溶液特征对石屑掺膨润土混合土的渗透特性影响

垃圾填埋是目前世界各地处置城市固废的主要方法,为了有效防止渗滤液污染地下水和周边环境,在垃圾填埋场底部铺设含黏土或膨润土掺砂混合土的防渗系统。利用采石场的石屑和膨润土配制防渗材料,通过渗透试验、Zeta电位试验和X射线衍射试验,分析溶液种类和浓度对渗透特性的影响机理。研究结果表明随着离子浓度的增大,混合土的渗透系数变大,其主要是由于溶液中的离子与钠基膨润土进行离子交换,膨润土土粒间斥力与土粒双电层厚度减小,且膨润土中的蒙脱石层晶间距增大。     

GCL对铜离子吸附和隔离性能试验研究

采用蒸馏水和0.01 mol/L铜离子溶液分别水化钠基膨润土防水毯(以下简称GCL)进行渗透试验,并用0.01 mol/L铜离子溶液代替蒸馏水测试GCL渗透系数和渗滤液中铜离子浓度;分析了不同水化处理对GCL吸附铜离子和防渗性能的影响。结果表明:不同水化方式预水化的GCL对铜离子都具有优异过滤效果,两种水化方法对铜离子过滤能力都达到99%以上;相比于0.01 mol/L铜离子溶液直接水化,蒸馏水预水化后GCL吸附性能较好,但防渗性能随着时间的增加而变差。     

利用膨润土的膨胀和稠度特性对GCL渗透系数进行预测的试验研究

以土工合成粘土衬垫(Geosynthetic Clay Liner,GCL)在尾矿库防渗层中的应用为背景,研究不同浓度重金属离子(Cu和Zn)作用下,膨润土的自由膨胀量、液限及GCL渗透系数的变化规律,并分析它们之间的对应关系。试验结果显示,当重金属离子浓度在0.01mol/L到0.1mol/L之间递增时,膨润土的自由膨胀量和液限会随着重金属离子浓度的增大而大幅度减小,但当重金属离子浓度从0.1mol/L增加到0.5mol/L时,膨润土的自由膨胀量和液限则只有微小变化。在渗透试验中,当渗透溶液中重金属离子浓度小于0.01mol/L时,GCL的渗透系数能够保持稳定;但当重金属离子浓度大于0.02mol/L后,GCL的渗透系数会随着渗透溶液中重金属离子的浓度增加而不断升高。研究结果表明,当尾矿库渗滤液中重金属离子浓度大于0.02mol/L时,GCL的渗透系数与膨润土的自由膨胀量和液限之间具有良好的数学对应关系,可以利用自由膨胀量和液限对渗透系数进行预测。     

膨润土系隔离墙材料渗透特性研究综述

渗透特性是隔离墙材料的主要工程特征之一。根据大量文献中有关隔离墙材料渗透特性的相关报道,对比介绍了隔离墙材料渗透系数室内测试技术,总结分析了材料特性和化学溶液特性对渗透系数的影响规律。结果表明:渗透试验终止条件的合理选择对正确评价隔离墙材料长期渗透特性起决定性作用;级配较好的原位土可使材料渗透系数降低;渗透系数随膨润土掺量和双电层厚度增加而减小;溶液阳离子价数和离子浓度升高、溶液介电常数降低均可使渗透系数产生不同程度增大;膨润土预水化作用和离子水化半径对材料渗透特性的影响机制尚不完全明确。建议深入研究典型污染物和复合污染物与隔离墙材料间的相互作用,积极推广低质量膨润土及其改性土在中国隔离墙技术中的应用。     

高炉粒化矿渣对混凝土孔溶液离子浓度的影响

通过离心和高压萃取法提取水泥-高炉粒化矿渣体系1 h和10～24 h液相,采用电感耦合等离子体发射光谱仪和pH计测试液相离子浓度和pH值,研究了高炉粒化矿渣掺量对体系液相离子浓度和pH值的影响。结果表明:随水化时间延长,水泥-高炉粒化矿渣体系早龄期液相中K~+、Na~+、SiO_4~(4-)浓度和pH值逐渐增大,Ca~(2+)和SO_4~(2-)浓度先增大后减小,10 h左右均达到峰值,AlO_2~-浓度呈类似变化;随高炉粒化矿渣掺量增加,液相中K~+、Na~+、Ca~(2+)、SO_4~(2-)和AlO_2~-浓度及pH值逐渐减小,SiO_4~(4-)浓度逐渐增大,40%高炉粒化矿渣掺量对Ca~(2+)浓度影响程度最显著。     

金属离子对MDEA+MEA复配胺液发泡影响研究

采用气流法,搭建了一套胺液发泡特性实验装置,研究添加Fe~(3+)、Fe~(2+)、Ca~(2+)、Mg~(2+)、Na~+、K~+离子后的MDEA+MEA复配胺液的发泡高度与消泡时间,分析金属离子质量浓度对复配胺液发泡特性及其泡沫稳定性的影响。研究发现:在实验研究质量浓度范围内,Fe~(3+)、Mg~(2+)对复配胺液发泡特性的影响最大,显著促进复配胺液的发泡过程,增强泡沫稳定性。复配胺液的发泡特性与泡沫稳定性受Fe~(2+)和K~+质量浓度变化影响较小。Ca~(2+)和Na~+可以降低发泡高度,缩短消泡时间,起到抑制发泡的作用。     

混合型缓冲回填材料压实性能研究

 根据国外高放废物地质处置领域缓冲回填材料研发趋势,提出我国混合型缓冲回填材料开发新构想,即在纯膨润土中添加一定量的石英砂,期望在不显著降低渗透性能的前提下明显改善其热传导性能和力学强度。选取内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土)为主料,添加0%～50%含量的石英砂,采用标准击实试验和重型击实试验,研究混合土的动力压实特性;采用专门设计的压实模具,研究混合土在20和50 MPa压力下的静力压实特性。研究结果表明,不同掺砂率的膨润土–砂混合物,最大干密度与最优含水率存在统一的幂函数关系,而与压实方法及压实能大小无关。对于不同的压实方法及压实能大小,最优含水率与掺砂率之间存在线性关系。利用这些关系,就可以针对特定的压实目标选择适宜的压实方法。研究表明,高庙子膨润土掺加10%～30%的石英砂有助于改善压实质量,预计防渗性能也不会降低。     

重金属污染土物理性质强度定量关系试验研究

通过室内试验研究土体孔隙液中重金属离子影响土体物理力学性状的机理,采用不同浓度的重金属Cu2+、Zn2+、Pb2+掺入高岭土、伊利石类黏土和钠基膨润土,研究土体界限含液率、不排水抗剪强度随重金属离子浓度的变化规律。试验结果表明:以高岭石、伊利石为主要黏土矿物的低活性土的液限、塑性指数随离子浓度的增加而增大,钠基膨润土则表现出相反的变化规律;低活性黏土的不排水抗剪强度随离子浓度增加而增大,高活性黏土强度则随之减小;基于已有的无污染土体物理力学性状定量联系,分析重金属污染土的不排水抗剪强度与液性指数的定量关系,发现重金属离子引起的不排水抗剪强度的变化可以归结于重金属离子引起的液塑限变化,表明重金属Cu2+、Zn2+、Pb2+污染过程基本没有产生化学反应,其物理力学定量关系与已有的无污染土经验关系式一致。     

膨润土和高岭土掺量对饱和细砂剪切特性的影响

通过室内直接剪切试验,研究不同膨润土和高岭土掺量(5%、10%、15%、20%、25%及30%)对饱和砂土剪切特性的影响,提出了可供参考的不同掺量下饱和黏粒-砂混合土的抗剪强度指标。结果表明:掺入膨润土和高岭土黏粒后,饱和砂土的抗剪强度降低,黏聚力增大,内摩擦角减小,并且随着掺量的增加呈现一定的塑性;相同黏粒掺量下高岭土-砂混合土的黏聚力大于相应的膨润土-砂混合土黏聚力,内摩擦角小于相应的膨润土-砂混合土内摩擦。     

膨润土防水毯渗透性能实验研究

采用特定pH值的多级浓度Pb~(2+)溶液,对膨润土进行了自由膨胀量测试,同时以Pb~(2+)溶液作为水化液,对膨润土防水毯(GCL)的渗透系数进行了测试,指出GCL铺设时应注意强酸性和高离子浓度工程环境对GCL抗渗性能的影响。     

盐溶液对膨润土-砂混合物膨胀性能的影响

利用自制固结仪,开展膨润土-砂混合物在蒸馏水及不同浓度的NaCl、KCl和CaCl₂溶液下的膨胀变形试验,研究盐溶液浓度和阳离子交换反应对混合物膨胀变形的影响。试验表明,试样在蒸馏水与不同浓度的NaCl溶液下可用同一条e_m-p_e曲线表示,表明NaCl主要通过渗透吸力的作用影响混合物的膨胀变形。K⁺、Ca²⁺主要通过置换吸附在钠基膨润土表面的Na⁺,使得膨胀性能减弱,因此NaCl溶液的抑制性小于KCl和CaCl₂。值得关注的是,膨润土-砂混合物在KCl与CaCl₂溶液下随浓度的变化产生了不同的膨胀变形规律。当浓度为0.1 mol/L时,由于同浓度下CaCl₂溶液中的总离子浓度大于KCl,从而通过渗透吸力的提高增大了有效应力,此时CaCl₂的抑制效果强于KCl;而浓度在0.5 mol/L时,CaCl₂的抑制效果弱于KCl,因为此时溶液中离子浓度较高,一方面K⁺可以充分置换吸附在膨润土表面的Na⁺;另一方面K⁺更容易嵌入相邻晶层间硅氧四面体中氧原子形成的孔穴里,使得相邻晶层连接起来,导致水分子不易进入层间,无法正常吸水,从而明显地抑制了膨胀变形。     

膨润土的膨胀性衰减研究

利用地球化学软件Phreeqc模拟了高放核废料处置库的高压实MX80膨润土中发生的水文地球化学反应,基于长时间尺度的研究的需要,忽略热、力、流等因素的影响,主要考虑了K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺四种阳离子的离子交换和矿物溶解沉淀反应,建立了膨润土中的一维离子运移反应模型。模拟了不同外界流体作用下,膨润土化学组分在时间和空间上的变化。结合化学组分变化结果,对膨润土膨胀性衰减情况进行了计算和评估。得到1万年后海水和地下水环境下的MX80膨润土膨胀性衰减系数分别达到0.79和0.91。     

水泥固化体淋滤液对GCL防渗性能的影响

水泥固化/稳定化是危险废弃物处理的经济、高效方法,然而,水泥固化体的淋滤液中含有大量Ca~(2+),其长期渗透有可能导致填埋场底部土工合成黏土衬垫(geosyntheticclayliner,GCL)的防渗性能下降,从而引发二次污染。使用柔性壁渗透仪,测定有效应力和水泥固化体淋滤液共同作用下GCL的渗透系数,探讨了淋滤液浓度以及不同有效应力对GCL渗透系数的影响。试验结果表明:当有效应力为24kPa时,水泥固化体淋滤液的持续渗透会使GCL的渗透系数增大179～721倍,淋滤液中Ca~(2+)浓度越高,GCL渗透系数增大的幅度越大。通过增加有效应力,可以降低固化体淋滤液对GCL防渗性能所造成的负面影响,当有效应力增大至438 kPa时,固化体淋滤液对GCL防渗性能所造成的负面影响全部被抵消。     

膨润土表面分维的试验确定

压实膨润土因其膨胀特性被用作高放射性核废料深地质处置工程的缓冲材料,膨润土的膨胀特性与其表面特性有关。对原始膨润土粉末以及被不同浓度的NaCl溶液浸泡过的膨润土进行N₂分子吸附实验,测得N₂吸附等温线,对吸附等温线采用Frenkel-Halsey-Hill(FHH)方程和Neimark热力学方法计算表面分维,计算结果表明,采用两种方法计算的表面分维基本相同。膨润土的表面性质受NaCl溶液浓度的影响较大,表面分维随NaCl浓度的增加呈现出先增大后减小的趋势,这是由于浓度不同膨润土表面吸附的Na⁺量不同所引起的。     

混合型缓冲回填材料抗剪强度特性研究

高放废物深地质处置中,缓冲回填材料的抗剪性能对处置库的安全设计、施工及运营有重要的影响。本文从工程应用的角度出发,测试不同掺砂率时膨润土-砂混合物标准击实样在最优含水率条件下的抗剪强度指标。研究结果表明:随着掺砂率的增大,膨润土-砂混合物的抗剪强度指标略有下降;纯膨润土的抗剪强度指标随着干密度的增大而增大,随着含水率的增大而减小。通过测试和分析不同干密度和含水率时纯膨润土的抗剪强度指标,引入有效粘土密度和有效含水率的概念,对最优含水率条件下不同标准击实样的抗剪强度指标进行分析。     

On the stability of activated sludge flocs with implications to dewatering

It was shown that Ca²⁺ can be extracted from activated sludge from a plant with biological nitrogen and phosphorus removal either by an ion exchange process, where H⁺, Na⁺, K⁺ or Mg²⁺ served as counter ions, or by chelation by EGTA. The extraction of Ca²⁺ led to an increase in the number of small particles and subsequently an increase in the specific resistance to filtration.

It was argued that approx. half of the total Ca²⁺ pool was associated with the exopolymers and thereby formed an alginate-like gel, which constituted the backbone of the floc structure. This notion was further emphasized by the observation that addition of Cu²⁺ which, along with releasing Ca²⁺, improved the dewaterability—probably because of the Cu²⁺ ions ability to maintain the three-dimensional structure of the exopolymers.     

氢氧根离子在膨润土中的弥散规律及其溶蚀作用

高放废物地质处置库中可能出现的碱性孔隙水,会对膨润土的缓冲封闭性能产生不良影响,尤其是碱性孔隙水中的OH^-离子。本文用NaOH溶液模拟碱性孔隙水,用蒸馏水模拟处置库现场的地下水,对初始干密度为1.70 g/cm³的高庙子(GMZ)膨润土试样开展弥散试验,研究OH^-离子在高压实GMZ膨润土中的弥散规律;用pH值为13和13.8的NaOH溶液模拟孔隙水侵蚀GMZ膨润土试样,研究碱性孔隙水侵蚀,GMZ膨润土的溶解规律。结果表明,非稳态条件下,OH^-离子在GMZ膨润土中的弥散系数为1.49×10^-11~1.89×10^-10 m²/s,且弥散系数随着试样两侧溶液浓度差的减小而降低;高pH值碱性孔隙水侵蚀,首先会造成膨润土中含Si和Al矿物的迅速溶解,溶解速率与时间呈近似线性增长关系,且溶液的pH值越高,溶解速率越快。     

溶液作用下黏土的界限含水率及渗透试验

黏性土的界限含水率是用于土的分类和评价的重要指标,并可能与渗透系数等参数具有一定的相关性,但溶液作用下界限含水率的变化规律没有一致的结论。选取填埋场渗滤液中的几种代表性溶液,对0~15%含量的膨润土改性黏土的界限含水率及渗透性进行了试验。研究发现,CaCl₂溶液和乙酸溶液具有絮凝作用,使高液限黏土变为高液限粉土;膨润土改性黏土的液限和塑性指数与膨润土掺入量正相关;改性黏土的液限随CaCl₂溶液浓度的增大而减小;渗透系数与液限之间没有显著相关性,溶液作用下土的渗透性能还需要深入研究。     

Coupled effects of saline solutions and temperature on the swelling deformation property of GMZ bentonite-sand mixtures

Based on the results of one-dimensional free swelling tests, the coupled effects of NaCl-Na₂SO₄ solutions and temperature on the swelling deformation property of compacted GMZ bentonite-sand mixtures were analyzed. The concentrations of the NaCl-Na₂SO₄ solutions were 0, 0.008, 0.04, 0.08 and 0.16 mol/L, the temperatures were 20 °C, 40 °C, 60 °C, 80 °C and 90 °C and the sand contents were 0, 30 and 50%. X-ray diffraction (XRD) and mercury intrusion porosimetry (MIP) tests were also performed to find the influences of the temperature, solution concentration and sand content on the mineral composition and microstructure. The results showed that the maximum swelling strain of the specimens increased with an elevated temperature, while it decreased with increases in the solution concentration and sand content. The swelling process was accelerated by the rising temperature. The XRD tests indicated that the combined effect of a high temperature and a high solution concentration may have caused more Na⁺ from the saline solutions to enter the interlayer, partly displacing the divalent cations. The MIP tests demonstrated that adding sand to the bentonite could reduce the amount of inter-granular pores and increase the intra-aggregate pores. These findings are advantageous to the transfer of heat and pour fluid in the specimens; and thus, the swelling deformation capacity of the bentonite-sand mixtures was higher than that of pure bentonite under the same conditions.