（1）立項意義
有色和希貴金屬礦山的尾礦和廢石多含有較高的重金屬和砷。例如，本項目組對廣西河池地區的六個典型工業塵渣堆場進行取樣分析表明，砷元素的含量都在2%（20000mg/Kg）以上，鉛元素的含量都在0.09%（900mg/Kg） 以上，另外還含有鎘、汞、有色及希貴金屬、銻等其他重金屬污染物。截至到2011年底我國尾礦累積堆存量為120億噸，其中有色及稀貴金屬尾礦為55.8億噸。這些尾礦堆存在地表，成了全球最大的重金屬潛在污染源，并且部分工業塵渣堆場長期存在潰壩的安全隱患。除了尾礦之外，在我國大多數有色金屬采選冶集中區還有大量的除塵灰、冶煉渣、污水處理污泥等被列為危險固體廢棄物進項管理。含重金屬的危險固體廢棄物的倉儲式貯存處理，平均每噸每年的管理成本約200-500元。而玻璃態固化法、溶解浸出等終極無害化處理的成本約為2000-5000元/噸。近幾年開發的無水泥和超低水泥膏體充填用膠結劑顯示出比普通硅酸鹽水泥超強的固化重金屬能力，因此初步顯示出具有將危險固體廢棄物進行安全地下處置的巨大潛力。
雖然我國已實施大量的以有色和稀貴金屬尾礦為骨料的地下膠結充填采礦工程，但其固化重金屬的原理與機理，以及在長期地質環境下的穩定性預測還缺乏基礎研究的，因此急需在這方面進行長期持久的深入基礎研究。采用普通硅酸鹽水泥固化重金屬后再進行填埋或堆存處置在國內外已是成熟技術。而利用地下采礦的水泥膠結充填料協同固化重金屬的研究國內外還沒有進行研究的報道。最近的研究表明，利用地質聚合物中硅的四配位同構化效應和用化學合成法制備的含硫酸根、砷酸根的復鹽，都具有更強的固化鉛和砷的能力。其中所合成的砷菱鉛礬在較高pH值條件下甚至可以使砷和鉛在水中的濃度都達到飲用水的標準。而所合成的BFAS相和砷明礬石也具有接近飲用水的砷溶解度。部分含有硫酸根、砷酸根的復鹽對重金屬具有超級固化能力的觀點也得到了大量野外環境礦物學和環境地球化學調查結果的證實。
本課題就是以開發出具有超強重金屬固化能力的重金屬固化劑為目標，以礦渣和脫硫石膏膠結劑為主要原料，通過研究膠結劑水化過程中鉛鐵礬、砷菱鉛礬、鈣礬石等復鹽類礦物的形成機理和使膠結劑內發生類似于地質聚合物中硅的四配位同構化效應，使膠結劑具有比水泥更強的固結砷和鉛的能力，從而實現利用地下采礦的膠結充填料協同固化重金屬的目標。
我國國民經濟和社會發展“十二·五”規劃綱要中強調要“加強重金屬污染綜合治理”，并把“加強重點區域、重點行業和重點企業重金屬污染防治”列為全國環境治理重點工程之一。 本項目以項目組所開發的用于地下膠結充填采礦的礦渣-鋼渣-脫硫石膏膠結劑，對協同固化鉛和砷進行基礎研究，揭示固化機理和調控機制。項目成果對進一步推動以尾礦和廢石為骨料的膠結充填采礦技術的發展，從而實現把最大潛在重金屬污染源進行地下安全處置和資源化利用，以及實現含砷、含鉛危廢的低成本地下安全處置，大幅度提有色采選冶聯合企業的環境效益、資源效益和經濟效益具有重要意義。
（2）主要研究內容
1） 礦渣基重金屬固化劑固化重金屬過程中硅的四配位同構化效應與復鹽效應調控機制研究。
2） 礦渣基重金屬固化劑水化硬化機理及物相演化規律調控機制研究。
3）礦渣基膠凝材料膠結充填體微觀結構演化規律及其對重金屬固化效應的影響調控機制研究。
4） 礦渣基重金屬固化劑固化高毒性重金屬充填體對地下環境影響的評價方法研究。
5） 低氧逸度條件下微生物對聚羧酸減水劑的分解作用及其對硫酸根和高價砷的還原作用規律調控機制研究。
6） 硅的四配位同構化效應與超低溶解度硫化物對重金屬離子固化競爭機制調控研究。
7） 五價砷和三價砷在不同硅氧四面體環境中的核外電子云密度變化規律調控機制研究。
8） 復鹽效應與超低溶解度重金屬硫化物對硫的氧化還原反應影響規律調控機制研究。
9） 含重金屬復鹽礦物中重金屬的配位場對其穩定性的影響規律調控機制研究。
（3） 技術路線
該技術本著以廢治廢的原則，以水淬高爐礦渣和脫硫石膏為主要原料，選擇有有色及希貴金屬冶煉廠脫硫石膏、煙道灰、污泥、冶煉渣等含高重金屬的高活性組分作為高爐水淬礦渣及其它活性硅鋁基物料的激發劑，使其產生高膠凝活性，形成對含重金屬危險固體廢棄物有高效固結作用的硅鋁基膠結充填專用膠凝材料。基本技術原理是以“硅的四配位同構化效應”為核心，充分發揮“復鹽效應"。
硅氧四面體在解聚、遷移和再聚合的過程中會使三價或五價離子進入硅氧四面體網絡結構，并使其形成具有四個氧配位的四面體，與硅氧四面體以頂角相連。而活潑的一價或二價的陽離子或陰離子則被捕獲進入網絡體的空隙間平衡電荷而被穩定化。這種由于硅氧四面體的聚合而促使三價或五價離子形成具有四個氧配位的四面體，并能同時使大量活潑的一價或二價離子穩定化的作用成為“硅的四配位同構化效應”。
復鹽是指由一種以上陰離子或/和一種以上陽離子組成的鹽類，即復鹽至少含有三種以上的不同離子基團。復鹽的一個重要特征是能夠通過多種離子基團的組合使體系內的電子軌道運動狀態取得最低的能級。復鹽可以有多種簡單的鹽通過捕獲額外的陰離子或陽離子復合而成。因此，所有復鹽的形成過程相對于含有相同離子的簡單鹽來說都是放熱過程，即通過復合反應形成復鹽的過程是體系能態降低的過程，因此許多活潑的離子可以通過復鹽的形成使其在水中的溶解度大幅度下降，從而被固定下來。
采用水淬高爐礦渣為主要原料所制備的礦渣基超強重金屬固化劑中CaO/SiO2低于1，并能控制其在反應過程中有大量的Ca2+脫離硅酸鹽體系而形成鈣礬石等極低溶解度的含硫酸根復鹽，因此剩余的部分中CaO/SiO2會遠遠低于1，所形成的水化產物是三維空間分布的由硅氧四面體為主互相連接的網絡體，并能夠對三價砷和五價砷形成很強的硅的四配位同構化效應，使其進入硅（鋁）網絡體，形成硅氧骨干的一部分，從而使砷在原子級別的微觀尺度上被穩定化。此外，由于硅的四配位同構化效應會誘導大量Pb2+ 和Cd2+ 等二價的重金屬離子進入網絡體空隙平衡電荷，從而也能使大量的二價重金屬離子在原子級別的微觀尺度上被穩定化（如圖1所示）。以水淬高爐礦渣和循環流化床鍋爐灰渣為主要原料，制備可發生硅的四配位同構化效應的充填專用礦渣基超強重金屬固化劑，可比普通42.5硅酸鹽水泥的生產成本降低30%以上，而充填體的強度會提高30%以上。所配制的充填料在易于輸送，并在流動性、流變性及凝結硬化的可控性方面均優于普通硅酸鹽水泥。預期固結砷和重金屬的能力可比普通硅酸鹽水泥所配制的充填料提高10倍以上。從而實現把目前堆存于地表的大部分含重金屬有色金屬采、選、冶固體廢棄物用于井下充填，并達到安全固結處置的目的，同時為降低礦山企業充填采礦成本，增加資源回采率作出貢獻。
地殼表面及大多數工業過程中，硅的遷移既不是以硅原子形式也不是以硅離子形式遷移的，而是以硅氧四面體形式遷移的。參與遷移的硅氧四面體可以是單個硅氧四面體，也可以是二聚體、三聚體和多聚體。硅氧四面體相連接時，是以兩個相鄰的硅氧四面體共同頂角式連接的。硅氧四面體在解聚、遷移和重組再聚合的過程中，傾向于將三價的鋁、三價的砷和五價的磷、五價的砷等離子也結合進硅氧四面體網絡，并帶動這些三價或五價離子也形成四配位，即也形成以四個氧原子作為頂角的鋁氧四面體、砷氧四面體或磷氧四面體。如果是三價的鋁或三價的砷離子被結合進入硅氧四面體網絡，則網絡體中就會出現電荷不平衡，即缺少正電符。二價和一價的金屬陽離子就會被結合進入網絡體的空隙補充正電荷。如果是五價的磷離子或是五價砷離子被結合進入硅氧四面體網絡，則會出現缺少負電荷的情況，此時就會有一價或二價的陰離子被結合進入四面體的網絡用來平衡負電荷（如圖1所示）。由于硅的四配位同構化效應可以使大量較易遷移的三價和五價化合物參與形成更為穩定的硅氧網絡體，也使大量更活潑的一價和二價離子被結合進入網絡體的空隙而被穩定化。
傳統的水泥基材料屬富鈣體系，由于存在大量的鈣離子進入硅鋁網絡體空隙平衡電荷，就給二價的重金屬離子如Pb2+、Cd2+等進入網絡體空隙平衡電荷留下很少的機會。因此傳統上用水泥固化含重金屬危險固廢的方法主要是靠加大水泥用量來提高水泥石的強度和密實性來解決，因此成本很高。此外由于水泥屬于富鈣體系，CaO/SiO2比值很高，一般大于2，因此，其水化產物主要為鏈狀構造硅酸鹽，并且鏈的長度不大，導致大量硅氧四面體位于鏈的兩端，因此，制約了硅的四配位同構化效應發揮，不能使大量的三價砷和五價砷以四配位的形式與硅氧四面體連接，也就不能變成硅氧網絡體的一部分，也不能在原子級別的微觀尺度上被充分穩定化。同時由于水泥中的水化產物主要為鏈狀構造硅酸鹽，因此參與平衡電荷的二價重金屬離子無法進入硅氧四面體網絡的空隙平衡電荷，因此二價的重金屬離子也不能在原子級別的微觀尺度上被充分穩定化。由于本技術是要配合全尾砂高濃度膠結充填采礦工藝對含重金屬和砷的危險固廢進行地下安全處置，因此從控制充填采礦的成本上考慮不允許使用大量的水泥。另一方面從大距離小口徑管道輸送的角度也不允許使用過低的水膠比。因此，地下膠結充填采礦不能像在地表花高額成本采用水泥固化重金屬危險廢物那樣制造出高強度高密實度的水泥固化體，簡單地采用傳統水泥來配合地下膠結充填采礦來處置重金屬危險廢物是行不通的。而采用礦渣基超強重金屬固化劑代替水泥進行全尾砂高濃度膠結充填采礦可以采用低膠凝材料和較大水膠比來滿足充填采礦對低本和大流成動度的要求，同時也能實現對砷和重金屬在原子尺度上的微觀穩定化，從而實現膠結充填采礦和安全處置重金屬固廢的雙重目標。
目前在有色金屬采礦業，全尾砂高濃度膠結充填采礦技術之所以在最近幾年得到迅速發展，是因為該工藝與傳統的洞室法相比可以提高資源回采率30%左右，與傳統的崩落法相比，可減少礦石品位貧化率10%-30%，并能適當提高回采率。礦石品位的貧化會給后續選礦帶來低的選礦回收率，以及多產生10%-30%的尾礦和廢石。另外，高濃度膠結充填采礦技術與上述兩種傳統的主流采礦技術相比，還能提高采礦生產的安全保障，避免地表塌陷，減少對地下水平衡和地應力平衡的破壞，并能消納大量的固體廢棄物。結合目前在有色金屬采礦業正在快速發展的全尾砂高濃度膠結充填采礦技術，以“硅的四配位同構化效應”為核心，充分發揮“復鹽效應"。本著以廢治廢的原則，以水淬高爐礦渣和輕燒高嶺土為主要原料，選擇有有色及希貴金屬冶煉廠脫硫石膏、煙道灰、污泥、冶煉渣等含高重金屬的高活性組分作為高爐水淬礦渣及其它活性硅鋁基物料的激發劑，使其產生高膠凝活性，開發出對含重金屬危險固體廢棄物有高效固結作用的硅鋁基膠結充填專用膠凝材料，用以代替目前廣泛采用的普通硅酸鹽水泥。
（4）主要考核指標：
1）完成10000立方米以上礦渣基超強重金屬固化劑低成本固化有色及希貴金屬冶煉工業危廢示范工程；
2）礦渣基超強重金屬固化劑固化后的有色及希貴金屬冶煉工業危廢中砷及鉛、鎘等主要重金屬的浸出率比采用普通42.5硅酸鹽水泥固化后降低500%；
3）礦渣基超強重金屬固化劑中水泥熟料摻量少于20%，生產成本比水泥降低30%；
4）以蒸餾水浸泡示范充填體樣塊100小時后的浸出液，砷及重金屬含量達到國家地下水Ⅲ類標準。
（5） 預期獲得國家專利
預計獲國家發明專利3項。
（6） 預期的社會經濟效益
在我國大多數有色金屬采選冶集中區還有大量的除塵灰、冶煉渣、污水處理污泥等被列為危險固體廢棄物進項管理。含重金屬的危險固體廢棄物的倉儲式貯存處理，平均每噸每年的管理成本約200-500元。而玻璃態固化法、溶解浸出等終極無害化處理的成本約為2000-5000元/噸。近幾年開發的無水泥和超低水泥膏體充填用膠結劑顯示出比普通硅酸鹽水泥超強的固化重金屬能力，因此初步顯示出具有將危險固體廢棄物進行安全地下處置的巨大潛力。課題研究成果預計3～5年內進入廣泛的推廣應用階段。本項目擬開發的超強的固化劑，配合膏體膠接充填采礦地下處置重金屬危廢，在處置費用方面具提高有資源回收率或提高采礦安全保障的正效益。與含重金屬危廢的倉儲式貯存處理平均每噸每年的管理成本約200-500元，和玻璃態固化法、溶解浸出等終極無害化處理的成本約為2000-5000元/噸相比，每處理100萬噸危廢分別可獲2-3億元和20-50億元的經濟效益。其終極地下安全處置的環境效益更是無法估量。
有色和希貴金屬礦山的尾礦和廢石多含有較高的重金屬和砷。例如，本項目組對廣西河池地區的六個典型工業塵渣堆場進行取樣分析表明，砷元素的含量都在2%（20000mg/Kg）以上，鉛元素的含量都在0.09%（900mg/Kg） 以上，另外還含有鎘、汞、有色及希貴金屬、銻等其他重金屬污染物。截至到2011年底我國尾礦累積堆存量為120億噸，其中有色及稀貴金屬尾礦為55.8億噸。這些尾礦堆存在地表，成了全球最大的重金屬潛在污染源，并且部分工業塵渣堆場長期存在潰壩的安全隱患。除了尾礦之外，在我國大多數有色金屬采選冶集中區還有大量的除塵灰、冶煉渣、污水處理污泥等被列為危險固體廢棄物進項管理。含重金屬的危險固體廢棄物的倉儲式貯存處理，平均每噸每年的管理成本約200-500元。而玻璃態固化法、溶解浸出等終極無害化處理的成本約為2000-5000元/噸。近幾年開發的無水泥和超低水泥膏體充填用膠結劑顯示出比普通硅酸鹽水泥超強的固化重金屬能力，因此初步顯示出具有將危險固體廢棄物進行安全地下處置的巨大潛力。
雖然我國已實施大量的以有色和稀貴金屬尾礦為骨料的地下膠結充填采礦工程，但其固化重金屬的原理與機理，以及在長期地質環境下的穩定性預測還缺乏基礎研究的，因此急需在這方面進行長期持久的深入基礎研究。采用普通硅酸鹽水泥固化重金屬后再進行填埋或堆存處置在國內外已是成熟技術。而利用地下采礦的水泥膠結充填料協同固化重金屬的研究國內外還沒有進行研究的報道。最近的研究表明，利用地質聚合物中硅的四配位同構化效應和用化學合成法制備的含硫酸根、砷酸根的復鹽，都具有更強的固化鉛和砷的能力。其中所合成的砷菱鉛礬在較高pH值條件下甚至可以使砷和鉛在水中的濃度都達到飲用水的標準。而所合成的BFAS相和砷明礬石也具有接近飲用水的砷溶解度。部分含有硫酸根、砷酸根的復鹽對重金屬具有超級固化能力的觀點也得到了大量野外環境礦物學和環境地球化學調查結果的證實。
本課題就是以開發出具有超強重金屬固化能力的重金屬固化劑為目標，以礦渣和脫硫石膏膠結劑為主要原料，通過研究膠結劑水化過程中鉛鐵礬、砷菱鉛礬、鈣礬石等復鹽類礦物的形成機理和使膠結劑內發生類似于地質聚合物中硅的四配位同構化效應，使膠結劑具有比水泥更強的固結砷和鉛的能力，從而實現利用地下采礦的膠結充填料協同固化重金屬的目標。
我國國民經濟和社會發展“十二·五”規劃綱要中強調要“加強重金屬污染綜合治理”，并把“加強重點區域、重點行業和重點企業重金屬污染防治”列為全國環境治理重點工程之一。 本項目以項目組所開發的用于地下膠結充填采礦的礦渣-鋼渣-脫硫石膏膠結劑，對協同固化鉛和砷進行基礎研究，揭示固化機理和調控機制。項目成果對進一步推動以尾礦和廢石為骨料的膠結充填采礦技術的發展，從而實現把最大潛在重金屬污染源進行地下安全處置和資源化利用，以及實現含砷、含鉛危廢的低成本地下安全處置，大幅度提有色采選冶聯合企業的環境效益、資源效益和經濟效益具有重要意義。
（2）主要研究內容
1） 礦渣基重金屬固化劑固化重金屬過程中硅的四配位同構化效應與復鹽效應調控機制研究。
2） 礦渣基重金屬固化劑水化硬化機理及物相演化規律調控機制研究。
3）礦渣基膠凝材料膠結充填體微觀結構演化規律及其對重金屬固化效應的影響調控機制研究。
4） 礦渣基重金屬固化劑固化高毒性重金屬充填體對地下環境影響的評價方法研究。
5） 低氧逸度條件下微生物對聚羧酸減水劑的分解作用及其對硫酸根和高價砷的還原作用規律調控機制研究。
6） 硅的四配位同構化效應與超低溶解度硫化物對重金屬離子固化競爭機制調控研究。
7） 五價砷和三價砷在不同硅氧四面體環境中的核外電子云密度變化規律調控機制研究。
8） 復鹽效應與超低溶解度重金屬硫化物對硫的氧化還原反應影響規律調控機制研究。
9） 含重金屬復鹽礦物中重金屬的配位場對其穩定性的影響規律調控機制研究。
（3） 技術路線
該技術本著以廢治廢的原則，以水淬高爐礦渣和脫硫石膏為主要原料，選擇有有色及希貴金屬冶煉廠脫硫石膏、煙道灰、污泥、冶煉渣等含高重金屬的高活性組分作為高爐水淬礦渣及其它活性硅鋁基物料的激發劑，使其產生高膠凝活性，形成對含重金屬危險固體廢棄物有高效固結作用的硅鋁基膠結充填專用膠凝材料。基本技術原理是以“硅的四配位同構化效應”為核心，充分發揮“復鹽效應"。
硅氧四面體在解聚、遷移和再聚合的過程中會使三價或五價離子進入硅氧四面體網絡結構，并使其形成具有四個氧配位的四面體，與硅氧四面體以頂角相連。而活潑的一價或二價的陽離子或陰離子則被捕獲進入網絡體的空隙間平衡電荷而被穩定化。這種由于硅氧四面體的聚合而促使三價或五價離子形成具有四個氧配位的四面體，并能同時使大量活潑的一價或二價離子穩定化的作用成為“硅的四配位同構化效應”。
復鹽是指由一種以上陰離子或/和一種以上陽離子組成的鹽類，即復鹽至少含有三種以上的不同離子基團。復鹽的一個重要特征是能夠通過多種離子基團的組合使體系內的電子軌道運動狀態取得最低的能級。復鹽可以有多種簡單的鹽通過捕獲額外的陰離子或陽離子復合而成。因此，所有復鹽的形成過程相對于含有相同離子的簡單鹽來說都是放熱過程，即通過復合反應形成復鹽的過程是體系能態降低的過程，因此許多活潑的離子可以通過復鹽的形成使其在水中的溶解度大幅度下降，從而被固定下來。
采用水淬高爐礦渣為主要原料所制備的礦渣基超強重金屬固化劑中CaO/SiO2低于1，并能控制其在反應過程中有大量的Ca2+脫離硅酸鹽體系而形成鈣礬石等極低溶解度的含硫酸根復鹽，因此剩余的部分中CaO/SiO2會遠遠低于1，所形成的水化產物是三維空間分布的由硅氧四面體為主互相連接的網絡體，并能夠對三價砷和五價砷形成很強的硅的四配位同構化效應，使其進入硅（鋁）網絡體，形成硅氧骨干的一部分，從而使砷在原子級別的微觀尺度上被穩定化。此外，由于硅的四配位同構化效應會誘導大量Pb2+ 和Cd2+ 等二價的重金屬離子進入網絡體空隙平衡電荷，從而也能使大量的二價重金屬離子在原子級別的微觀尺度上被穩定化（如圖1所示）。以水淬高爐礦渣和循環流化床鍋爐灰渣為主要原料，制備可發生硅的四配位同構化效應的充填專用礦渣基超強重金屬固化劑，可比普通42.5硅酸鹽水泥的生產成本降低30%以上，而充填體的強度會提高30%以上。所配制的充填料在易于輸送，并在流動性、流變性及凝結硬化的可控性方面均優于普通硅酸鹽水泥。預期固結砷和重金屬的能力可比普通硅酸鹽水泥所配制的充填料提高10倍以上。從而實現把目前堆存于地表的大部分含重金屬有色金屬采、選、冶固體廢棄物用于井下充填，并達到安全固結處置的目的，同時為降低礦山企業充填采礦成本，增加資源回采率作出貢獻。
地殼表面及大多數工業過程中，硅的遷移既不是以硅原子形式也不是以硅離子形式遷移的，而是以硅氧四面體形式遷移的。參與遷移的硅氧四面體可以是單個硅氧四面體，也可以是二聚體、三聚體和多聚體。硅氧四面體相連接時，是以兩個相鄰的硅氧四面體共同頂角式連接的。硅氧四面體在解聚、遷移和重組再聚合的過程中，傾向于將三價的鋁、三價的砷和五價的磷、五價的砷等離子也結合進硅氧四面體網絡，并帶動這些三價或五價離子也形成四配位，即也形成以四個氧原子作為頂角的鋁氧四面體、砷氧四面體或磷氧四面體。如果是三價的鋁或三價的砷離子被結合進入硅氧四面體網絡，則網絡體中就會出現電荷不平衡，即缺少正電符。二價和一價的金屬陽離子就會被結合進入網絡體的空隙補充正電荷。如果是五價的磷離子或是五價砷離子被結合進入硅氧四面體網絡，則會出現缺少負電荷的情況，此時就會有一價或二價的陰離子被結合進入四面體的網絡用來平衡負電荷（如圖1所示）。由于硅的四配位同構化效應可以使大量較易遷移的三價和五價化合物參與形成更為穩定的硅氧網絡體，也使大量更活潑的一價和二價離子被結合進入網絡體的空隙而被穩定化。
傳統的水泥基材料屬富鈣體系，由于存在大量的鈣離子進入硅鋁網絡體空隙平衡電荷，就給二價的重金屬離子如Pb2+、Cd2+等進入網絡體空隙平衡電荷留下很少的機會。因此傳統上用水泥固化含重金屬危險固廢的方法主要是靠加大水泥用量來提高水泥石的強度和密實性來解決，因此成本很高。此外由于水泥屬于富鈣體系，CaO/SiO2比值很高，一般大于2，因此，其水化產物主要為鏈狀構造硅酸鹽，并且鏈的長度不大，導致大量硅氧四面體位于鏈的兩端，因此，制約了硅的四配位同構化效應發揮，不能使大量的三價砷和五價砷以四配位的形式與硅氧四面體連接，也就不能變成硅氧網絡體的一部分，也不能在原子級別的微觀尺度上被充分穩定化。同時由于水泥中的水化產物主要為鏈狀構造硅酸鹽，因此參與平衡電荷的二價重金屬離子無法進入硅氧四面體網絡的空隙平衡電荷，因此二價的重金屬離子也不能在原子級別的微觀尺度上被充分穩定化。由于本技術是要配合全尾砂高濃度膠結充填采礦工藝對含重金屬和砷的危險固廢進行地下安全處置，因此從控制充填采礦的成本上考慮不允許使用大量的水泥。另一方面從大距離小口徑管道輸送的角度也不允許使用過低的水膠比。因此，地下膠結充填采礦不能像在地表花高額成本采用水泥固化重金屬危險廢物那樣制造出高強度高密實度的水泥固化體，簡單地采用傳統水泥來配合地下膠結充填采礦來處置重金屬危險廢物是行不通的。而采用礦渣基超強重金屬固化劑代替水泥進行全尾砂高濃度膠結充填采礦可以采用低膠凝材料和較大水膠比來滿足充填采礦對低本和大流成動度的要求，同時也能實現對砷和重金屬在原子尺度上的微觀穩定化，從而實現膠結充填采礦和安全處置重金屬固廢的雙重目標。
目前在有色金屬采礦業，全尾砂高濃度膠結充填采礦技術之所以在最近幾年得到迅速發展，是因為該工藝與傳統的洞室法相比可以提高資源回采率30%左右，與傳統的崩落法相比，可減少礦石品位貧化率10%-30%，并能適當提高回采率。礦石品位的貧化會給后續選礦帶來低的選礦回收率，以及多產生10%-30%的尾礦和廢石。另外，高濃度膠結充填采礦技術與上述兩種傳統的主流采礦技術相比，還能提高采礦生產的安全保障，避免地表塌陷，減少對地下水平衡和地應力平衡的破壞，并能消納大量的固體廢棄物。結合目前在有色金屬采礦業正在快速發展的全尾砂高濃度膠結充填采礦技術，以“硅的四配位同構化效應”為核心，充分發揮“復鹽效應"。本著以廢治廢的原則，以水淬高爐礦渣和輕燒高嶺土為主要原料，選擇有有色及希貴金屬冶煉廠脫硫石膏、煙道灰、污泥、冶煉渣等含高重金屬的高活性組分作為高爐水淬礦渣及其它活性硅鋁基物料的激發劑，使其產生高膠凝活性，開發出對含重金屬危險固體廢棄物有高效固結作用的硅鋁基膠結充填專用膠凝材料，用以代替目前廣泛采用的普通硅酸鹽水泥。
（4）主要考核指標：
1）完成10000立方米以上礦渣基超強重金屬固化劑低成本固化有色及希貴金屬冶煉工業危廢示范工程；
2）礦渣基超強重金屬固化劑固化后的有色及希貴金屬冶煉工業危廢中砷及鉛、鎘等主要重金屬的浸出率比采用普通42.5硅酸鹽水泥固化后降低500%；
3）礦渣基超強重金屬固化劑中水泥熟料摻量少于20%，生產成本比水泥降低30%；
4）以蒸餾水浸泡示范充填體樣塊100小時后的浸出液，砷及重金屬含量達到國家地下水Ⅲ類標準。
（5） 預期獲得國家專利
預計獲國家發明專利3項。
（6） 預期的社會經濟效益
在我國大多數有色金屬采選冶集中區還有大量的除塵灰、冶煉渣、污水處理污泥等被列為危險固體廢棄物進項管理。含重金屬的危險固體廢棄物的倉儲式貯存處理，平均每噸每年的管理成本約200-500元。而玻璃態固化法、溶解浸出等終極無害化處理的成本約為2000-5000元/噸。近幾年開發的無水泥和超低水泥膏體充填用膠結劑顯示出比普通硅酸鹽水泥超強的固化重金屬能力，因此初步顯示出具有將危險固體廢棄物進行安全地下處置的巨大潛力。課題研究成果預計3～5年內進入廣泛的推廣應用階段。本項目擬開發的超強的固化劑，配合膏體膠接充填采礦地下處置重金屬危廢，在處置費用方面具提高有資源回收率或提高采礦安全保障的正效益。與含重金屬危廢的倉儲式貯存處理平均每噸每年的管理成本約200-500元，和玻璃態固化法、溶解浸出等終極無害化處理的成本約為2000-5000元/噸相比，每處理100萬噸危廢分別可獲2-3億元和20-50億元的經濟效益。其終極地下安全處置的環境效益更是無法估量。
