 Recent research progress on immobilization of heavy metal ions by fly ash-based geopolymers

表2 其他種類的地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的最新研究進(jìn)展Table 2 Recent progress on immobilization of heavy metal ions by other kinds of geopolymers

續(xù)表

4 結(jié)語與展望

地質(zhì)聚合物作為一種新型鋁硅酸鹽無機(jī)聚合物材料，在固定重金屬方面展現(xiàn)出了卓越的能力而被廣泛研究。地質(zhì)聚合物主要通過物理包封和吸附、離子交換、化學(xué)鍵合、還原耦合等實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的固定，在分析固定機(jī)制時(shí)需充分考慮每種重金屬可能存在的固定機(jī)制。在制備地質(zhì)聚合物用來固定重金屬離子時(shí)，必須詳細(xì)地考慮添加劑種類和摻量、堿激發(fā)劑種類和摻量、硅鋁比、養(yǎng)護(hù)溫度和重金屬離子是否會(huì)對(duì)固定重金屬離子造成影響。

地質(zhì)聚合物固定重金屬離子依然存在很多問題。首先，每種重金屬離子適用的地質(zhì)聚合物類型難以系統(tǒng)確定，雖然已經(jīng)有研究表明鉛能很好地被粉煤灰基地質(zhì)聚合物固定，但是由于每個(gè)地方產(chǎn)的粉煤灰的理化性質(zhì)不同，還需更深入研究。其次，對(duì)于Cr6+，尋找一種合適的地質(zhì)聚合物材料直接固定，這樣能大大簡(jiǎn)化操作的復(fù)雜性。最后，地質(zhì)聚合物固定重金屬離子的研究還主要集中在實(shí)驗(yàn)室階段，大規(guī)模投入工業(yè)生產(chǎn)所需的條件還有待進(jìn)一步探究。