北京科技大学倪文教授课题组——冶金渣基胶结剂固化/稳定化含锑尾矿 | MDPI Materials

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作者介绍

通讯作者

倪文 教授

北京科技大学

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1992 年获英国伯明翰大学博士学位；2003 年获国家跨世纪优秀人才基金；现为北京科技大学终身教授。

学术兼职：中国硅酸盐学会工艺岩石学分会理事长、中国循环经济协会工业固废综合利用专家委员会主任、国家“863”主题项目“典型尾矿资源清洁高效利用技术及装备研究与示范”首席专家、国家发改委发展循环经济工作部际联席会议专家咨询委员会委员。

出版专著 2 部，获省部级科技奖 7 项、发明奖 1 项，拥有授权发明专利 58 项。发表论文 400 余篇，2 项研究成果被评为国家级新产品。主持参与国家级项目 19 项。主编和参编国家、地方和团体标准 5 项，4 项科技成果被国家和行业相关部门认定为国际领先水平。

第一作者

李云云 博士研究生

北京科技大学土木与资源工程学院

研究方向：固体废弃物资源化利用

文章导读

大量含硫含重金属尾矿若不经妥善处理，经长期的淋滤、冲刷、渗漏以及风化作用，会对周边环境以及河流和地下水源产生严重的重金属污染风险。国内外学者已经意识到工业固体废弃物资源化利用是实现节约资源、节能减排、碳中和与可持续发展的重要途径。目前，关于锑矿石、锑矿渣、尾矿以及飞灰中 Sb 的溶解释放机制和迁移转化行为方面已有较多文献报道，但是缺乏对锑的固化机制方面的系统性研究。

北京科技大学的倪文教授课题组在 Materials 期刊发表了题为“Study on Solidification and Stabilization of Antimony-Containing Tailings with Metallurgical Slag-Based Binders”的文章，以矿渣、钢渣、脱硫石膏为原料制备冶金渣基胶结剂，以含锑尾矿为骨料制备绿色矿山膏体充填料，研究了充填料的工作性能和强度性能以及水化和固锑机理。该体系具有比普通硅酸盐水泥更强的固化重金属的能力，而 100% 利用固废在生产过程中可以大幅度节能和减排 CO₂，为固体废弃物低风险化以及无害化处置提供理论依据。

研究内容与结果

图 1 为冶金渣胶结剂制备充填料 MBT 与普通硅酸盐水泥制备充填料 OPC 中 Sb 的浸出浓度与固化率。MBT 不同养护龄期锑的浸出浓度均低于 OPC 对照组，这说明 MBT 具有比 OPC 更优异的固锑性能。

图 1. MBT 和 OPC 中 Sb 的浸出浓度与固化率。 

图 2 给出了冶金渣胶结剂含 Sb 固化体与对照样不同水化龄期的傅里叶红外光谱 (FT-IR)。结果表明，掺入 Sb 后，与 C-S-H 相关的吸收峰均向低波数偏移，其中包括：1656 cm^-1 处由 C-S-H 中 H-O-H 的弯曲振动引起的吸收峰；979 cm^-1 处由 C-S-H 凝胶中 Si-O-Si 及 Si-O-Al 的不对称伸缩振动引起的吸收峰。这说明掺入 Sb 后改变了 C-S-H 凝胶中硅氧四面体的链状结构，表现为聚合度降低。

图 2. MSB-Sb 与 MSB 不同水化龄期的傅里叶红外光谱图。

钢渣水化释放羟基为整个体系持续水化提供碱性反应条件，矿渣中的非晶玻璃体结构解离溶出硅酸根、铝酸根、Ca²⁺、Mg²⁺，反应生成 C-S-H 凝胶，脱硫石膏为体系提供大量的 Ca²⁺ 和 SO₄^2- ，与体系中的铝酸根以及凝胶反应生成钙矾石，三者相互渗透协同反应并推动水化反应持续进行。其中，C-S-H 凝胶对锑起到了重要的化学吸附和物理包裹作用。

图3. 冶金渣基胶结剂水化及固锑机理示意图。

研究总结

本文介绍了以矿渣、钢渣、脱硫石膏作为胶凝材料，结合含锑尾矿制备膏体充填料，详细探讨了充填料的工作性能和固锑性能。冶金渣基充填料 MBT 各养护龄期的抗压强度均高于 OPC 对照组，且具有更好的固锑性能，与 OPC 相比，锑的固化率可达到 99%。作者采用 XRD、SEM-EDS、FTIR、XPS 等方法详细分析了冶金渣基胶结剂的水化及固锑机理，研究表明，冶金渣基胶结剂的主要水化产物为钙矾石和 C-S-H 凝胶，其中 C-S-H 凝胶对锑的固化/稳定化主要通过化学吸附和物理包裹作用，尽管发现锑可以降低 C-S-H 凝胶的聚合度，但对钙矾石的影响及其关系尚未得到证实。

原文出自 Materials 期刊

Li, Y.; Ni, W.; Gao, W.; Zhang, S.; Fu, P.; Li, Y. 

Study on Solidification and Stabilization of Antimony-Containing Tailings with Metallurgical Slag-Based Binders.

Materials 2022, 15(5), 1780.

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      Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	3.748
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	15.3 Days
Time to Publication	38 Days

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