摘要： 本文從原材料的選擇、力學效能和固化重金屬三個方面，對地質聚合物在汙泥治理方面的研究進行了梳理。由於能實現以廢治廢的目的，固體廢棄物作為原材料是當前的研究熱點;汙泥的摻入會降低地質聚合物的力學效能，但某些汙泥由於具有特殊的組分和pH值而能促進地質聚合反應從而提高強度;地質聚合物能有效封固重金屬離子，但封固率各有差異。
關鍵詞： 地質聚合物;資源化;汙泥
引言
紹興是紡織印染業的重鎮，同時印染汙泥產量也尤其高，以迄今為止世界上最具規模的印染廢水集中治理企業――紹興水處理髮展有限公司為例，汙泥日產量在2000噸以上(含水率85%)。目前，印染汙泥的處理處置主要以填埋工藝為主，但其不可避免地對周圍的環境造成二次汙染。而不少企業則因處置途徑受限，將汙泥臨時堆放在企業廠區的空地上或角落處，堆放場地簡陋，沒有配備必要的防滲漏措施，極易汙染土壤和地下水。部分企業將汙泥壓濾後利用企業正常生產所需的鍋爐進行焚燒處置，這類鍋爐沒有規範的尾氣處理裝置，焚燒時易對大氣產生二次汙染，同時汙泥焚燒產生的爐渣未得到規範處置。
可以看到，印染汙泥的有效處理還遠未得到合理的解決。從社會經濟發展、資源開發利用和生態環境保護等方面考慮，印染汙泥資源化是最理想的處置措施，既滿足汙泥中資源的有效迴圈利用，同時不對人類和環境產生有害影響。因此，加強印染汙泥資源化利用的研究與實踐，解決印染汙泥處理處置中的難題，避免生態環境汙染，節約處置費用，變廢為寶，使之具有良好的生態效益、環境效益、經濟效益和社會效益，是印染產業和環境可持續發展的必然要求。
地質聚合物(Geopolymer)是一類新型無機高聚合膠凝材料，由法國科學家Joseph Davidovits 教授於20 世紀70年代首先發現並命名，具有高強、高耐久、固核固廢和耐高溫等突出的優點。[1-3]當前，地質聚合物技術的熱點以利用固體廢棄物為主，如粉煤灰和礦渣等。本文旨在總結地質聚合物在汙泥治理中的研究進展，以期對印染汙泥的資源化利用提供技術參考。
1、汙泥地質聚合物材料的研究進展
1.1 原材料的選擇 在汙泥的治理中，水泥固化是一種傳統的方法，但由於汙泥含有複雜的成分，且汙泥的幹化工藝中往往摻入石灰和硫酸亞鐵等進行化學調質幹化，因此若摻汙泥燒製水泥易造成水泥安定性不良，而如果直接摻入水泥則造成固化體耐久性不良。相比於利用水泥固化汙泥，地質聚合物具有更大的優勢，原因在於其原料的低碳環保、對重金屬的高封固率和製品的高耐久性。圖1是Duxson等[4]通過調查公開資料得出的地質聚合物和普通矽酸鹽水泥的碳排放量比較，從中可以發現地質聚合物相比普通水泥能減少80%甚至更高的碳排放。
地質聚合物通常以富含矽鋁相的原材料通過鹼性激發製得，其結構為由共用氧交替鍵合的[SiO4]4―和[AIO4]5―四面體組成的聚合鋁―氧―矽酸鹽無定形三維網路。這種網路結構，賦予地質聚合物不同於矽酸鹽水泥的特點，如力學效能好，能有效封固重金屬離子等。在最初的研究中，地質聚合物的原料主要為偏高嶺土，如雲斯寧，馮瓊等[5，6]以偏高嶺土為矽鋁相原料，製備了赤泥偏高嶺土膠凝材料。但偏高嶺土的生產需要煅燒工藝，不適宜大規模使用且不符合環保的.理念。目前，對地質聚合物的研究更多地集中在利用固體廢棄物，如粉煤灰和礦渣等，其原因在於利用這些原料不但能得到效能較好的地質聚合物，還有利於減小環境負擔。如：徐建中、李文娟和郭曉潞等[7-9]以粉煤灰為主要合成材料，分別製備了粉煤灰製革汙泥地質聚合物、粉煤灰赤泥地質聚合物和粉煤灰市政汙泥地質聚合物。徐子芳、張娟和徐中慧等[10-12]則分別以高鈣煤系廢物、煤矸石和固硫灰為主合成材料製備了相應的汙泥地質聚合物。
1.2 力學效能 地質聚合物的力學效能與矽鋁相的反應活性、激發劑的模數以及水膠比等有密切的關係，汙泥的摻入對其也具有非常顯著的影響。雲斯寧等[5，6]以偏高嶺土、赤泥為原料，鈉水玻璃為激發劑進行了實驗研究，發現水玻璃與赤泥共同激發偏高嶺土膠凝材料的力學效能較好，其強度的發展與水玻璃模數有關，在固定赤泥加入量時，水玻璃模數為1.0時強度最好。徐建中等以粉煤灰、製革廢水汙泥和偏高嶺土為主要原料，氫氧化鉀為激發劑製備了一系列地質聚合物，發現汙泥摻量為10%的地質聚合物的抗壓強度最好;而當摻量超過10%時，抗壓強度有一定幅度的下降;當摻量達到50%時，抗壓強度仍能高於不摻汙泥的對照試樣。李文娟等[8]以粉煤灰、赤泥為膠凝材料，細砂為骨料，水玻璃為激發劑，同時摻入木質素磺酸鈣，製備了赤泥/粉煤灰地質聚合物(見圖2)，發現其抗壓強度隨赤泥摻量的增加呈現出先增大後減小的變化，當赤泥摻量為68%左右時，抗壓強度最大，達到約16MPa，能夠滿足非承重牆磚MU10的要求。
郭曉潞等[9]將汙泥進行熱處理活化，然後摻入高鈣粉煤灰中，並用水玻璃進行激發，製得了熱活化汙泥粉煤灰地質聚合物材料(見圖3)，發現900℃是汙泥最佳的熱活化溫度，製得地質聚合物材料強度較高;以10%～30%質量分數的熱活化汙泥取代高鈣粉煤灰時，抗壓強度隨汙泥的質量分數增加而急劇降低;其中，以含10wt%汙泥(<45μm，900℃焙燒1h)的熱活化汙泥/高鈣粉煤灰地質聚合物具有較好的力學效能。徐子芳、張娟等[10，11]分別研究了900℃熱活化汙泥對粉煤灰和煤矸石地質聚合物的效能影響(見圖4)，發現熱活化汙泥促進了地質聚合物的形成，使強度得到提高，在摻量為40%時達到最大值，28d強度均達到貨超過40MPa。徐中慧等研究了固硫灰復摻偏高嶺土地質聚合物對含鉻汙泥的固化效應，在復摻20%偏高嶺土的條件下，該地質聚合物能獲得較好的強度，並隨著含鉻汙泥含量的增加而下降，當含鉻汙泥摻量為20%時，強度大於20MPa，而當摻量為52%時，強度僅為略大於5MPa。
從以上分析中可以看到汙泥對地質聚合物的力學效能影響非常顯著，在汙泥含量較低時可以一定程度上提高強度，而汙泥摻量過大時則會極大地降低強度。此外，汙泥的前處理，如汙泥的幹化工藝和熱處理工藝等，以及主合成材料的品種對膠凝材料強度的影響也很大。
1.3 固化重金屬 汙泥尤其是工業汙泥由於含有較多重金屬離子，在處理處置中成為影響環境的重要因素。利用水泥處理汙泥並固化重金屬的研究較多，如Davodovits、van Jaarsveld等[2，3，13]對地質聚合物材料的結構研究表明，這類材料的基質相化學組成與沸石類似，結構呈非晶質或半晶質相，重金屬可以有效地被固封在這種類沸石的籠型結構中，因此，地質聚合物材料具有固化重金屬的潛在能力和優良效能。徐建中等[7]人以粉煤灰和製革廢水汙泥製備地質聚合物材料，檢測發現重金屬主要為Cr、Zn、Pb。該地質聚合物材料中的重金屬溶出量符合環境標準規定的要求，且Pb的溶出量最低，Cr其次，Zn最高，而隨著固化時間的延長，重金屬的溶出量逐漸降低。劉斯鳳等[14]將鉻汙泥與粉煤灰地質聚合物複合，研究地質聚合物對鉻的封固機理，發現Cr3+的摻入使粉煤灰中Si和Al的浸出量明顯減少，尤以Si的浸出量減少幅度更大。劉斯鳳等[15]更進一步在粉煤灰地質聚合物中摻入鎳汙泥，研究了鎳汙泥與地質聚合物之間的相互影響，發現：摻鎳汙泥使矽、鋁相浸出量高於未摻鎳汙泥的情況，且矽、鋁浸出量之比減小，說明矽、鋁在鎳的作用下更加活躍，尤以矽對鎳的固封更加顯著;當鎳摻量為0.25%時，鎳的浸出量僅為5.01mg/L，固封率達到99.8%。徐中慧等[12]則以固硫灰來製備地質聚合物用於封固含鉻汙泥，發現固化體總鉻和Cr(VI)浸出質量濃度僅為0.37mg/L和5.93×10-3mg/L，與固化前相比濃度大大降低，且遠低於國標規定的濃度限值，表明地質聚合物固化體具有優良抗浸出效能，能有效防止固化體中的鉻向環境遷移。