无机盐溶液作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料化学相容性试验研究

土-膨润土竖向隔离屏障广泛应用于城市工业污染场地。化学溶液作用下屏障材料的化学相容性,即渗透系数及其变化程度,是评价防污性能的关键因素。通过柔性壁渗透试验研究重金属铅-锌复合、六价铬作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数的变化规律。由于无机盐溶液中铅、锌、钙对膨润土双电层的压缩,铅-锌复合、钙溶液作用下屏障材料试样渗透系数随金属浓度升高而增大。铅-锌复合作用下,金属浓度增至500mmol/L时试样渗透系数增幅达11倍,且无法满足防渗要求。相反,由于铬以阴离子络合形式存在,其对试样渗透系数影响相对小;与未污染状态测定结果相比,渗透系数增幅≤2倍。在膨润土孔隙比基础上,考虑无机盐溶液对膨润土膨胀特性的影响,建立无机盐溶液作用前后砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数统一预测方法。     

基于改进滤失试验的重金属污染膨润土渗透特性试验研究

通过改进滤失试验研究典型钠化改性钙基和天然钠基膨润土在重金属铅-镉以及铬作用下渗透系数的变化规律。研究发现,膨润土试样渗透系数在重金属铅-镉浓度小于6mmol/L时增幅较小,为2~3倍;当浓度超过10mmol/L时呈急剧增大的趋势。铬酸钾溶液作用下,钠化改性钙基膨润土的渗透系数低于未污染试样;天然钠基膨润土的渗透系数则增大2~8倍。两者差异归因于土-液相互作用下铬在不同pH-Eh环境中化学形态的不同。研究中钠化改性钙基膨润土浆液中铬以阴离子络合的六价铬形态存在,使得膨润土颗粒表面负电荷密度趋于增加,因而保持和促进膨润土的分散状态。天然钠基膨润土浆液中铬则出现以阳离子形态存在的三价铬,显著挤压膨润土颗粒双电层,导致膨润土颗粒团聚。综合国内外研究总结无机盐溶液作用下膨润土化学相容性随污染程度变化规律,发现渗透系数比与离子强度关系存在一临界值,当离子强度达到该临界值则渗透系数将呈数量级增大。     

重金属作用下改性水泥系隔离墙化学相容性研究

水泥系隔离墙被广泛应用于工业污染场地修复工程,但其防渗性能有待改善,且在高浓度、毒理性重金属污染作用下的化学相容性有待研究。通过室内试验研究了不同粒化高炉矿渣（GGBS）掺量、膨润土掺量和固化剂总掺量对水泥系隔离墙的强度和渗透特性的影响;综合考虑成墙效果和成本,选出固化剂掺量为20%（水泥、粒化高炉矿渣和膨润土掺量分别为8%、8%和4%）作为改性水泥系竖向隔离墙的最优配比。通过柔性壁渗透试验研究了重金属锌、铅污染作用下改性水泥系隔离墙试样的化学相容性。结果表明,重金属溶液作用下试样防渗性能的下降由重金属种类、重金属浓度以及试样孔隙液pH值三者共同决定。重金属种类对防渗性能的不利影响为：硝酸锌-硝酸铅>硝酸锌>硝酸铅。锌、铅溶液作用下试样的渗透系数为自来水作用下渗透系数的1.49～10.10倍,且重金属溶液的浓度越高渗透系数越大。在满足防渗要求前提下,该配比墙体材料能阻挡50 mmol/L的硝酸锌污染液、100 mmol/L的硝酸铅污染液和10 mmol/L硝酸锌-硝酸铅污染液。     

添加沸石对黏性土-膨润土竖向隔离墙材料压缩和渗透特性的影响

土-膨润土系竖向隔离墙广泛应用于工业污染场地和地下水修复工程。通过坍落度和一维压缩固结试验研究添加沸石对黏性土-膨润土竖向隔离墙材料的工作性,以及压缩和渗透特性。黏性土选用高岭土,沸石-高岭土-膨润土试样中沸石掺量为2%～40%。试验结果与以往沸石-砂-膨润土竖向隔离墙材料以及击实沸石-膨润土混合土研究结果进行对比,明确沸石掺量和粒径对压缩和渗透特性的作用规律。试验结果显示,满足隔离墙材料施工要求的含水率范围随沸石掺量增加而增大,并处于液限的0.96～1.18倍。添加细颗粒沸石对试样的压缩指数和渗透系数影响较小,渗透系数小于10-9 m/s。相反,添加粗颗粒沸石将导致微孔隙尺寸增大,并形成水能够通过的沸石网架结构,将显著增大渗透系数。试样渗透系数能够通过考虑孔隙比和液限的经验公式进行良好的预测。     

苯酚溶液作用下CMC改性膨润土化学相容性试验研究

膨润土的聚合物改性可有效提升竖向阻隔屏障化学相容性。有机污染物、聚合物种类对改性膨润土防渗性能研究鲜有报道。通过膨胀指数、改进滤失试验,研究苯酚溶液作用下羧甲基纤维素钠(CMC)改性膨润土的膨胀和渗透性能,结合傅里叶红外光谱分析,评价CMC分子链的特征基团对提升化学相容性的作用机理。相同苯酚浓度条件下CMC改性膨润土的膨胀指数(SI)较母土测定结果高1.5~2.5倍。同一孔隙比范围内,改性作用使膨润土渗透系数(k)降低一个数量级。CMCⅢ改性膨润土防渗性能相对最优。研究范围内,聚合物分子量和取代度未显示对SI和k的影响规律。CMC改性提升化学相容性的主因有:(1)聚合物水凝胶对膨润土颗粒间的大孔隙具有堵塞作用;(2)特征基团(羧酸根、羧基)与苯酚的酯化反应等相互作用,以及苯酚与水凝胶中水分子的氢键作用阻碍苯酚迁移,从而减轻其对压缩蒙脱石黏土矿物双电层的不利影响。     

复合竖向阻隔屏障技术介绍与对比

为满足环保领域高防渗要求,复合竖向阻隔屏障技术得到了广泛应用。复合竖向阻隔技术是通过引入高性能防渗土工合成材料,与墙体回填材料,如土–膨润土、水泥–膨润土、土–水泥–膨润土等,组成复合防渗结构,以解决单层结构竖向阻隔屏障防渗等级不能满足环保要求的问题。HDPE土工膜竖向阻隔屏障和GCL竖向阻隔屏障是当前复合竖向阻隔屏障技术中的代表性技术,介绍两种复合竖向阻隔屏障技术的基本情况、土工材料连接和技术应用,为技术的选用提供参考。     

盐溶液对石英粉-膨润土混合土渗透系数的影响与表征

采用变水头渗透试验对蒸馏水与不同浓度的NaCl、CaCl₂溶液下石英粉-膨润土混合土的渗透系数进行了测定,为探讨盐溶液及膨润土含量对混合物渗透系数的影响作用机理,使用核磁共振试验(MRI)、环境扫描电镜(ESEM)对混合物在不同盐度溶液下的孔隙分布特征进行分析。结果表明：在盐溶液作用下,石英粉-膨润土混合土的渗透系数明显增加,其孔隙分布也具有明显的差异。推断盐溶液对渗透系数的影响是由于混合土的孔隙变化引起的。最后利用黏粒孔隙比(e_b)的概念,建立了一种考虑盐溶液作用下石英粉-膨润土混合土渗透系数的表征公式,与已有预测公式相比,新建表征公式能够较好地预测盐溶液作用下石英粉-膨润土混合土的渗透系数。     

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

膨润土因具有渗透性低、阳离子交换能力高等优点被认为是最适合高放废物深地质处置库中屏障系统的缓冲材料,工程实践发现随着水化过程的进行,纯高压实膨润土强度不断降低,并最终影响到工程屏障系统功能的发挥。针对这一问题,在膨润土中加入一定比例的石英砂,可以有效地提高工程屏障的热传导特性、压实性、力学强度和长期稳定性,降低工程造价。本文研究了影响砂-膨润土混合物渗透性的主要因素,包括膨润土含量、粒径分布、含水量和干密度、压实方法以及膨润土类型等。结果表明,砂土混合物渗透性主要受膨润土的渗透性控制,渗透系数随着膨润土含量和干密度的增加而减小,当膨润土含量超过某一界限值后,继续增加膨润土含量对降低渗透系数的作用有限;细颗粒和级配良好的混合物渗透系数小,当土体内部发生渗透侵蚀将增大渗透系数;最优含水量条件下压实得到的渗透系数最低,高于最优含水量压实得到的渗透系数比低于最优含水量压实得到的渗透系数要小。     

碱性溶液饱和高庙子钙基膨润土膨胀特性及预测

建设高放废物地质处置库需要大量混凝土,而放射性核素衰变释放的大量热量会加速水泥老化,产生的碱性孔隙水会对膨润土的缓冲性能产生不利影响。以高庙子(GMZ)钙基膨润土为试验材料,选用NaOH溶液模拟碱性孔隙水,利用自主研制的耐腐蚀固结仪,完成不同浓度和不同干密度下的膨胀力实验。结果表明,在相同浓度碱性溶液饱和后试样的最终膨胀力随初始干密度的增大而增大;初始干密度相同时,低浓度碱性溶液对膨润土膨胀力有强化作用,高浓度碱性溶液对膨润土膨胀力有弱化作用;在0.3、0.5、1.0 mol/L NaOH溶液环境下试样的膨胀力在达到最大值后会出现下降,膨胀力衰减的程度与溶液浓度有关而与干密度无关。通过X射线衍射试验(XRD)分析矿物成分和晶层间距得到,蒙脱石含量和方英石含量随碱溶液浓度升高而降低,长石含量随着碱溶液浓度升高而上升;NaOH溶液会使钙基膨润土钠化,钠化程度受溶液浓度影响。最后利用蒙脱石孔隙比的概念,对试样的蒙脱石孔隙比和最终膨胀力结果在双对数坐标系中线性拟合,给出预测碱性溶液饱和钙基膨润土膨胀力的表达式。     

有机污染物在含土工膜复合隔离墙和含水层系统的运移半解析模型

为评估土工膜与土-膨润土组成的复合隔离墙对有机污染物的防污性能,建立了污染物在源区域发生降解扩散时透过复合隔离墙的一维瞬态扩散模型。通过拉普拉斯变换和Talbot数值反演获得了模型解。第3类入流边界条件下,考虑源区的扩散和降解时,第1类隔离墙(土工膜/土-膨润土)和第2类隔离墙(土-膨润土/土工膜/土-膨润土)100 a的击穿浓度分别较源浓度恒定时减少了59%和53%。由于假设土工膜渗透系数高于10^–12 m/s,污染物在复合隔离墙中的对流作用不能忽略,因此,采用第2类复合隔离墙使土-膨润土能更好地发挥主导隔离作用。将土工膜的渗透系数从10^–10 m/s减少到10^–16 m/s,第1类复合隔离墙的击穿时间从26 a增加到188 a,第2类复合隔离墙的击穿时间从32 a增加到81 a。利用抽水井调整墙体内外为负水头差及提高源区的污染物降解能力,可使隔离墙的防污性能得到较大提升。     

大气条件下高庙子钠基膨润土化学缓冲特性研究

深地质处置目前被国际上公认为是处置高放废物的最有效可行的方法。我国采用多重工程屏障系统和适宜的地质体共同作用来确保与生物圈的安全隔离。缓冲材料是高放废物重要的工程屏障材料之一,我国选用高庙子钠基膨润土作为缓冲材料的基础材料。膨润土作为缓冲材料的一个重要性能表现为缓冲孔隙水的化学变化。介绍了GMZ-1钠基膨润土大气条件下与蒸馏水的反应试验,并对试验结果进行了讨论。批式试验反应溶液中钠离子来源于钠基膨润土层间阳离子和矿物溶解,镁离子来源于钠基膨润土层间阳离子,钾离子和钙离子来源于矿物溶解,相关研究认识对于高放废物处置库近场核素迁移研究和评价工程屏障的长期稳定性具有重要意义。     

CaCl2溶液对不同黏土基防渗墙渗透性的影响

在垃圾填埋场和场地污染防治工程中,黏土基防渗墙作为原位屏障,已广泛应用于隔离污染物与控制污染地下水的迁移。由黏土与地层混合形成的防渗墙与CaCl2溶液相互作用后,其渗透性会发生怎样的变化。针对这一问题,使用福建标准砂模拟砂性地层,以4种黏土作为混合材料,通过混合、浇筑和固结以后,对其渗透系数和水分特征曲线进行了实测。结果表明,在10%黏土添加量下,当4种砂-黏土混合土经0.2 mol/L CaCl2溶液渗透稳定后,其渗透系数相比渗透液为自来水时都有不同程度的增大,但渗透系数增大的倍数没有超过10。此外,CaCl2溶液在4种砂-黏土混合土中渗透稳定后试样的孔隙率没有发生较大变化,只是小幅地减小了。试验结果分析认为,钙离子与黏土矿物颗粒表面的单价阳离子发生了置换反应,使扩散双电层厚度减小,结合水含量降低,因而有效孔隙率增加,可能是宏观上造成渗透系数变大的主要原因。     

中国高放废物地质处置缓冲材料大型试验台架和热-水-力-化学耦合性能研究

缓冲材料作为高放废物深地质处置库中一道重要的人工屏障,与高放废物容器和处置库围岩直接接触,在高放废物衰变热、辐射作用和地下水等影响下产生复杂的热-水-力-化学耦合作用,为了验证缓冲材料是否能长期有效地发挥其屏障材料的作用,核工业北京地质研究院利用高庙子钠基膨润土组装并运行了模拟中国高放废物地质处置室 尺寸的大型缓冲材料膨润土试验台架（China-Mock-Up）。建立了缓冲材料试验台架的安装和试验方法,依据实测数据和理论分析,揭示了热-水-力-化学耦合作用条件下膨润土中的相对湿度是在加热器的热效应和外部供水的湿效应共同作用下发生变化的,压实膨润土中应力的变化主要是由于膨润土遇水膨胀和加热器的热效应引起的,试验验证了模拟高放废物地质处置室内加热器（废物罐）运行初期的位移过程,为缓冲材料和高放废物地质处置库的设计提供了重要的工程参数和理论依据。     

化学作用下高庙子膨润土屏障性能演化行为

深地质处置库运营过程中,受地下水化学成分、可能泄露的核素等近场化学条件影响,膨润土工程屏障性能可能发生衰减。围绕化学作用下膨润土屏障性能的演化行为,以我国北山处置库预选场地为工程背景,以内蒙古高庙子膨润土为研究对象,首先介绍了高庙子膨润土的基本物理性质及北山预选场地近场化学条件;在此基础上,详细总结了化学作用下高庙子膨润土水力、力学及阻滞等屏障性能演化行为相关研究成果。结果表明:化学作用对膨润土持水、渗透特性的影响可分别依据渗透吸力及双电层理论解释;化学作用下膨润土膨胀力的衰减与其水化膨胀机制有关,化-力耦合及化-水-力耦合作用下膨润土变形特性因渗透固结、化学软化效应而发生改变;膨润土的吸附与扩散特性受核素浓度、离子环境、pH值等因素影响。最后,提出化学作用下膨润土屏障性能演化研究应重点关注的方向。     

Eu(Ⅲ)溶液对膨润土-砂混合物渗透性能影响研究

在高放废物处置库长期运营过程中包封容器将发生破坏,核素会向外界迁移,缓冲回填材料的水力传导系数是评价处置库工程屏障性能的重要指标。采用柔性壁渗透仪,研究2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液作为渗入液时膨润土-砂混合物的渗透特性。结果表明,膨润土-砂混合物的水力传导系数K=(2.07⁵.23)×10-10 cm/s;在05.23)×10-10 cm/s;在0⁵0%掺砂率范围内,膨润土-砂混合物吸水膨胀过程中渗透性能随掺砂率增大时没有明显的变化,能够满足高放废物处置库缓冲回填材料低渗透性的要求。使用有效黏土密度的概念,得到膨润土-砂混合物的体积膨胀率随初始有效黏土密度的增大呈指数增大的趋势;混合物水力传导系数的对数值与有效黏土密度存在良好的线性衰减关系;与蒸馏水相比,渗入液(ECDD)为2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液时,膨润土-砂混合物的水力传导系数较小,可能是由于渗入液黏滞性的影响。     

溶液和温度作用下膨润土防水毯的渗透性能

以颗粒状和粉末状膨润土防水毯(GCLs)为对象,运用GDS (global digital systems)全自动渗透仪开展渗透试验,研究CaCl_2溶液作用下GCLs渗透性能的温度效应,初步探讨其机理。试验表明:当水化液为0.05mol/L的CaCl_2溶液时,两种GCLs渗透系数随温度升高呈现增大趋势;当水化液为去离子水时,颗粒状GCL渗透系数随温度升高而减小,粉末状GCL渗透系数随温度升高而增大。去离子水情况下,膨润土吸附结合水量随温度升高而减小;CaCl_2溶液作用下,吸附结合水量较去离子水情况大幅降低。当CaCl_2溶液浓度一定时,膨润土膨胀指数随温度升高而略有增大;当温度一定时,膨润土膨胀指数随CaCl_2溶液浓度升高而显著减小。以去离子水进行试验时:颗粒状和粉末状GCLs渗透系数随温度的变化主要影响因素为凝胶态蒙脱石数量,其次为流体黏滞系数和吸附结合水量;颗粒状GCLs膨润土孔隙结构越不均匀,凝胶态蒙脱石数量的影响就越显著,导致渗透系数随温度升高而减小、固有渗透率随温度升高显著降低。以CaCl_2溶液进行试验时,两种GCLs渗透系数随温度变化的主要受流体黏滞系数和吸附结合水量的影响,而受凝胶态蒙脱石数量的影响较小。孔隙溶液性质、温度和膨润土类型均对GCLs的防渗性能具有重要影响。     

污泥屏障渗透性及重金属阻截效果试验研究

目前,废弃物处置场渗滤液中的重金属污染物只能依靠极低渗透性的水力屏障来控制,还不存在利用化学场专门拦截重金属污染物的反应型屏障。在有机结合生活污泥的低渗透性与丰富的有机质和厌氧微生物特性的基础上,提出“污泥屏障”的构想。研究利用柔性壁渗透仪测量不同有效应力作用下生活污泥试样的渗透系数,并对渗出液的化学性质进行了监测,验证污泥屏障的可行性。试验结果表明：随着有效应力的增大,污泥试样干密度提高,渗透系数的对数值随孔隙比的减小线性降低。试样内部微生物厌氧呼吸形成的生物膜和无机物沉淀以及黏土颗粒双电层厚度的增大,也是污泥渗透系数降低的原因,污泥渗透系数仅为 数量级。另外,污泥强烈吸附能力及厌氧微生物呼吸作用形成的中-弱碱性还原环境,对渗透液中的Zn和Cd都起到了很好的拦截作用。     

温控高压实GMZ01膨润土-砂混合物土水特性

纯膨润土中掺入一定比例的石英砂,可以有效地提高工程屏障的热传导特性、力学强度和长期稳定性,并可降低屏障系统的工程造价; 但同时也会改变混合物的土水特征。本文采用水汽平衡法和渗析法吸力控制技术,开展了不同温度(20℃、40℃和60℃)、恒体积条件下,高压实GMZ01膨润土-石英砂混合物(7:3)试样的持水特性试验。结果表明,体积与吸力恒定时,高压实高庙子膨润土-砂混合物的含水量随温度升高而减少,但温度影响幅度取决于吸力水平; 低吸力范围内,混合物的饱和度大于1,其原因可能是由于混合物中结合水密度大所引起的; 基于Frendlund常温方程的万敏模型,能够拟合考虑温度影响的GMZ01膨润土-砂混合物土水特征曲线。     

锌浸出渣富氧侧吹熔炼-烟化工艺综合回收试验研究

针对某湿法炼锌厂锌浸出渣采用粉煤富氧侧吹熔炼-烟化处理工艺存在有价金属走向分散、富集率低的问题,开展工业试验,考察温度、粉煤率、富氧浓度、钙硅比及反应时间对侧吹熔炼炉、烟化炉金属挥发率以及有价金属走向的影响。结果表明,在粉煤率21%、富氧浓度65%、炉温1 250℃、时间150 min的最佳条件下,侧吹熔炼炉的铅、银挥发率分别达到90.3%、86.5%,铅、银主要富集在侧吹熔炼炉烟尘中;在粉煤率13%、钙硅比0.6、吹炼时间120 min的最佳条件下,锌挥发率达到86.9%,锌主要富集在烟化炉烟尘中。     

极细颗粒黏土渗流的微电场效应分析

采用渗流固结法试验结合颗粒表面电位分析,研究极细颗粒黏土的渗流的微电场效应,在相同试验条件下完成了5种含不同百分比的人工高岭土与人工膨润土的试样的渗流特性测试。测试结果表明,微孔渗流的微电场效应对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着孔隙液离子浓度的升降或土颗粒表面电位的增减,试样的渗透系数会随之发生改变;在相同的孔隙液离子浓度下,随着膨润土相对含量的增加,试样的渗透系数随之降低。对科威特软土的渗流固结试验证实了人工土的微电场效应的产生机制与变化规律同样适用于天然软土。试验结果分析认为,在黏土-水-电解质系统的相互作用下,黏土矿物通过土颗粒表面的结合水影响试样的渗流特性,而土颗粒表面电荷的微电场作用是极细颗粒黏土渗流特性改变的内在原因之一。