Page 67 - 《精细化工》2020年第7期
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第 7 期                       李嘉丽，等:  地质聚合物在重金属处理中的应用进展                                   ·1349·


            等 [38] 研究发现，偏高岭土地质聚合物中的重金属离                        4.4.3    反应温度
                                      2+
                                2+
                                                       3+
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            子半径大小排序为 Pb ＞Cd ＞Cu ≈Zn ＞Cr ，                          温度对重金属离子去除的影响极小，但仍存在
            吸附率分别是 99.48%、97.10%、74.37%、74.94%、                一些作用。KÜNZEL       [45] 使用偏高岭土地质聚合物固
                                                                                 2+
                                                                            +
            28.22%，与重金属离子的半径从大至小排序相同。                          化核废料中 Cs 和 Sr 的实验结果显示，当固化温度
            处理效率随重金属离子半径的增大而增大是因为大                             为 40~60 ℃时，地质聚合物的抗压强度较 10 ℃时下
            尺寸的金属离子与小的硅酸盐低聚物形成弱离子                              降。因为较高的温度有利于 Al 和 Si 的溶解，提高
            对，这有助于形成较大的硅酸盐低聚物，带负电荷                             了反应速率，但导致偏高岭土的不完全溶解。此外，
            的[AlO 4 ]四面体倾向于与之结合，从而导致更有效                        随着固化时间的延长，较高的温度会导致凝胶的脱
            的重金属离子稳定化。                                         水和收缩。但 LI 等     [35] 制备粉煤灰基地质聚合物的实
            4.4   反应条件                                         验得到了与他相反的结论。当固化温度为 45 ℃时，
            4.4.1    反应时间                                      地质聚合物的抗压强度仅为 4.72 MPa，随着固化温
                 ZHANG 等   [39] 利用矿渣基地质聚合物固化溶液                 度升高至 60、75 和 90 ℃，抗压强度分别达到 18.67、
                                               6+
            中的铬，结果显示，接触反应 28 d Cr 的浸出质量                        28.29 和 29.72 MPa。高抗压强度意味着更致密的结
                                      6+
            浓度为 4.6 mg/L，反应 90 d Cr 的浸出质量浓度减小至                 构，低抗压强度将使腐蚀性酸更容易破坏地质聚合
            2.0 mg/L。JIN 等 [40] 将废物焚烧产生的粉煤灰制备成                 物基体的结构并破坏化学键，增加金属被释放的可
            地质聚合物用于固化重金属的研究也得到同样的结                             能性，不利于重金属的固化             [35] 。温度升高可能对重
                         2+
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                   2+
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            论，Pb 、Zn 、Cu 、Cr 的浸出浓度都随固化时                        金属的固化有促进效果，但需要探索硅铝酸盐的最
            间从 1 d 增加到 28 d 而降低。其原因是长时间养护                      适反应温度。
            后试样水化程度较高，微观结构致密化程度较高，                                 AL-ZBOON 等    [46] 进行了粉煤灰基土壤聚合物
            重金属离子被封装在地质聚合物中，固化效果更好。                            去除水溶液中 Pb 的研究，结果表明，随着温度从
                                                                              2+
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                 PANDA 等  [36] 用 0.5 g 叶蜡石基地质聚合物吸附             25 ℃升高至 45 ℃，地质聚合物对 Pb 的吸附量从 63.42
                                                   2+
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            水溶液中 10 mg/L 的 Co 、Cd 、Ni 和 Pb ，接触                 mg/g 增加至 67.75  mg/g。这是因为，提高温度会增
            时间由 10  min 延长至 90  min 时，其吸附效率也从                  加反应的范围和速率，即地质聚合物孔结构、比表
            70%提升至 90%以上。初始时，其表面的活性中心                          面积和孔体积的增加，重金属离子与地质聚合物表
            被迅速填充，随着吸附的进行，重金属离子扩散到                             面的碰撞速度加快，从而增强了处理过程。另外，
            地质聚合物的孔隙中，导致金属离子在地质聚合物                             试样内部的高温会引起水的蒸发和微空腔的形成，
            上的吸附量增加。因此，随着吸附时间的增加，重                             从而增加了吸附容量。
            金属离子的吸附量显著升高。
            4.4.2    pH                                        5    地质聚合物处理重金属的国内外应用现状
                 FERNÁNDEZ-PEREIRA 等     [41] 研究了不同浸出
                                                                   地质聚合物作为环保建筑材料和地基材料是当
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            液 pH 下粉煤灰、矿渣地质聚合物对溶液中 Cd 、                         前的主要工业化应用，但其类沸石结构的发现使其
               2+
                     2+
            Pb 和 Ni 的固化效果。结果显示，随着浸出液 pH
                                                               在重金属污染治理方面的应用潜力被广大研究人员
            从 1 升高至 10，3 种重金属离子的浸出率持续降低。
                                                               发掘出来。国外对地质聚合物的研究早于国内，在
            ZHANG 等    [42] 用粉煤灰地质聚合物固化溶液中的                    处理重金属方面已取得实际进展。核燃料产生的放
               2+
            Cd 也得到同样的结论。在 90 d 的浸出过程中，中
                                                               射性废料会通过饮用水及食物链在人体累积，严重
                       2+
            高 pH 时，Cd 形成 Cd(OH) 2 沉淀，仅溶出不到 0.04%               威胁生态环境和人类健康            [47] 。基于地质聚合物的三
                                                  2+
                 2+
            的 Cd ，低 pH 时，释放了 35%以上的 Cd 。对 pH                   骨架结构对重金属的固封作用，法国 Geopolymer
            强烈的依赖性表明，浸出液 pH 是金属固定化的重                           Institute 公司在地质聚合物中添加废晶态金属纤维
            要因素之一。                                             制造了核废料容器        [48] 。欧洲研究项目 GEOCISTEM
                 对于吸附行为，在地质聚合物适用的 pH 范围                        与德国 BPS  Engineering 工程合作将地质聚合物材
                           +
                                           +
            内，当溶液中 H 的浓度较高时，H 与重金属离子对                          料用于修复前东德 Wismut 公司受铀矿开采废物高
            地质聚合物表面的有效吸附位点产生竞争                    [43] 。因此，    度污染的场所      [49] 。近年来，国内对于重金属的处理
            在较低的 pH 下地质聚合物对重金属的吸附能力较                           逐渐由理论转向实际。重庆大学李东伟教授发明了
            低。JAVADIAN 等      [44] 在 pH 为 1~5 考察了粉煤灰地          以铬渣、高炉矿渣、粉煤灰为原料的铬渣固化胶凝
                          2+
            质聚合物对 Cd 的吸附效果，随着 pH 的升高，Cd                  2+    聚合物，实现了铬离子以非晶态形式被固封在地质
            的吸附率升高，pH=5 时达到最大吸附量 14.431 mg/g。                  聚合物固化体中。WANG 等           [20] 使用添加重金属的粉
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