关于膨润土防水毯的化学相容性试验及抗污抗盐型膨润土的研究进展

前言

膨润土由于具有良好的膨胀性、分散性及吸附性, 作为防渗隔离层广泛被用于堤坝及开挖工程, 以防止含盐水侵蚀矿层、控制地下水污染。钠基膨润土晶体平均尺寸更小、分散性好, 膨胀力很强, 吸水率在4-6之间, 加之层间双层水化壳, 持水能力强, 水化饱和后形成一层致密的凝胶体, 阻碍孔隙水流动。因此, 钠基膨润土的渗透性远低于钙基膨润土, 起到防水防渗的效果。

膨润土防水毯 (geosynthetic clay liner, 简称GCL) 是以钠基膨润土为主要成分的新型防水卷材, 其在国内的应用不过十年时间, 原料以人工钠基膨润土为主, 近年来也出现了天然钠基膨润土防渗衬垫, 而业界对GCL的反响也从热衷回归到理性看待。继JC/T 193-2006《钠基膨润土防水毯》之后, 2012年开始实施的JC/T 2054-2011《天然钠基膨润土防渗衬垫》删除了关于耐久性的规定。以此看出业界观点:天然钠基膨润土防渗衬垫更适合长期地下防渗工程, 而对人工钠基膨润土防渗衬垫的长期表现仍存有很多质疑。

伴随着膨润土防水毯的推广, 在工程中暴露出一些缺陷。尤其是在盐、碱等污染环境中, 表现为渗透系数增加1-3个数量级, 自愈能力变差, 防渗性能下降。这主要是由高价盐离子与膨润土层间的钠离子交换造成的。因此, 评价膨润土防水毯在复杂的地下环境中的渗透表现并研制抗污抗盐型防水毯显得尤为重要。本文综述了膨润土防水毯化学相容性研究、抗污抗盐型防水毯及其在污染环境中适用性评估等的研究进展。

一、离子交换

影响膨润土渗透系数的因素有渗透液的浓度、化合价及膨润土的微观结构。尤其当渗透液成分复杂, 存在高浓度电解质时, 离子交换作用能使钠基膨润土转化为钙基膨润土, 层间失水6-12%, 片层团聚, 渗透系数增大, 防渗效果大打折扣。

天然钠基膨润土稳定性高, 在完全离子交换后, 仍能保留良好的分散性。而人工钠基膨润土 (活化钙土) 因存在过量的碱, 活性较高, 钠离子容易被高价阳离子置换出。

研究表明3%的Ca2+能完全置换钠基膨润土层间的钠离子, 在湿度较大环境中, 1-2年后在离子交换作用下人工钠土完全转化为钙基膨润土。钙基膨润土层间只有一层水化壳, 片层间剥离较差, 层间含水量小, 相应的渗透系数较大, 且愈合能力差。Lin证实, 以海水为渗透液, 有效压力17.5k N/m2, 钙基膨润土防水毯经五次干湿循环后, 无法通过膨胀完全愈合裂隙。

二、化学相容性

试验方法及化学平衡终点标准

化学相容性试验主要是研究在电解质作用下, 膨润土防水毯达到化学平衡后渗透系数变化来评价是否适用与受污染环境。

D6766-12《GCL与可能不相容溶液渗透后渗透系数测试》提供了进行GCL室内化学相容性渗透试验的标准方法, 该法将GCL与模拟化学测试液的渗透液分两种情况, 一种是先用去离子水对GCL预水合, 饱和后再用测试液渗透;一种是直接用测试液水合、渗透。水化饱和要求进出水达到化学平衡, 包括:对连续测试的进出水流量比、流量变化率的波动范围在0.75-1.25之间;连续测试的渗透系数无明显增减趋势;经GCL样品总流量至少2倍孔容 (PVF) ;进出水电导率比变化1.0+0.1等多项要求。

值得关注的是, 化学相容性实验长达数年, 耗时较长。仅GCL样品水化饱和要达到流经GCL样品的总流量至少2倍孔容 (PVF) 的要求, 需要1个月以上, 达到出进水电导比1.0+0.1需要更长时间。

Jo[1]在D6766基础上提出渗透试验达到化学平衡的终点标准:满足D6766同时, 要求进出水电导率比变化1.0+0.5, 进出水浓度比变化1.0+0.5, 出水检测不出Na+。达到这一平衡标准耗时较长, 不现实。他又提出满足D6766同时进出水电导率变化1.0+0.5, 此时测得的渗透系数约是化学平衡时渗透系数KL的1/3。而达到这一标准也需耗时0.3-1.3年。

化学相容性试验

关于渗透液中电解质浓度和化合价对GCL渗透系数的影响结论不一。如Lin认为电解质浓度影响很小, 天然钠基膨润土防水毯在0.0125M的Ca Cl2溶液作用下渗透系数变化, 发现单位面积质量4kg/m2的GCL D4000渗透系数增大6.4倍;单位面积8kg/m2的GCL D8000渗透系数增加大3.1倍。

Shackelforda通过两种GCL样品分别在低离子度地下水、尾矿工艺水和含有锌、铜离子的模拟尾矿渗透液作用下的渗透表现, 发现低离子度地下水入渗时GCL渗透系数较低, 为1-3*10-9cm/s, 而用工艺水和模拟尾矿水作渗透液, GCL的渗透系数平均值增大200-7600倍。

Bensona发现经处理后的GCL与超碱性溶液 (1M的Na OH和Cs Cl的混合液) 渗透接触时的渗透系数先增大后稍降, 增大幅度小于50倍。主要是Na OH破坏了膨润土结构, 同时置换表面的Ca2﹢, Mg2﹢离子增加了粘土的碱性。

可以确定的是渗透液中的阳离子与膨润土层间的钠离子发生离子交换, 使膨润土层间结构水和表面的结合水减少, 膨胀性能降低, 渗透系数增大。

三、膨润土原料与GCL化学相容性

由于化学相容性试验漫长, 很难直接指导应用实践, 研究评价膨润土原料对渗透液的化学相容性的快捷方法十分必要。D6141-09《GCL中粘土原料对渗透液的化学相容性筛查》提供了一种快速筛查法:密闭容器中粘土和渗透液混合泥浆调和24小时后过滤, 测定滤失量和膨胀容。如果膨润土处理前后差别较大, 说明化学相容性较差, 需要更多水力特性测试。

Lee将膨润土的液限、沉积容和膨胀指数三个指标与渗透系数联系起来, 当指标超出某临界值则渗透系数急剧增加, 渗透性变差, 即将三个指标的临界值作为判断化学相容性的参考。还有一些研究将渗透系数与膨胀容等指标结合起来, 但有边界条件限制。

四、抗污抗盐型GCL

抗污抗盐型膨润土

抗污抗盐型膨润土主要是用高分子聚合物处理膨润土, 提高其化学相容性及在污染环境中的抗渗性。Di Emido报道了致密水合膨润土——将膨润土用羧甲基纤维素钠和甲醇预水合, 然后压实, 证实有较好的化学抵抗性。Takeshi报道了一种超级膨胀土MSB, 是将质量分数25%的聚合物加入膨润土中以增强在电解质溶液中的膨胀容。Andry等用离子型聚合物处理活化钙基膨润土, 自由膨胀和吸水性测试表明:膨润土与聚合物的混合物同时存在吸附、膨胀和渗透。不同类型聚合物作用不同:阴离子型聚合物能降低膨润土的渗透系数, 阳离子型聚合物能增强膨润土的膨胀性。两种类型聚合物共同作用于膨润土, 提高其保水性, 保持其低渗性。Gretchen证实由CETCO公司生产的一种膨润土聚合物纳米复合材料BPN对不同浓度的Ca Cl2溶液有较好的抵抗阳离子交换的能力。BPN制备:先将丙烯酸单体、碱、引发剂与一定固含量的膨润土混合, 在一定温度下引发聚合物链反应, 形成一种聚合物与膨润土交联结构。这种交联结构阻塞了膨润土有效孔隙或吸附了溶液中的Ca2+, 从而降低了膨润土在钙盐溶液中渗透系数, 达到抗盐的目的。

抗污抗盐型膨润土的化学相容性评估

如何反映阳离子交换对膨润土膨胀性、渗透性的影响。国外学者认为:溶质在膨润土中迁移存在膜效应, 即膜效应促进了溶质从低浓度到高浓度迁移的逆流超滤行为。而高价阳离子入侵, 使膨润土水化片层崩塌, 渗透膨胀性降低, 丧失膜效应。Gretchen用膜效率系数ω来衡量膨润土聚合物纳米复合材料BPN的抗盐性。膜效率系数ω为化学渗透压△P与理想半透膜化学渗透压△π的比值。△P为膨润土在不同浓度电解质作用下稳态时顶端和低端的化学渗透压差。膜效率系数ω介于0-1之间, ω越大说明抗盐性越好。实验表明, BPN在5m MCa Cl2溶液渗透下膜效率系数ω在硬壁渗透腔和柔壁渗透测试下分别为0.95, 0.39, 而天然钠土在1m MCa Cl2溶液渗透下的膜效率系数为0.29。对膨润土抗盐性的改善主要取决于膨润土交联结构中聚合物的类型、污染源的化学性质及工程特点。

Takeshi进行了超级膨润土MSB和致密水合防渗衬垫DPH-GCL在电解质作用下长期渗透实验。发现MSB在长达7年的渗透实验中渗透系数变化小于1个数量级;DPH-GCL在渗透液CaCl2浓度小于1M时, 渗透系数约1*10-12m/s。而这两种改性膨润土是否适用于实际污染环境, 除了渗透实验外还应考虑污染物的扩散与吸附、机械特性和热力学特性。

结语

评价离子交换对膨润土防水毯的渗透性影响, 渗透试验尤其化学相容性试验虽耗时较长, 但必不可少。针对具体工程, 还要研究污染物在膨润土中的迁移扩散、吸附规律以及机械性能、热力学性能等。

摘要：本文就与离子交换对膨润土防水毯渗透性的影响的相关化学相容性研究、抗污抗盐型膨润土防水毯的研究及其在污染环境中适用性评估等方面的进展进行了综述。

关键词：膨润土,防水毯,化学相容性,抗污抗盐型

参考文献

[1] Ho Young Jo, Craig H.Benson, Charles D.Shackelford, JaeMyung Lee, Tuncer B.Edil, M.ASCE.Long-Term hydraulic conductivity of a geosynthetic clay liner permeated with inorganic salt solutions[J].Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering.2005:405-417.