聚合物改性膨润土在阻隔屏障中酸碱盐条件下的防渗效果.pdf

第5 4卷 第6期2 0 2 3年1 1月 太原理工大学学报J OUR NA L O F T A I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.6 N o v.2 0 2 3 引文格式:姜璐莎,李超越,卢光华,等.聚合物改性膨润土在阻隔屏障中酸碱盐条件下的防渗效果J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(6):9 5 9-9 6 8.J I AN G L u s h a,L I C h a o y u e,L U G u a n g h u a,e t a l.H y d r a u l i c p e r f o r m a n c e o f p o l y m e r-m o d i f i e d b e n t o n i t e i n c o n-t a i n m e n t b a r r i e r s u n d e r a g g r e s s i v e c o n d i t i o n sJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(6):9 5 9-9 6 8.收稿日期:2 0 2 3-0 7-0 2;修回日期:2 0 2 3-0 9-0 7 基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 1 9 Y F C 1 8 0 6 0 0 0);国家自然科学基金资助项目(5 2 0 7 8 2 3 5);湖北省自然科学基金联合基金资助项目 第一作者:姜璐莎(1 9 9 3-),博士研究生,(E-m a i l)j i a n g l u s a 1 6 3.c o m 通信作者:蒲诃夫(1 9 8 5-),博士,教授,主要从事固废堆填场地污染管控、废充泥(浆)处理与资源化利用、软土(淤泥)加固等方面的研究,(E-m a i l)p u h h u s t.e d u.c n聚合物改性膨润土在阻隔屏障中酸碱盐条件下的防渗效果姜璐莎1,李超越1,卢光华2,蒲诃夫1,3,董晓强3,代展鸿1,徐 俊4,侯国伦4(1.华中科技大学 土木与水利工程学院,武汉 4 3 0 0 7 4;2.中冶节能环保有限责任公司,北京 1 0 0 0 8 8;3.太原理工大学 土木工程学院,太原 0 3 0 0 2 4;4.湖北地矿建设工程承包集团有限公司,武汉 4 3 0 0 5 0)摘 要:【目的】聚合物改性膨润土可显著提高膨润土在高盐、强酸、强碱等侵蚀性环境下的防渗性能,实现更有效的污染管控。研究了基于聚合物改性膨润土的防渗材料在土工合成黏土衬垫G C L、竖向阻隔墙及覆盖系统等防污屏障中的渗透特性。【方法】采用自主研发的聚合物改性膨润土,按各类防污屏障的应用要求进行制样,通过渗透试验研究了防渗材料在酸、碱、盐等不同溶液中的渗透系数;并结合X R D、F T I R和S EM等微观测试方法对聚合物改性膨润土的层间结构、孔隙结构和微观形貌特征进行了表征分析。【结果】试验结果表明:未采用聚合物改性的膨润土在侵蚀性溶液中防渗性能大幅劣化(如,在3.4%的N a C l溶液中的渗透系数高达2.7 61 0-7 m/s),而聚合物改性膨润土在高盐、强酸、强碱溶液中可依然保持极低的渗透系数(如聚合物含量 1 0%时,在3.4%的N a C l溶液中的渗透系数 1 0-1 1 m/s,降低了4个数量级),表现出良好的抗高盐、耐强酸/碱能力。微观表征分析表明,添加的单体按预期成功在膨润土浆液中聚合,所形成的聚合物扩大了蒙脱石片层间距,增大了膨润土在侵蚀性溶液中的膨胀性,并填塞膨润土颗粒间的孔隙,形成具有狭小渗流通道的致密结构,从而有效提高了改性膨润土在侵蚀性环境下的防渗性能。关键词:聚合物;膨润土;渗透性;化学相容性;土工合成黏土衬垫;竖向阻隔墙;覆盖系统中图分类号:TU 4 4 3 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.t y u t.1 0 0 7-9 4 3 2.2 0 2 3.0 6.0 0 1 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 6-0 9 5 9-1 0H y d r a u l i c P e r f o r m a n c e o f P o l y m e r-M o d i f i e d B e n t o n i t e i n C o n t a i n m e n t B a r r i e r s u n d e r A g g r e s s i v e C o n d i t i o n sJ I A N G L u s h a1,L I C h a o y u e1,L U G u a n g h u a2,P U H e f u1,3,D O N G X i a o q i a n g3,D A I Z h a n h o n g1,X U J u n4,H O U G u o l u n4(1.S c h o o l o f C i v i l a n d H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g,H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,W u h a n 4 3 0 0 7 4,C h i n a;2.E n e r g y C o n s e r v a t i o n a n d E n v i r o n m e n t P r o t e c t i o n C o.,L t d,MC C G r o u p,B e i j i n g 1 0 0 0 8 8,C h i n a;3.C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a;4.H u b e i D i j i a n C o n s t r u c t i o n C o.,L t d,W u h a n 4 3 0 0 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】P o l y m e r-m o d i f i e d b e n t o n i t e(PMB)h a s v e r y l o w h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y t o a g g r e s s i v e s o l u t i o n s t h a t a r e h i g h l y s a l i n e,h i g h l y a c i d i c,o r h i g h l y a l k a l i n e,a n d t h u s i s m o r e c a p a b l e o f a c h i e v i n g i m p r o v e d c o n t a m i n a n t c o n t r o l e f f i c a c y t h a n c o n v e n t i o n a l b e n t o n i t e.【M e t h-o d s】T h i s p a p e r i n v e s t i g a t e s t h e p e r f o r m a n c e o f PMB-e n h a n c e d l o w-p e r m e a b i l i t y m a t e r i a l s i n t h e c o n t a i n m e n t b a r r i e r s s u c h a s g e o s y n t h e t i c c l a y l i n e r(G C L),v e r t i c a l c u t o f f w a l l,a n d c o v e r s y s-t e m.A c c o r d i n g t o t h e a p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s o f v a r i o u s c o n t a i n m e n t b a r r i e r s,t h e PMB-e n-h a n c e d l o w-p e r m e a b i l i t y m a t e r i a l s w e r e p r e p a r e d a n d t h e p e r m e a b i l i t y t e s t s w e r e c o n d u c t e d t o s t u d y t h e i r h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y t o h i g h l y a c i d i c,a l k a l i n e,o r s a l i n e s o l u t i o n s.M o r e o v e r,t h e i n t e r l a y e r s t r u c t u r e,p o r e s t r u c t u r e,a n d m i c r o-m o r p h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e PMB w e r e e v a l u a t e d b y u s i n g m i c r o s c o p i c t e c h n i q u e s,s u c h a s X R D,F T I R,a n d S EM.【F i n d i n g s】T h e r e-s u l t s s h o w e d t h a t t h e c o n v e n t i o n a l b e n t o n i t e w i t h o u t p o l y m e r w a s h i g h l y p e r m e a b l e t o a g g r e s s i v e s o l u t i o n s(e.g.,t h e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y t o 3.4%N a C l s o l u t i o n w a s a s h i g h a s 2.7 6 1 0-7 m/s).I n c o n t r a s t,t h e PMB e x h i b i t e d a m u c h s u p e r i o r p e r f o r m a n c e i n a g g r e s s i v e e n v i r o n m e n t,w i t h t h e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y t o 3.4%N a C l s o l u t i o n b e i n g1 0.5);赤泥渗滤液同时呈强碱性和高盐性(p H值1 2,含盐量(质量分数)2.7%4.1%,离子强度2 3 91 5 4 6 mm o l/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上层土工布膨润土颗粒或粉末510?mm底层土工布针刺纤维（a）土工合成黏土衬垫 GCL覆盖层废弃物堆体竖向阻隔墙（b）竖向阻隔墙绿化土层排水层防渗层排气层垃圾堆体（c）水平覆盖系统图1 防污屏障示意图F i g.1 S c h e m a t i c s o f b a r r i e r s069太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 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。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(B P C)6、多膨胀膨润土(M S B)7、超级黏土(HY P E R C l a y)8-9、高密预水化G C L(D P H-G C L)1 0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(B P C)技术1 1-1 3。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8 0%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G C L、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X R D、傅里叶变换红外光分析F T I R和扫描电镜试验S EM)揭示聚合物改性膨润土的防渗机理。1 试验材料1.1 制备聚合物改性膨润土基防渗材料所需的原材料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1 4和A S TM D 5 8 9 01 5测定的膨润土的基本物理指标。钠化钙基膨润土的细粒(d1 8 0 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2.7 61 0-7 m/s,与S C A L I A e t a l6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1 0 0 mM C a C l2溶液的kr也是在1 0-7 m/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1 0%时kr1 0-1 1 m/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(1 0-1 1 m/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A S TM D 5 8 9 0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6 0 0 mM N a C l溶液中的自由膨胀指数,分别为6.5 m L/2 g和2 2 m L/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。刚性壁渗透柔性壁渗透GCL 的防渗要求10-610-710-810-910-1010-1110-12渗透系数/?（m s-1）051015202530聚合物含量/?%图4 不同聚合物含量的改性膨润土对高盐溶液(6 0 0 mm o l/L N a C l)的渗透系数F i g.4 H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f p o l y m e r-m o d i f i e d b e n t o n i t e w i t h v a r i o u s p o l y m e r l o a d i n g s t o 6 0 0 mM N a C l s o l u t i o n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1 2),需要长期占用渗透仪器,因此,为节省试验时间本文参考了NO R R I S e t a l2 9的刚性壁渗透试验,该方法装样更简单,且可在较短时间内(1 0 d左右)给出土样渗透系数的大概预估值。测试1 0 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1 0 d的kg低于1 0-1 0 m/s时,可初步判断长期kr有望低于1 0-1 1 369 第6期 姜璐莎,等:聚合物改性膨润土在阻隔屏障中酸碱盐条件下的防渗效果m/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1 0%的改性膨润土分别在强酸溶液(p H=3的HC l溶 液)和 强 碱 溶 液(p H=1 2的N a OH溶液)中的渗透系数,第3 0 d的测试结果如图5所示。黑色：刚性壁渗透绿色：柔性壁渗透5.8910-1110-810-910-1010-1110-12渗透系数/?（m s-1）HCl（pH3）渗透溶液NaOH（pH12）4.5710-94.9810-98.9910-115.1910-123.0010-12钠化钙基膨润土聚合物改性膨润土聚合物改性膨润土图5 聚合物改性膨润土对强酸、强碱溶液的渗透系数F i g.5 H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f p o l y m e r-m o d i f i e d b e n t o n i t e t o h i g h l y a c i d i c a n d h i g h l y a l k a l i n e s o l u t i o n s聚合物改性膨润土对强酸和强碱溶液的kg均低于11 0-1 0 m/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2 0 0多d后的kr均低于1 0-1 1 m/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。3.2 基于聚合物改性膨润土的竖向阻隔墙防渗材料分别按照我国土工试验方法标准G B/T 5 0 1 2 3-2 0 1 91 4、美国环境保护署(E P A)规范4 5和美国石油学会(A P I)规范4 6,对不同膨润土掺量(B C S)下膨润土浆液的p H值、密度(S)、马氏漏斗黏度(MF)、A P I滤失量(F L)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B CS分别为1 0.4%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3 0-3 2,确定了土-钠化钙基膨润土回填料C B 5、C B 8、C B 1 0所需的控制含水率分别为4 0.8%、4 4.7%、4 8.4%,土-聚合物改性膨润土回填料P C B 5、P C B 8、P C B 1 0所需的控制含水率分别为3 7.4%、3 8.1%、3 8.9%.表5 膨润土浆液的施工和易性指标T a b l e 5 W o r k a b i l i t y i n d e x e s o f t h e b e n t o n i t e s l u r r i e s膨润土类型p H值S/(gc m-3)MF/sF L/m L钠化钙基膨润土9.21.0 7 23 81 5.0聚合物改性膨润土7.91.0 5 03 81 0.5 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1 0-9 m/s的防渗要求;当渗透溶液为钢渣渗滤液时,只有C B 5试样没达到防渗要求,其他试样满足;当渗透溶液为浓度5 0 mm o l/L C a C l2时,常规的土-膨润土效果不好,3组C B试验均不满足防渗要求,而基于聚合物改性膨润土的P C B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5 0 mm o l/L C a C l2的渗透系数(kC a).自来水、钢渣渗滤液和C a C l2溶液对应的离子强度分 别 为2.9 mm o l/L、1 0.7 mm o l/L和1 0 0 mm o l/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。kC a值最大是因为C a C l2溶液的离子强度分别是自来水和钢渣渗滤液离子强度的3 4.4 8和9.3 5倍。6组试样的kC a/kw比值均显著大于1,因为C a C l2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,P C B试样的kC a/kw比值远小于C B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。离子强度/?（mmol L-1）10-810-910-10柔性壁渗透系数/?（m s-1）自来水渗透溶液钢渣渗滤液50?mmol/L?CaCl2101100阻隔墙防渗要求CB5CB8CB10PCB5PCB8PCB10图6 竖向阻隔墙回填料对不同渗透液的渗透系数F i g.6 H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f p o l y m e r-e n h a n c e d s o i l-b e n t o n i t e b a c k f i l l t o v a r i o u s p e r m e a n t s o l u t i o n s469太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 3.3 基于聚合物改性膨润土的覆盖系统防渗材料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3 0 c m厚)3 3、G C L(51 0 mm厚)3 3-3 4、砂-膨润土混合物2 3-2 2,3 5。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,NA I S M I TH e t a l2 3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31 0-1 1 m/s,且没有观察到裂缝的出现,而G C L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3 6-3 7。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8 0%砂+1 9%钠化钙基膨润土+1%聚合物(A中的P表示聚合物p o l y m e r,1表 示 聚 合 物 占 防 渗 材 料 的 质 量 比 为1%).2)B配方为8 0%砂+1 7%钠化钙基膨润土+3%聚合物。A配方对自来水的kr为2 1 0-1 1 m/s,B配方对浓度1 2.5 mm o l/L C a C l2溶液的kr为1.3 11 0-1 1 m/s.虽然浓度1 2.5 mm o l/L C a C l2溶液的离子强度(=2 5 mm o l/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3 3,3 8-4 0对覆盖系统防渗层渗透系数1 0-9 m/s的要求(低了近2个数量级)。10-810-910-1010-11渗透系数/?（m s-1）自来水渗透溶液12.5?mmol/L?CaCl2防渗要求A 配方（80%砂+19%膨润土+1%聚合物）B 配方（80%砂+17%膨润土+3%聚合物）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C a C l2溶液的柔性壁渗透系数F i g.7 H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f p o l y m e r-e n h a n c e d s a n d-b e n t o n i t e m i x t u r e t o t a p w a t e r a n d C a C l2 s o l u t i o n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、G C L、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G C L(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1 6 mm和8 4 mm,是A覆盖材料的3.2倍和1 6.8倍。表6 覆盖系统中3种不同防渗层的年均渗漏量比较T a b l e 6 C o m p a r i s o n o f a n n u a l p e r c o l a t i o n r a t e o f t h r e e d i f f e r e n t b a r r i e r l a y e r s o f c o v e r s y s t e m指标聚合物改性膨润土基覆盖材料(A配方)普通G C L压实黏土防渗层厚度/c m7a1b3 0b渗透系数/(ms-1)21 0-1 111 0-1 111 0-9水力梯度c8.1 45 12.6 7渗漏量/(mma-1)51 68 4 注:a表示厚度取值参考3 6-3 7;b表示厚度取值参考3 4,4 4;c表示计算水力梯度时假设防渗层上方的水头为0.5 m.4 防渗机理4.1 X R D图谱图8为聚合物、钠化钙基膨润土、聚合物改性膨润土的X R D图谱。与膨润土改性前后的X R D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(0 0 1)特征衍射峰位出现在2=7.2 4,聚合物改性钠化钙基膨润土所对应的2值为6.5 7,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2ds i n=n,X R D峰向较低衍射角变宽和移动会导致d(0 0 1)的增加4 1,即蒙脱石的层间距由1.2 2 0 n m102/?（）30钠化钙基膨润土聚合物改性膨润土聚合物020405060Intensity（a.u.）图8 聚合物、钠化钙基膨润土及聚合物改性膨润土的X R D图F i g.8 X R D p a t t e r n s f o r p o l y m e r,b e n t o n i t e,a n d p o l y m e r-m o d i f i e d b e n t o n i t e569 第6期 姜璐莎,等:聚合物改性膨润土在阻隔屏障中酸碱盐条件下的防渗效果经改性扩大到1.3 4 3 n m,表明聚合物成功插入蒙脱石层间。4.2 F T I R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(7 9 7 c m-1和7 7 8 c m-1)以及由S iOA l与A lO的耦合振动引起的吸收峰(5 1 8 c m-1和4 6 7 c m-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 9 4 4 c m-1、1 5 6 3 c m-1和1 4 5 5 c m-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(C OO)振动和CH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4 2。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。wave?number?/?cm-1钠化钙基膨润土聚合物改性膨润土聚合物4?0003?0002?0001?0000Transmittance?/?%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F i g.9 F T I R s p e c t r a f o r p o l y m e r,b e n t o n i t e,a n d p o l y m e r-m o d i f i e d b e n t o n i t e4.3 S EM图1 0为钠化钙基膨润土和聚合物改性膨润土经6 0 0 mm o l/L N a C l溶液渗透后的S EM图像。可以看出,2种膨润土均呈片状且成层分布4 3,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1 0(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1 0(b)所示4 4,使得水流通道更加狭窄更加曲折,因此渗透系数更低。20?m20?m凝胶状聚合物堵塞孔隙片状结构成层分布（a）（b）（a）钠化钙基膨润土（b）聚合物改性膨润土图1 0 试样经6 0 0 mm o l/L N a C l高盐溶液渗透后的S EM图F i g.1 0 S EM i m a g e s o f s p e c i m e n s a f t e r p e r m e a t e d w i t h 6 0 0 mm o l/L N a C l s o l u t i o n5 结论根据上述研究,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N a C l)、强酸(p H值=3的HC l)、强碱(p H=1 2的N a OH)溶液可依然保持极低的渗透系数(1 0-1 1 m/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(p H=1 2)还是浓度5 0 mm o l/L的C a C l2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(1 0-9 m/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21 0-1 1 m/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G C L(未聚合物改性)和压实黏土作防渗层时渗漏量的1/3.2和1/1 6.8.4)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。参考文献:1 黄润秋.中国生态环境状况公报R.北京:中华人民共和国生态环境部,2 0 1 9.2 北京市生态环境局.2 0 1 5年环境统计年报R.北京:中华环境监测总站,2 0 1 7.3 钱学德,朱伟,王升位,等.填埋场和污染场地防污屏障与施工M.北京:科学出版社,2 0 1 7.669太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 4 范日东.重金属作用下土-膨润土竖向隔离屏障化学相容性和防渗截污性能研究D.南京:东南大学,2 0 1 7.5 L I Q,C HE N J N,B E N S ON C H,e t a l.H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f b e n t o n i t e p o l y m e r c o m p o s i t e g e o s y n t h e t i c c l a y l i n e r s p e r m e-a t e d w i t h b a u x i t e l i q u o rJ.G e o t e x t i l e s a n d G e o m e m b r a n e s,2 0 2 1,4 9(2):4 2 0-4 2 9.6 S C A L I A I V J,B E N S ON C H,B OHNHO F F G L,e t a l.L o n g-t e r m h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f a b e n t o n i t e-p o l y m e r c o m p o s i t e p e r m e a t e d w i t h a g g r e s s i v e i n o r g a n i c s o l u t i o n sJ.J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l a n d G e o e n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g,2 0 1 3,1 4 0(3):0 4 0 1 3 0 2 5.7 ON I KA TA M,KON D O M,HAYA S H I N,e t a l.C o m p l e x f o r m a t i o n o f c a t i o n-e x c h a n g e d m o n t m o r i l l o n i t e s w i t h p r o p y l e n e c a r b o n a t e:o s m o t i c s w e l l i n g i n a q u e o u s e l e c t r o l y t e s o l u t i o n sJ.C l a y s a n d C l a y M i n e r a l s,1 9 9 9,4 7(5):6 7 2-6 7 7.8 D I EM I D I O G.H y d r a u l i c a n d c h e m i c o-o s m o t i c p e r f o r m a n c e o f p o l y m e r t r e a t e d c l a y sD.G h e n t:G h e n t U n i v e r s i t y,2 0 1 0.9 MA Z Z I E R I F,D I EM I D I O G,VAN I MP E P.D i f f u s i o n o f c a l c i u m c h l o r i d e i n a m o d i f i e d b e n t o n i t e:i m p a c t o n o s m o t i c e f f i c i e n-c y a n d h y d r a u l i c c o n d u c t i