图1 防污屏障示意图
Fig.1 Schematics of barriers
JIANG Lusha,LI Chaoyue,LU Guanghua,et al.Hydraulic performance of polymer-modified bentonite in containment barriers under aggressive conditions[J].Journal of Taiyuan University of Technology,2023,54(6):959-968.
我国工业固体废物占地超过200万公顷,历史堆存量超过600亿t,在土壤污染调查的工业固体废物处置场地的1 351个土壤点位中超标点位占21.3%,我国345座垃圾填埋场中85%存在泄露[1-2]。这对地下污染风险管控与修复治理造成巨大挑战。在工业固废堆填场、尾矿库以及生活垃圾填埋场等场地建立防污屏障是控制地下水和土壤污染的关键[3]。
膨润土因其低渗透性,常作为防污屏障(如土工合成黏土衬垫(geosynthetic clay liner,GCL)、土-膨润土阻隔墙、覆盖系统等,如图1所示)的核心防渗材料应用于工业固废堆填场、尾矿库及生活垃圾填埋场,用于防止场内废液迁移,从而避免周围土壤和地下水的污染[4]。但是,很多工业固废、尾矿及生活垃圾的渗滤液都呈现出高盐、强酸或强碱的特点,例如,磷石膏渗滤液呈强酸性(pH值1.5～4.5);钢渣渗滤液呈强碱性(pH值>10.5);赤泥渗滤液同时呈强碱性和高盐性(pH值>12,含盐量(质量分数)2.7%～4.1%,离子强度239～1 546 mmol/L)[5].当与这些具有高盐、强酸、强碱特性的渗滤液接触时,传统的天然钠基膨润土或钠化钙基膨润土的防渗性能会大大劣化(渗透系数增大若干个数量级),导致防污屏障失效,无法对堆填场渗滤液的迁移形成有效阻隔,因此,需要对膨润土进行改性,提高其耐盐、抗酸/碱的能力。
图1 防污屏障示意图
Fig.1 Schematics of barriers
聚合物改性膨润土是一种常用的膨润土改性方法,它通过聚合物的分子链结构扩大蒙脱石的层间距(插层)并填塞膨润土颗粒间孔隙(堵孔),形成致密结构,从而实现在高盐、强酸碱环境下依然保持极低的渗透性。国外现有的聚合物改性膨润土技术主要有:膨润土-聚合物复合材料(BPC)[6]、多膨胀膨润土(MSB)[7]、超级黏土(HYPER Clay)[8-9]、高密预水化GCL(DPH-GCL)[10]等。上述改性技术中,最成熟且已成功商业化应用的是膨润土-聚合物复合材料(BPC)技术[11-13]。目前,国外的聚合物改性膨润土主要是针对优质天然钠基膨润土的改性,但我国已探明的膨润土储量中80%以上为钙基膨润土,其防渗性能与天然钠基膨润土存在明显差距。国内环保领域的商用膨润土多以钠化的钙基膨润土为主,其防渗性能较天然钙基膨润土有所提升,但与优质的天然钠基膨润土相比仍有较大差距。针对我国优质钠基膨润土匮乏的现状,如何对钠化钙基膨润土进行聚合物改性,研发出具有自主知识产权的聚合物改性膨润土配方及合成工艺具有重要意义。
本文的目的是研发具有抗高盐、耐强酸/碱能力的聚合物改性钠化钙基膨润土,将其用于GCL、竖向阻隔墙及覆盖系统等常用的防污屏障,研究在这3种防污屏障中聚合物改性膨润土基防渗材料在高盐、强酸、强碱等侵蚀性环境中的渗透系数,并结合微观试验(X射线衍射分析试验XRD、傅里叶变换红外光分析FTIR和扫描电镜试验SEM)揭示聚合物改性膨润土的防渗机理。
制备防渗材料所需的膨润土为钠化钙基膨润土,产自河北省石家庄市。表1为根据土工试验方法标准[14]和ASTM D5890[15]测定的膨润土的基本物理指标。钠化钙基膨润土的细粒(d<75 μm)含量为100%,液限(ωL)和塑限(ωP)分别为172.7%和34.4%,属于高液限黏土(CH).XRD试验确定其矿物成分中含84%～86%蒙脱石。
表1 试验用土的基本物理指标
Table 1 Basic physical parameters of the used soils
基本性质钠化钙基膨润土砂土天然含水率/%15.700颗粒比重GS2.552.67液限/%172.70-塑限/%34.40-塑性指数IP138.30-土的分类CHSP自由膨胀指数/(mL·2 g-1)12-
制备聚合物改性膨润土所需的3种单体为丙烯酸类单体,均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。引发剂过硫酸钾(AR级)、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(CP级)和氢氧化钠(AR级)购自国药集团化学试剂有限公司。
聚合物改性膨润土应用于竖向隔离墙和覆盖系统时一般会掺入工程所在地的本地土,由于本研究并不针对某个具体工程,因此选用细砂代替[16]。砂土取自石家庄市灵寿县,其基本物理指标如表1所示。砂土粒径集中于0.15～0.6 mm,平均粒径d50=0.3 mm,属于级配不良(SP)砂。
首先,按照聚合物总量占聚合物改性膨润土总质量的5%、10%、15%和28.5%及各单体间比例称取所需质量的各单体,然后,将单体溶于蒸馏水并倒入三口烧瓶,以70 r/min的转速搅拌均匀,在连续搅拌下加入钠化钙基膨润土以形成均匀的溶液;搅拌2 h后加入交联剂(N,N′-亚甲基双丙烯酰胺)和引发剂(过硫酸钾),同时加热升高温度直至聚合反应完成;随后将反应完成的混合物放入105 ℃的烘箱中烘干至少24 h以达到完全干燥状态,将烘干后的材料破碎研磨得到制备好的聚合物改性膨润土颗粒[17]。
土-膨润土竖向阻隔墙是常见的竖向防污屏障,在美国已有几十年的工程应用,近些年在我国也开始受到认可[18-21]。把土-膨润土竖向阻隔墙中的膨润土替换成聚合物改性膨润土可提高屏障的抗盐、耐酸碱能力,因此对具有高盐、强酸碱特性的固废场地具有更好的污染管控效果[22]。本文研究的土-膨润土基竖向阻隔墙回填料主要有以下两种类型:1) 土-钠化钙基膨润土回填料(CB);2) 土-聚合物改性膨润土回填料(PCB).在这两类回填料中,膨润土初始掺量(BCB)分别为5%、8%、10%,表2给出了两类回填料的具体配比和对应编号。
表2 土-膨润土竖向阻隔墙回填料配比及编号
Table 2 Constituents of soil-bentonite vertical cut-off walls
阻隔墙类型材料组成膨润土初始掺量BCB编号土-膨润土土-钠化钙基膨润土5%、8%、10%CBi回填料土-聚合物改性膨润土5%、8%、10%PCBi
注:CBi表示膨润土初始掺量为i%的土-钠化钙基膨润土回填料;PCBi表示膨润土初始掺量为i%的土-聚合物改性膨润土回填料。
回填料的制备过程如下:1 )制备满足施工和易性(包括密度、pH值、黏度、滤失量等,限于篇幅,此处不展开描述)的膨润土浆液,密封静置24 h进行老化。2) 将砂土与膨润土干料混合并搅拌均匀。3) 将老化后的膨润土浆液与混合好的土-膨润土干料充分拌合,不断调节其初始含水率,找到满足塌落度要求的控制含水率。
采用1.2节所述的制备方法,改变单体、交联剂及引发剂的配比,以膨胀指数和防渗性能作为筛选指标,确定了聚合物含量为15%的适用于覆盖系统防渗层的聚合物改性膨润土,然后将聚合物改性膨润土与细砂进行混合,制得适用于覆盖系统的具有耐干湿循环能力的聚合物改性膨润土基覆盖材料。参考[23-24],聚合物改性膨润土基覆盖材料中主要是细砂(≥80%),并辅以少量的聚合物改性膨润土。
本文的研究主要针对GCL、土-膨润土竖向阻隔墙和覆盖系统这3种防污屏障。针对GCL,本文所采用的渗透溶液包括:浓度600 mmol/L(=3.4%)的NaCl溶液、pH=3的HCl溶液和pH=12的NaOH溶液。针对土-膨润土竖向阻隔墙,采用的渗透溶液包括:自来水、钢渣渗滤液和50 mmol/L CaCl2溶液。针对覆盖系统,采用的渗透溶液包括:自来水和12.5 mmol/L CaCl2溶液。其中自来水为武汉市自来水管供给用水,钢渣渗滤液取自江西某钢渣堆填场,其余溶液均为实验室自配。各溶液基本化学性质见表3,钢渣渗滤液所含离子种类及浓度见表4.
表3 试验所用渗透溶液的基本性质
Table 3 Properties of the permeant liquids
渗透溶液pH值电导率EC/(μs·cm-1)离子强度I/(mmol·L-1)自来水8.27752.9600 mmol/L NaCl溶液7.470 000300.012.5 mmol/L CaCl26.23 44025.050 mmol/L CaCl26.49 740100.0HCl溶液2.7579-NaOH溶液11.8733-钢渣渗滤液12.03 91010.7
表4 钢渣滤液所含离子种类及浓度
Table 4 Ion species and concentrations in steel slag leachate
离子种类离子浓度/(mg·L-1)无机盐离子磷酸盐1.80硫酸盐19氯化物67硝酸盐1.10金属阳离子锌0.03钙185镁0.03钾36.40钠45.40铝0.15
对于GCL,根据GB/T 50123-2019[14]、ASTM D5084[25]、ASTM D6766[26]和SCALIA et al[27]描述的降水头测定法来测定试样的渗透系数。柔性壁渗透试验装置见图2.试样初始厚度(吸水膨胀前的厚度)约为10 mm,直径100 mm,为保证渗透溶液均匀流过试样,在试样上下两侧均放置土工布和透水石。试验的初始有效围压为20 kPa,平均水力梯度为130[12-13].
图2 柔性壁渗透试验装置
Fig.2 Flexible-wall permeability test setup
对于竖向阻隔墙的土-膨润土防渗材料和覆盖系统的防渗层材料,参考BOHNHOFF et al[22]描述的试验方法来测定渗透系数。试样直径为100 mm,高度为84 mm.为辅助试样自立,在装样之前先在乳胶膜外围放置一个带小孔的有机玻璃套筒[28]。试验同样采用降水头测定法,初始有效围压为20 kPa,平均水力梯度为15.
柔性壁渗透试验包括两个阶段:预水化(饱和)阶段和渗透阶段。其中,饱和阶段时,直接在滴定管中加入渗透溶液,仔细排出管道内残余的空气,然后逐渐提升滴定管内液面高度来对试样进行反压饱和,饱和时间为48 h.
参考NORRIS et al[29]的刚性壁渗透试验并进行了改进,测试装置(如图3所示)包含2个中空的丙烯酸圆柱体,大的圆柱体放在下方(内径为38.1 mm),小的圆柱体放在上方(外径为38.1 mm).称取一定量的防渗材料,均匀填入下方的大圆柱体内并进行压实,然后将小圆柱体放在大圆柱体上方,然后将砝码分次置于小圆柱体的顶部,对试样施加20 kPa的竖向应力。该试验同样包括预水化阶段和渗透阶段这两个阶段,预水化时间为48 h,直接用渗透溶液进行预水化,步骤同柔性壁渗透试验。
图3 刚性壁渗透试验装置
Fig.3 Rigid-wall permeability test setup
对充分干燥试样的XRD(即X射线衍射)分析采用X射线衍射仪(SmartLab SE,日本)对试样进行扫描,测试条件为Cu、Kα辐射,管电压为40 kV,管电流为30 mA,2θ扫描范围为2°～60°,扫描速度为2°/min.对充分干燥试样的FTIR分析采用傅里叶变换红外光谱仪(BRUKER Vertex 80,德国),测试条件为:记录波数400～4 000 cm-1,分辨率2 cm-1.对渗透试验结束后的试样进行真空冷冻干燥处理,然后进行SEM微观观测。采用扫描电子显微镜(TESCAN MIRA4,捷克)拍照。
GCL是两层土工布间夹封膨润土粉末或膨润土颗粒等低渗透性材料,通过针刺、黏结或缝合制成的一种复合材料如图1(a)所示,被广泛应用于填埋场的底部衬垫系统和顶部覆盖系统。按照GCL的构造及参考SCALIA[27]描述的步骤,本文分别将钠化钙基膨润土和聚合物改性膨润土按4.8 kg/m2的摊铺密度均匀铺撒在上下土工布之间(厚度为10 mm)作为试验用GCL(没有缝合或黏合),然后开展渗透试验。
3.1.1不同聚合物含量的改性膨润土在高盐溶液中的渗透特性
按1.2节所述步骤制备出不同聚合物含量的改性膨润土,选用600 mmol/L NaCl溶液作为渗透溶液进行柔性壁渗透试验,经较长测试时间后(>180 d)的柔性壁渗透系数(kr)如图4所示。未改性膨润土(即聚合物含量为0的钠化钙基膨润土)的kr高达2.76×10-7m/s,与SCALIA et al[6]的结果接近(他们测试了美国优质天然钠基膨润土对高盐溶液的渗透系数,发现对离子强度≥100 mM CaCl2溶液的kr也是在10-7m/s这个数量级)。对于图4中的聚合物改性膨润土,kr随着聚合物含量的增加显著降低,当聚合物含量>10%时kr<10-11m/s.对自主研发的聚合物改性膨润土进行了约3 a的长期渗透试验,并未发生防渗失效,始终保持极低的渗透系数(<10-11m/s),这表明聚合物改性膨润土具有显著且稳定的抗盐能力。聚合物改性膨润土能够在侵蚀性溶液中依然保持低渗透性是因为:1) 聚合物成功插入蒙脱石晶体层间(见4.1小节的分析),增加了改性膨润土在侵蚀性溶液中的膨胀性(按照ASTM D5890试验流程,分别测试了钠化钙基膨润土和聚合物改性膨润土在600 mM NaCl溶液中的自由膨胀指数,分别为6.5 mL/2 g和22 mL/2 g).2) 聚合物填充膨润土颗粒之间的孔隙(堵孔)(见4.3小节分析),使得溶液的渗流通道更狭小更曲折。
图4 不同聚合物含量的改性膨润土对高盐溶液(600 mmol/L NaCl)的渗透系数
Fig.4 Hydraulic conductivity of polymer-modified bentonite with various polymer loadings to 600 mM NaCl solution
考虑到柔性壁渗透试验装样比较复杂,且测试周期很长(一般都半年以上[12]),需要长期占用渗透仪器,因此,为节省试验时间本文参考了NORRIS et al[29]的刚性壁渗透试验,该方法装样更简单,且可在较短时间内(10 d左右)给出土样渗透系数的大概预估值。测试10 d后的刚性壁渗透系数(kg)如图4所示。由图可知,当聚合物含量一定时,kr比kg低一个数量级左右,即当第10 d的kg低于10-10m/s时,可初步判断长期kr有望低于10-11m/s,这为在较短时间内判断试样的渗透系数提供了一个参考。
3.1.2聚合物改性膨润土在强酸、强碱溶液中的渗透特性
通过刚性壁渗透试验测定了钠化钙基膨润土和聚合物含量为10%的改性膨润土分别在强酸溶液(pH=3的HCl溶液)和强碱溶液(pH=12的NaOH溶液)中的渗透系数,第30 d的测试结果如图5所示。
图5 聚合物改性膨润土对强酸、强碱溶液的渗透系数
Fig.5 Hydraulic conductivity of polymer-modified bentonite to highly acidic and highly alkaline solutions
聚合物改性膨润土对强酸和强碱溶液的kg均低于1×10-10m/s,而钠化钙基膨润土的kg要高出2个数量级,说明本文的聚合物改性方法大幅提高了钠化钙基膨润土在强酸、强碱溶液中的防渗性能。为验证刚性壁渗透系数的准确性,选用聚合物改性膨润土进行了2个柔性壁渗透试验,其200多d后的kr均低于10-11m/s(如图5所示),和kg也是相差约1个数量级,这再次验证了短期刚性壁渗透试验可较好地预判长期柔性壁渗透系数。
分别按照我国土工试验方法标准GB/T 50123-2019[14]、美国环境保护署(EPA)规范[45]和美国石油学会(API)规范[46],对不同膨润土掺量(BCS)下膨润土浆液的pH值、密度(ρS)、马氏漏斗黏度(μMF)、API滤失量(FL)进行了测定,根据这些指标确定出满足施工和易性要求时钠化钙基膨润土浆液和聚合物改性膨润土浆液中BCS分别为10.4%和7.0%,其施工和易性指标如表5所示。通过对不同含水率下迷你塌落度(SM)的测定[30-32],确定了土-钠化钙基膨润土回填料CB5、CB8、CB10所需的控制含水率分别为40.8%、44.7%、48.4%,土-聚合物改性膨润土回填料PCB5、PCB8、PCB10所需的控制含水率分别为37.4%、38.1%、38.9%.
表5 膨润土浆液的施工和易性指标
Table 5 Workability indexes of the bentonite slurries
膨润土类型pH值ρS/(g·cm-3)μMF/sFL/mL钠化钙基膨润土9.21.0723815.0聚合物改性膨润土7.91.0503810.5
各试样在不同渗透溶液中的柔性壁渗透系数如图6所示。由图可知,当渗透溶液为自来水时,所有试样均满足竖向阻隔墙回填料渗透系数低于10-9m/s的防渗要求;当渗透溶液为钢渣渗滤液时,只有CB5试样没达到防渗要求,其他试样满足;当渗透溶液为浓度50 mmol/L CaCl2时,常规的土-膨润土效果不好,3组CB试验均不满足防渗要求,而基于聚合物改性膨润土的PCB试样均能满足防渗要求,表现出更好的耐盐能力。各试样在不同渗透溶液中柔性壁渗透系数大小关系为,对自来水的渗透系数(kw)<对钢渣渗滤液的渗透系数(kS)<对50 mmol/L CaCl2的渗透系数(kCa).
图6 竖向阻隔墙回填料对不同渗透液的渗透系数
Fig.6 Hydraulic conductivity of polymer-enhanced soil-bentonite backfill to various permeant solutions
自来水、钢渣渗滤液和CaCl2溶液对应的离子强度分别为2.9 mmol/L、10.7 mmol/L和100 mmol/L.可以看出,回填料的渗透系数与渗透溶液的离子强度呈正相关,且离子强度增加得越多,回填料渗透系数增大得越快。kCa值最大是因为CaCl2溶液的离子强度分别是自来水和钢渣渗滤液离子强度的34.48和9.35倍。6组试样的kCa/kw比值均显著大于1,因为CaCl2溶液的离子强度较高,显著抑制了膨润土的膨胀,使得膨润土发生一定程度的收缩,从而造成回填料渗透系数上升。此外,在同样的膨润土掺量下,PCB试样的kCa/kw比值远小于CB试样,这是由于聚合物填充了膨润土颗粒间孔隙(堵孔),使得回填料的耐盐性能得到了提高。
覆盖系统防渗层的常用材料有多种选择,包括压实黏土(一般≥30 cm厚)[33]、GCL(5～10 mm厚)[33-34]、砂-膨润土混合物[23-22,35]。对于砂-膨润土混合物,掺入少量聚合物可以使渗透系数大幅降低,即使在较小厚度(几厘米)的情况下也具有很好的防渗效果。如,NAISMITH et al[23]报告了一种聚合物增强的砂-膨润土混合物防渗材料,在填埋场覆盖系统中服役数年后取出的土样的渗透系数仍低于3×10-11m/s,且没有观察到裂缝的出现,而GCL和压实黏土在服役数年后常常会由于干湿循环或离子交换而出现裂缝导致防渗性能劣化的问题[36-37]。
图7为基于聚合物改性膨润土的覆盖层防渗材料的柔性壁渗透系数(kr).本文研究了2种不同配方的覆盖层防渗材料:1) A配方为80%砂+19%钠化钙基膨润土+1%聚合物(A中的P表示聚合物polymer,1表示聚合物占防渗材料的质量比为1%).2) B配方为80%砂+17%钠化钙基膨润土+3%聚合物。A配方对自来水的kr为2×10-11m/s,B配方对浓度12.5 mmol/L CaCl2溶液的kr为1.31×10-11m/s.虽然浓度12.5 mmol/L CaCl2溶液的离子强度(=25 mmol/L)是自来水的8.6倍,但B配方kr依然更低,这主要是因为B比A的聚合物含量更高,堵住了更多的砂土及膨润土颗粒间孔隙。图7表明,基于聚合物改性膨润土的覆盖材料的渗透系数大幅低于相关规范[33,38-40]对覆盖系统防渗层渗透系数10-9m/s的要求(低了近2个数量级)。
图7 基于聚合物改性膨润土的覆盖层防渗材料对自来水和CaCl2溶液的柔性壁渗透系数
Fig.7 Hydraulic conductivity of polymer-enhanced sand-bentonite mixture to tap water and CaCl2solution
为更直观地反映本文防渗材料的防渗效果,表6给出了3种不同防渗材料(包括基于聚合物改性膨润土的覆盖材料、GCL、压实黏土)用于覆盖系统防渗层时的年均渗漏量(假设防渗层上方的水头为0.5 m,根据达西定律计算)。可以看出,在相同水头差的情况下,基于聚合物改性膨润土的覆盖材料(A配方)的年均渗漏量只有5 mm,而普通GCL(未聚合物改性)和压实黏土作防渗层时对应的年均渗漏量分别为16 mm和84 mm,是A覆盖材料的3.2倍和16.8倍。
表6 覆盖系统中3种不同防渗层的年均渗漏量比较
Table 6 Comparison of annual percolation rate of three different barrier layers of cover system
指标聚合物改性膨润土基覆盖材料(A配方)普通GCL压实黏土防渗层厚度/cm7a1b30b渗透系数/(m·s-1)2×10-111×10-111×10-9水力梯度c8.14512.67渗漏量/(mm·a-1)51684
注:a表示厚度取值参考[36-37];b表示厚度取值参考[34,44];c表示计算水力梯度时假设防渗层上方的水头为0.5 m.
图8为聚合物、钠化钙基膨润土、聚合物改性膨润土的XRD图谱。与膨润土改性前后的XRD图谱相比,纯聚合物衍射图谱中的峰是非晶态的,因此没有对聚合物改性膨润土出峰造成影响。钠化钙基膨润土与聚合物改性膨润土的衍射图谱基本匹配,都存在密集低矮的非晶体物相衍射峰群,主要矿物成分基本相同。钠化钙基膨润土的层间距d(001)特征衍射峰位出现在2θ=7.24°,聚合物改性钠化钙基膨润土所对应的2θ值为6.57°,即膨润土经聚合物改性后衍射角向左移动。根据布拉格方程2dsinθ=nλ,XRD峰向较低衍射角变宽和移动会导致d(001)的增加[41],即蒙脱石的层间距由1.220 nm经改性扩大到1.343 nm,表明聚合物成功插入蒙脱石层间。
图8 聚合物、钠化钙基膨润土及聚合物改性膨润土的XRD图
Fig.8 XRD patterns for polymer,bentonite,and polymer-modified bentonite
图9为聚合物、钠化钙基膨润土及聚合物改性膨润土的傅里叶红外光谱图。聚合物改性膨润土仍存在石英特征吸收双峰(797 cm-1和778 cm-1)以及由Si—O—Al与Al—O的耦合振动引起的吸收峰(518 cm-1和467 cm-1),说明聚合物对膨润土的改性并没有使其晶体结构发生改变。但与钠化钙基膨润土相比,聚合物改性膨润土分别在2 944 cm-1、1 563 cm-1和1 455 cm-1处产生了新峰,这些依次为甲基(—CH3)不对称振动引起的特征峰、羧酸根(COO—)振动和C—H不对称拉伸振动引起的特征峰、以及亚甲基(—(CH2)n—)平面摇摆振动引起的特征峰[42]。其中,—(CH2)n—的存在表明材料制备过程中所添加的单体成功在膨润土浆液中发生聚合反应。这些官能团由单体提供,且各官能团形成的链段也存在于纯聚合物的光谱中,说明聚合物改性膨润土中的聚合物组分符合预期。
图9 聚合物、钠化钙基膨润土及聚合物改性膨润土的傅里叶红外光谱图
Fig.9 FTIR spectra for polymer,bentonite,and polymer-modified bentonite
图10为钠化钙基膨润土和聚合物改性膨润土经600 mmol/L NaCl溶液渗透后的SEM图像。可以看出,2种膨润土均呈片状且成层分布[43],其中钠化钙基膨润土颗粒界限清晰,且粒间存在明显孔隙如图10(a)所示;而聚合物改性膨润土颗粒表面呈絮状,聚合物覆盖在片状结构表面或填充在膨润土粒间如图10(b)所示[44],使得水流通道更加狭窄更加曲折,因此渗透系数更低。
图10 试样经600 mmol/L NaCl高盐溶液渗透后的SEM图
Fig.10 SEM images of specimens after permeated with 600 mmol/L NaCl solution
根据上述研究,本文得到以下结论:
1) 常规的钠化钙基膨润土在高盐、强酸、强碱等侵蚀性溶液中防渗性能大幅劣化,而聚合物改性膨润土表现出良好的抗高盐、耐强酸/碱能力,对高盐(浓度3.4%的NaCl)、强酸(pH值=3的HCl)、强碱(pH=12的NaOH)溶液可依然保持极低的渗透系数(<10-11m/s).
2) 当把聚合物改性膨润土应用于竖向阻隔墙时,土-聚合物改性膨润土回填料比土-钠化钙基膨润土回填料表现出更好的化学相容性。无论对自来水、钢渣渗滤液(pH=12)还是浓度50 mmol/L的CaCl2溶液,在相同膨润土掺量情况下,土-聚合物改性膨润土回填料的渗透系数(<10-9m/s)比土-钠化钙基膨润土回填料都要更低。
3) 当把聚合物改性膨润土应用于覆盖系统防渗层时,所形成的覆盖材料具有极低的渗透性,对自来水的柔性壁渗透系数<2×10-11m/s.在相同水头差的情况下,基于聚合物改性膨润土的覆盖材料的年均渗漏量只有普通GCL(未聚合物改性)和压实黏土作防渗层时渗漏量的1/3.2和1/16.8.
4) 聚合物改性膨润土的防渗机理是:所添加的单体在蒙脱石晶体片层之间发生聚合反应,所形成的聚合物扩大了蒙脱石片层间距,提高了改性膨润土的膨胀性和蒙脱石结晶结构的稳定性;聚合物填塞膨润土颗粒间的孔隙,孔隙体积减小,所形成致密结构的渗流通道更小更曲折。
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