复合污染作用下膨润土的防渗性能研究_陈宏信.pdf

复合污染作用下膨润土的防渗性能研究*陈宏信1，潘鸿诚1，尹泽豪1，闵欣愉1，石福江1，高亮2，3（1.同济大学 土木工程学院 地下建筑与工程系，上海200092；2.澳门大学 智慧城市物联网国家重点实验室，澳门999078；3.澳门大学 土木与环境工程系，澳门999078）【摘要】复合污染是实际工程中常见的污染类型，膨润土基防污屏障是阻滞污染物运移最有效的方式之一。为探究复合污染对膨润土防渗性能的影响，开展了自由膨胀试验及扫描电子显微镜（SEM）试验，研究不同组合、不同浓度的 Cu2+、Pb2+和醇类复合污染作用下膨润土防渗性能的变化规律以及微观影响机制。试验结果表明：在同一价态重金属复合污染作用下，膨润土防渗性能主要与溶液中重金属总浓度相关，受重金属种类的影响较小；在重金属-乙醇复合污染作用下，随重金属总浓度的增大，乙醇对防渗性能具有促进作用的浓度区间减小，促进作用效果减弱，最终表现为抑制作用。【关键词】自由膨胀试验；复合污染；钠基膨润土；防渗性能中图分类号：X53；TU443文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）01-0063-06DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.01.010Study of Anti-seepage Performance of Bentonite under the Influence of Compound PollutionCHEN Hongxin1，PAN Hongcheng1，YIN Zehao1，MIN Xinyu1，SHI Fujiang1，GAO Liang2（1.Department of Geotechnical Engineering，College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092；2.StateKey Laboratory of Internet of Things for Smart，University of Macau，Macao999078；3.Civil and Environmental Engineering，University of Macao，Macao999078）【Abstract】Compound pollution is one of the most common pollution types in engineering practices.Bentonite anti-fouling barrier had been widely used to prevent the migration of contaminants.In order to investigate the influence ofcompound pollution on the anti-seepage performance of bentonite，the free-swelling test and scanning electron microscope（SEM）test were conducted.The variation of the anti-seepage performance of bentonite and the microscopic influencemechanism under the combined pollution effects of different combinations and concentrations of Cu2+，Pb2+and alcoholswere studied.The results showed that for the compound pollution of different metal ions with the same valence，the anti-seepage performance of bentonite was mainly related to the total concentration of metal ions in the solution，and slightlyinfluenced by ion type.For the compound pollution of metal ions and ethanol，with the total concentration of heavy metalincreased，the concentration range of ethanol which could promote the anti-seepage performance decreased，the promotioneffect gradually decreased and finally appeared as inhibition.【Key words】free-swelling test；compound pollution；Na-bentonite；anti-seepage performance1引言自 20 世纪以来，我国工业化和城镇化水平不断提高，污染物大量排放。2014 年全国土壤污染状况调查公报1显示全国土壤环境状况总体不容乐观。复合污染是实际工程中常见的污染类型。例如，电子废物拆解处理不当会造成场地的重金属和有机物复合污染2；龙於洋等3、贾陈忠等4和谢燕湘等5发现填埋废弃物及其渗出的垃圾液中含有多种重金属及有机污染物；大量的小规模手工采矿业也会导致周边土壤严重的重金属和有机物污染6。土壤中的重金属和有机污染物被人体摄入会引起一系列疾病7-8，因此污染场地的管控具有重要意义。为了阻止污染物迁移进入周围环境危害人们生命安全，需要建造低渗透性的防污屏障。膨润土具有良好的膨胀性和吸附性，被广泛应用于防污屏障9。防污屏障长期处于污染环境中，服役性能会发生劣化。针对污染物对膨润土防渗性能的影响，国内外学者开展了大量试验研究。例如，Malusis等10研究了氯化钠、氯化钙溶液作用下土-膨润土隔离墙材料渗透系数的变化规律，发现其随金*基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFC1808103）；国家自然科学基金资助项目（42077250）收稿日期：2021-12-03；录用日期：2022-04-18第 31 卷第 1 期2023年2月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.1Feb.2023固体废物处理过程衍生污染控制环境卫生工程2023 年 2 月第 31 卷第 1 期属离子浓度的增大可增大 1 个数量级；范日东等11发现铅污染高岭土-膨润土试样渗透系数可达未污染试样的 215 倍；Goodarzi 等12发现随着污染物浓度增加，甲醇、丙酮等有机污染物在钠基膨润土中的渗透系数可以增加 12 个数量级。因此，无机污染物和有机污染物都可能导致膨润土材料渗透系数显著增加。但是已有研究主要针对单一污染物，考虑复合污染作用的研究还较少。现有研究表明，膨润土的防渗性能与其膨胀性直接相关，膨润土的自由膨胀指数越大，防渗效果越好13，主要原因是膨润土膨胀后会堵塞孔隙，减少过流面积并增加流径曲折程度。由于膨胀指数试验快速、便捷、可靠，本研究通过系统测试膨胀指数反映膨润土防渗性能。选择重金属 Cu2+和Pb2+作为典型无机污染物、乙醇作为典型有机污染物，通过自由膨胀试验分析钠基膨润土在不同污染条件下的膨胀性，研究复合污染作用对膨润土防渗性能的影响，然后通过扫描电子显微镜（SEM）试验观察污染作用下膨润土微观结构的变化特征，揭示复合污染作用下膨润土的防渗阻隔机理。2材料与方法2.1试验材料及方案本研究采用的膨润土为商用钠基膨润土，膨润土产地为河南。采用液塑限联合测定法确定膨润土的界限含水率，塑限为 27%，液限为 174%。实际污染场地的无机污染物多为铅、锌、铬、铜等重金属3，因此选择铜和铅作为典型无机污染物。实际污染场地的有机污染物多为多环芳烃、氯代烃等非水相液体（NAPLs），但是试验纯度的材料比较昂贵且 NAPLs 挥发性和毒性通常较强。醇类也是典型的有机污染物，如在金口填埋场垃圾渗滤液中检出的有机物相对含量为 0.31%10.71%，平均相对含量为 2.22%，其中醇类有机物数量及含量均为最高4。考虑试验安全性和材料易获取性等因素，选用乙醇代表有机污染物。本研究首先采用去离子水和硝酸铜 Cu（NO3）2、硝酸铅 Pb（NO3）2、稀硝酸 HNO3及乙醇配制不同组合和浓度的污染物溶液，然后开展自由膨胀试验和 SEM 试验，试验所用试剂均为分析纯。如表 1 所示，共开展 55 组自由膨胀试验和 6 组SEM 试验，其中溶液质量浓度指重金属或乙醇的设计质量浓度。2.2自由膨胀试验自由膨胀试验用来测定膨润土在液体中的膨胀特性，通过自由膨胀指数可以快速判定膨润土的防渗性能。自由膨胀试验参照 ASTM D589014进行，具体的试验方法和步骤如下：1）膨润土样品过筛，使之 100%能通过0.150 mm 的筛，65%能通过 0.075 mm 的筛，将过筛后的膨润土在（1055）下烘干至质量不变，然后在干燥器内冷却至室温；2）称取（2.00 0.01）g 干燥膨润土，向 100表 1自由膨胀试验与 SEM 试验方案Table 1Test scheme of free-swelling test and SEM test试验类型自由膨胀试验SEM 试验污染类型去离子水单一污染复合污染去离子水单一污染复合污染测试溶液Cu2+Pb2+乙醇Cu2+Pb2+Cu2+乙醇Pb2+乙醇Cu2+Pb2+乙醇Cu2+Pb2+乙醇Cu2+Pb2+Cu2+Pb2+乙醇溶液质量浓度/（mg/L）100、500、1 000、2 000100、500、1 000、2 000500、2 000、4 000、10 000Cu2+Pb2+：100+100、100+500、500+500、500+1 000、500+2 000、1 000+1 000、1 000+2 000、2 000+2 000乙醇：500、2 000、4 000、10 000；Cu2+：500、1 000、2 000乙醇：500、2 000、4 000、10 000；Pb2+：2 000乙醇：2 000、4 000、10 000；Cu2+Pb2+：500+500、500+1 000、500+2 000、1 000+1 000、1 000+2 000、2 000+2 0001 0001 0004 0001 000+1 0001 000+1 000+4 000 64陈宏信，等.复合污染作用下膨润土的防渗性能研究mL 量筒中加入 90 mL 去离子水，每次加入 0.1 g膨润土，将其均匀撒在溶液表面，加土过程不小于 30 s，待前次加入的膨润土完全沉降后再次加入，两次加土的时间间隔不小于 10 min，整个过程中避免晃动和移动量筒；3）2 g 膨润土完全加入后，沿着量筒侧壁加入去离子水，将粘在量筒侧壁的膨润土冲洗下去，直至液体体积为 100 mL 为止；4）用玻璃塞塞住量筒，静置 24 h 读取量筒中膨胀后膨润土的体积，读数时应忽略任何低密度的絮状物质，从沉降的膨润土顶部算起。为了排除温度对试验结果的影响，且考虑到乙醇易挥发，在试验阶段控制温度在（202），并在溶液倒出后迅速将干燥膨润土均匀撒在溶液表面形成覆盖层，在土样沉降阶段用橡胶塞将试管密封，以尽可能减少乙醇的挥发。2.3SEM 试验选用 6 种不同污染作用（去离子水、4 000 mg/L乙醇、1 000 mg/L Pb2+、1 000 mg/L Cu2+、1 000 mg/LCu2+1 000 mg/L Pb2+、1 000 mg/L Cu2+1 000 mg/LPb2+4 000 mg/L 乙醇）下的钠基膨润土开展自由膨胀试验后，样品静置 40 d，经离心、移除上清液后，再由冷冻干