改性膨润土组合衬垫抗渗吸附特性研究

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六价铬具有高迁移性、强毒性,在自然界中以大阴离子团形态存在,因而其吸附机理和迁移特性较阳离子重金属更为复杂。我国针对铬渣及铬重污染场地的最终处置方式为阻隔填埋。然而传统GCL无法通过离子交换达到有效吸附六价铬的作用,易引发填埋场阻隔失效,造成生态环境污染并危害人身健康。同时,GCL在实际应用中常面临复杂的盐、酸碱等特殊污染环境,在污水及电解质溶液作用下易发生阳离子交换作用使得层间Na+被其他阳离子替代,导致膨润土材料渗透系数大幅度增加、膨胀性能下降,进而引发防渗失效。针对这两个问题,本文通过对钠基膨润土开展两种改性和组合使用,设计了一种用于涉铬污染物填埋场地抗渗阻隔的改性GCL衬垫。通过膨胀试验、吸附试验以及模拟污染物渗滤液渗流试验对组合衬垫结构的吸附性和盐溶液环境下的抗渗性进行了试验研究,为涉铬污染场地的抗渗与阻隔处置提供保障。主要研究成果如下:(1)应用高吸水性树脂和有机季铵盐分别制备了树脂改性膨润土和有机改性膨润土,并对其进行微观结构表征。树脂改性膨润土微观形貌上呈现更大卷曲程度的片层堆叠结构,层间距略有增大,携带新型有机官能团,表面负电荷数量显著增加,亲水性提升。有机改性膨润土微观形貌趋于更为光滑的表面结构,层间距出现大幅度跃升,改性剂特征官能团成功插层,表面特性由亲水性转变为亲油性,表面电荷性质由负转正。(2)吸水性树脂同膨润土作用方式为空间网状多维度的立体复合,树脂材料一方面大幅度强化了膨润土材料自身膨胀特性,树脂改性膨润土自由膨胀量为71.0ml/2g,较钠基膨润土提升91.9%,耐久性指数(0.1%,Ca Cl2)为43.5 ml/2g,较钠基膨润土提升85.1%;另一方面树脂材料通过增强膨润土膨胀特性,吸水膨胀形成更为曲折的渗流通道,从而提升抗渗性能,树脂改性土渗透系数为1.71×10-9m/s,较模拟GCL抗渗性能提升86.5%。同时,亲水基团携带的负电荷也有效提升了膨润土表面的负电荷数量,对进行阳离子交换的外界阳离子起到阻隔作用,从而提升自身抗盐特性。(3)有机季铵盐改性膨润土的原理为层间阳离子交换作用。有机改性膨润土克服了钠基膨润土无法通过离子交换有效吸附Cr(Ⅵ)的缺陷,改性后的膨润土试验吸附容量达8.3 mg/g。最佳吸附条件为:固液比8 g/L、溶液p H=4.0和溶液初始Cr(Ⅵ)浓度5 mg/L。(4)GCL材料渗透系数实验室测定结果为1.27×10-8 m/s,而基于树脂改性及有机改性的改性土渗透系数为7.57×10-9m/s,较GCL材料抗渗性能提升了40.4%。以Cr(Ⅵ)初始浓度为5 mg/L的污染物渗滤液开展吸附性能试验,结果显示通过GCL材料后渗滤液中的Cr(Ⅵ)残余浓度为0.97 mg/L,吸附率仅为80.6%;而通过改性GCL后渗滤液中的Cr(Ⅵ)的残余浓度为0.02 mg/L,吸附率为99.6%,渗滤液浓度降低了48.5倍。提高Cr(Ⅵ)渗滤液的初始浓度至20 mg/L,GCL有效去除率为71.8%,改性膨润土组合衬垫有效去除率为98.4%,渗滤液浓度降低了17.1倍。
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