综述：煤矸石作为一种多功能材料用于土壤污染控制：分层分级评估与应用机制的进展

刘凯欣|陈国亮|乔家成|谢志成|张晨|蒋志超

湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湘潭，湖南，411201

摘要

煤矸石是煤炭工业产生的最丰富的固体废弃物之一，作为一种有前景的多功能材料，在土壤污染管理中受到了越来越多的关注。然而，目前的研究在矿物特性、活化或改性方法以及针对不同污染情景的修复研究方面仍然存在碎片化现象。各组分性质、环境功能与应用优先级之间的内在联系尚未得到充分探讨。本文综述了当前研究中煤矸石的特性、环境功能与应用场景之间的关联。重点分析了四种典型的应用场景：重金属污染土壤、有机污染土壤、酸化土壤和盐碱土壤。特别关注了粒径分布、矿物组成、残余碳含量以及含铁/铝相对其修复行为的影响。现有证据表明，分级分离可以显著提高煤矸石各组分与特定修复需求之间的适应性。富含硅和铝的细小组分通常更适用于吸附和污染物固定；富含铁的组分有利于氧化还原转化和金属稳定；含碳组分在催化降解有机污染物方面具有巨大潜力；而含钙/镁的组分特别适合调节土壤pH值和改善盐碱土壤。基于这些观察结果，本文提出了一种实用方案，将材料特性与应用优先级相结合，尤其适用于中国的资源和环境条件。研究表明，在关键矿物回收技术受限或经济上不可行的情况下，农业再利用和土壤修复可能是实现增值利用和减少堆存量的有效途径。这些发现可能有助于根据地区特定的环境条件差异化利用煤矸石。

引言

随着全球气候变化的加剧和可持续发展目标的追求，推进固体废弃物的资源化利用和受污染土壤的绿色修复已成为环境科学和生态工程领域的紧迫任务[1]、[2]。煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的典型固体废弃物，约占年原煤产量的15-20%。其累计堆存量已超过80亿吨，形成了覆盖中国主要矿区2000多平方公里的生态脆弱带[3]、[4]。根据最新的全国土壤污染调查，16.1%的样本超过了环境保护部（MEP）制定的环境质量标准，其中镉（Cd）、镍（Ni）和铜（Cu）是主要污染物[5]、[6]。这些双重环境挑战凸显了将煤矸石转化为土壤污染控制和生态修复功能性材料的迫切需求。传统的煤矸石利用策略往往资源回收效率低且存在二次污染风险，难以实现绿色、低碳和循环发展的目标[7]。

煤矸石含有丰富的矿物，如高岭石、伊利石、石英和各种铁铝氧化物，其成分更接近天然土壤成分，比大多数其他工业固体废弃物更具潜力[8]、[9]。基于这些特性，“分级分离”技术为煤矸石的高价值利用提供了新的方法。通过基于物理化学特性（如粒径、密度和矿物组成）的精确分类，可以实现差异化利用和定向功能化[10]。铁去除-破碎-筛分工艺可将煤矸石精细分离为清洁煤、骨料和细粉等产品，这些产品在建筑材料、采矿和农业领域得到广泛应用[11]。例如，煤矸石可以通过化学改性[12]或高温发泡[13]制备环保沥青粘合剂和轻质隔热泡沫陶瓷。与粉煤灰[14]和Bacillus subtilis[15]的协同作用可制造出结构稳定性和承载能力更高的矿山回填材料。低温微氧化[16]、酸化和共沉淀[17]等工艺有助于形成富腐殖酸的腐殖质，增强土壤酶活性和生物量生产力。在土壤修复应用中，煤矸石衍生材料在改性、协同反应和资源效率方面具有多重优势[18]。例如，铁基改性可促进砷（As(III)的氧化，降低土壤砷含量，优化pH值，并实现材料再生[19]、[20]；碱热改性和水热活化可进一步增加比表面积、孔隙体积和活性功能团的数量，从而提高对铅（Pb²⁺）和镉（Cd²⁺）等重金属的吸附和固定能力[21]、[22]。合成钙硅酸盐水合物（C–S–H）材料可改善土壤物理化学性质，促进六价铬（Cr(VI)的还原，并抑制植物吸收，为原位修复和农产品安全提供双重保护[23]。煤矸石的添加可降低土壤分散性，提高水分稳定性，并改善土壤团聚体结构和水力韧性[24]。

系统分析煤矸石多组分组成与各种类型受污染土壤之间的相互作用机制，以及其在吸附、络合、钝化、氧化还原和微生态调节中的功能作用，对于实现煤矸石资源化利用和绿色土壤修复的协同推进至关重要。尽管取得了这些进展，但仍存在一些重要空白：（i）大多数先前研究将煤矸石视为整体材料或经过单步改性后的材料，而其内在组分异质性与组分特定修复功能之间的关系尚未得到系统阐明[25]；（ii）现有研究通常围绕单一污染物或单独的处理技术展开，缺乏材料分级、修复需求和部署决策的整合；（iii）尽管中国拥有广泛且地理分布多样的煤矸石资源，但在确定利用优先级时，对区域资源禀赋、关键矿物回收潜力、农业适用性和经济可行性等方面的考虑不足[26]、[27]。鉴于这些不足，本研究通过明确将材料异质性与应用需求联系起来，重新审视了煤矸石的利用方式，特别考虑了中国的地区差异。目的是明确在不同资源、环境和经济条件下如何更合理地利用不同类型的煤矸石。

章节摘录

综述范围和目的

本综述基于对已发表研究的系统分析，重点探讨了煤矸石的性质、处理方法和环境应用之间的联系。其目的不仅是总结其物理化学性质、改性方法和修复机制的现有知识，还包括建立一种综合视角，将组分特性、污染物特定功能和应用优先级联系起来。选择中国作为主要案例，是因为

来源和物理性质

在中国，煤矸石主要来源于隧道掘进、煤炭开采以及煤炭洗选和加工活动（表1）。它具有明显的多相复合特性。新鲜煤矸石通常呈灰黑色至深灰色，表面常带有黄褐色的氧化铁条纹。长期风化后，颜色逐渐变为灰白色或红棕色，反映了硫化物的氧化。莫氏硬度一般在3

分级分离及其应用

分级分离是指根据材料的物理和化学性质差异对其进行分类和利用。这种方法在提高资源利用效率的同时降低了环境风险。这一概念源于系统工程和精细资源管理的原则，强调根据材料的质量或功能水平进行逐步筛选和分级增值

应用场景

土壤污染已成为许多地区农业生产与生态稳定性的主要制约因素。在中国，土壤污染类型多样，包括重金属污染、有机污染、酸化、农业化学品残留和盐碱化[41]、[55]，其中重金属、有机污染物、酸性物质和盐碱成分的积累最为普遍且影响最大

讨论

本综述的证据表明，煤矸石不应再被视为均质的固体废弃物，而应被视为具有不同环境功能和资源潜力的异质性二次资源。现有研究主要集中在单一利用途径上，如建筑材料、填埋替代品、金属回收或单独的土壤修复应用。这些途径往往忽视了煤矸石的固有变异性

结论

本研究阐明了在考虑煤矸石异质性的情况下，如何更有效地利用它。从实际应用的角度来看，不同类型的煤矸石组分可以针对不同的土壤问题进行匹配：富含硅和铝的细小组分适用于吸附和固定；富含铁的组分适用于氧化还原调节和稳定；含碳组分适用于有机污染物降解；含钙/镁的组分适用于pH值调节

未引用参考文献

[127], [131], [132], [133], [134], [135], [136], [137], [138]

CRediT作者贡献声明

刘凯欣：撰写——综述与编辑、初稿撰写、方法学研究、数据分析。乔家成：撰写——综述与编辑。陈国亮：撰写——综述与编辑、监督、项目管理、资金筹集、概念构思。张晨：方法学研究。谢志成：可视化设计。蒋志超：撰写——综述与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了湖南省教育厅科学研究基金（编号24A0346）和湖南省煤炭资源清洁利用与矿山环境保护重点实验室开放基金（编号E22514）的支持。