用于土壤中重金属可持续固定化的红泥-矿渣地质聚合物：在冻融循环和干湿循环条件下抗降解性的机理研究

《Journal of Environmental Sciences》：Red mud-slag geopolymer for sustainable immobilization of heavy metals in soil: Mechanistic insights into degradation resistance under freeze-thaw and dry-wet cycles

重金属污染土壤中红泥-矿渣地聚物（RM-SGP）的长期环境稳定性研究：通过冻融循环和干湿交替实验，结合抗压强度、重金属渗滤、pH/EC及电导率分析，证实RM-SGP在25次循环后仍保持50%以上强度，建立电导率-强度高相关性模型（R2>0.9），揭示其抗环境侵蚀机制。

　　

卢周|徐欣|王青|周富军|韩永明|郭立生|高慧婷

中国吉林大学建筑工程学院深地探测与成像国家重点实验室，长春130026

摘要

重金属土壤污染需要可持续的修复方案，但环境变化可能会影响长期处理的稳定性。本研究评估了一种基于废料的红泥-矿渣地质聚合物（RM-SGP）在循环冻融（季节性冻结）和干湿（降雨-干旱）条件下的重金属固定效果。通过包括强度测量、污染物浸出、pH值/电导率、电阻率和微观结构成像在内的综合测试，我们证明了RM-SGP的修复能力。结果表明：冻融循环由于冰膨胀造成的损伤会导致强度逐渐下降，而干湿循环最初会增强材料强度，随后由于水分驱动的化学侵蚀而减弱强度。重要的是，RM-SGP在环境暴露后仍能保持结构完整性。除了浓度最高的两个组别外，其他组别在25个循环后的强度保留率超过了50%。尽管在高污染土壤中（例如Cu/Pb/Cd浓度分别为15,000/15,000/1500 mg/kg时），浸出风险增加（Cu²⁺：125 mg/L，Pb²⁺：9.1 mg/L，Cd²⁺：2.5 mg/L），总体上它仍然表现出良好的重金属固化效果。pH值在初期下降后趋于稳定，稳定范围为9-11。电导率与循环次数呈正相关，而电阻率呈负相关。我们建立了一个有效的电阻率-强度模型（整体R² > 0.9），实现了非破坏性的现场监测。通过将工业副产品转化为有效的处理材料，RM-SGP为脆弱环境中的长期重金属固定提供了一种可靠且可持续的方法。

引言

重金属污染土壤是一个严重的全球环境问题，对人类健康、农业和基础设施安全产生广泛影响。这些污染物（如镉、铜、铅等）在土壤中持续积累，难以自然降解，并通过食物链传播。全球有超过1000万处地点报告了土壤污染，其中一半以上涉及重金属（Pu，2021年）。根据中国环境保护部和自然资源部联合发布的调查公告，仅在中国，就有超过16%的受调查土壤超过污染标准，其中重金属占污染案例的82.8%。除了生态风险外，重金属还会削弱土壤的工程性能，威胁建筑物基础和基础设施的稳定性（Li等人，2018年）。因此，解决土壤中的重金属污染已成为当务之急。

固化/稳定技术是处理重金属污染土壤的主要方法，因为它具有成本效益、可靠性和与场地再利用的兼容性（Feng，2021年；Wang等人，2019年；Xu等人，2019年）。然而，传统的基于水泥的固化材料面临显著的可持续性挑战：普通波特兰水泥的生产会排放大量二氧化碳（约900公斤/吨）并消耗大量能源，而水泥稳定的土壤往往耐久性较差（Liang等人，2023年；Wang等人，2022年；Moseson等人，2012年）。尽管尝试用工业副产品（如粉煤灰）部分替代水泥，但仍存在反应性低和二次污染风险等问题。地质聚合物作为一种有前景的替代品出现（由工业废弃物合成），它们提供了低碳、低资源消耗的解决方案，并具有优异的金属固定能力（Zhang等人，2014年，2016年；Pérez-Villarejo等人，2018年）。Moazami等人（2025年）研究了使用Na₂CO₃活化的硅酸盐废弃物作为传统土壤稳定方法的可持续替代品。他们发现，含有水泥的混合物每立方米排放31.00公斤二氧化碳，而仅使用Na₂CO₃的活化系统仅排放23.09公斤二氧化碳。在相同的强度性能下，碳排放减少了25.5%。同时，Komaei等人（2023年）发现，使用碱性活化活性矿渣可以有效修复砷污染土壤，并且还可以减少废物、温室气体排放和能源消耗。此外，地质聚合物还具有高强度、原材料来源丰富、成本低和生产工艺简单等优点（Albitar等人，2017年；Hajimohammadi等人，2018年；Abbas等人，2020年）。它们稳定的三维网络结构对环境应力具有出色的抵抗力，同时将废物转化为价值，确保在实际应用中的长期耐久性。

红泥和矿渣（铝和铁生产过程中的工业副产品）在堆放时代表了重大的废物管理挑战，占用土地并可能对环境造成危害。将这些材料转化为地质聚合物固化材料提供了一种双重解决方案：固化土壤中的重金属，同时将废物转化为价值（Dong等人，2023年；Pu等人，2024年）。Zhang等人（2022年）展示了基于铅锌矿渣的地质聚合物在废物处理和资源回收方面的协同作用，实现了显著的压缩强度（89.3 MPa）和93.1%（Pb）和90.0%（Zn）的重金属固定效率。Zhang等人（2023年）报告使用红泥基地质聚合物的固化率为91.46%（Pb²⁺）和95.86%（Cr³⁺）。虽然先前的研究证实红泥-矿渣地质聚合物（RM-SGP）具有优异的耐冻性，但在实际应用中面临复杂的环境应力（Zhou等人，2024年）。在中国北部等地区，季节性冻融循环（Eskisar等人，2015年；Wei等人，2015年）、导致干湿交替的集中降雨（Wang等人，2019年，2021年）和酸雨（Du等人，2012年，2014年）会通过结构损伤和化学侵蚀共同降解固化土壤。当前的研究主要集中在材料优化上，对固化土壤在现实环境条件下的长期性能研究有限。虽然现有研究探讨了固化土壤的冻融或干湿耐受性（Wu等人，2024年；Yang等人，2020年），但仍存在显著局限性：（1）循环次数不足（通常少于15次），无法复制实际使用环境下的长期效果；（2）评估范围狭窄，主要集中在机械强度或单一重金属固定上（Wei等人，2015年），对固化土壤性能参数的系统相关性分析有限。为了解决这些不足，本研究延长了循环测试期，并建立了压缩强度和电阻率之间的关联模型。此外，它还明确了固化土壤在周期性环境应力下的稳定性能。

像冻融和干湿条件这样的环境循环对固化污染土壤有重大影响，引发结构变化，从而影响长期稳定性（Cui等人，2014年；Tian等人，2019年；Li等人，2018年）。研究表明，在干湿循环下，土壤强度最初会增加，然后会下降（Zha等人，2013a；Zhang等人，2022年）。同时，不同浓度下的重金属浓度表现出不同的趋势：在较低浓度下，重金属浓度先下降后上升；而在较高浓度下，浓度持续上升（Zha等人，2013b）。虽然地质聚合物在土壤稳定方面显示出潜力，但现有研究主要集中在性能上，忽视了对内部降解机制的全面研究（Wang和Xue，2024年；Wang等人，2023年）。这些空白留下了关键问题：冻融和干湿循环如何导致基于废料的地质聚合物固化土壤的劣化？在这些应力下控制污染物释放的机制是什么？解决这些挑战对于开发真正耐用、适用于现场的修复方案至关重要。

本研究评估了RM-SGP固化土壤在反复冻融和干湿循环下的长期性能。通过包括强度测量、浸出分析和显微镜检查在内的综合实验室测试，跟踪了土壤耐久性在这些环境应力下的变化。重要的是，我们揭示了冻融和干湿环境因素下降解的不同情况，揭示了RM-SGP在循环过程中的自我保护机制。通过将废物衍生材料理论与实际环境韧性相结合，这项工作为部署可持续的、适用于现场的解决方案提供了重要数据，将工业副产品转化为可靠的污染屏障——实现了从废物到修复的闭环。

部分内容

污染土壤

为了确保我们基于废料的地质聚合物修复效果的可重复性，我们使用了来自中国吉林的原始贫瘠粘土（ASTM D2487分类）制备了人工污染土壤。这种基础土壤的平均粒径为25.94微米（图1和表1），并系统地添加了Cu、Pb和Cd硝酸盐（纯度≥99%，Macklin Biochemical Co.，中国）。这种受控方法能够精确模拟与现场相关的重金属污染水平

UCS

冻融和干湿循环测试揭示了环境应力如何影响RM-SGP固化土壤的强度（图2）。通过与水泥固化效果（Liang等人，2018年）进行比较，发现当锌含量为5000 mg/kg时，水泥固化土壤的压缩强度低于100 kPa，远低于RM-SGP固化土壤的强度。因此，与传统水泥固化材料相比，RM-SGP具有更好的性能

结论

这项多尺度研究展示了RM-SGP固化重金属污染土壤在冻融和干湿循环下的长期性能。研究揭示了两种循环模式下的不同降解机制以及RM-SGP的抗劣化机制。主要结论如下：

(1)

冻融循环响应： RM-SGP固化土壤在冻融循环下表现出两阶段的性能演变。

未引用的参考文献

Li和Zhang，2009年；Liu等人，2018年；Wang等人，2019年；Wang等人，2022年；Zhou等人，2025年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2022年

CRediT作者贡献声明

卢周：撰写——原始草稿、方法论、数据管理。徐欣：撰写——审稿与编辑、资金获取。王青：监督、资金获取、概念化。周富军：研究。韩永明：验证、数据管理。郭立生：方法论。高慧婷：验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号42330708和42102315）和吉林省自然科学基金（编号20240101056JC）的支持。