膨润土系隔离墙中黏土矿物半透膜效应特性及机理研究

Since the diffusion of contaminant at the bottom layer, the early landfill site, a large amount of early built landfill site caused increasing potential threaten to the surrounding environment. Bentonite amended cut-off wall has always been applied for reinforcing the barrier performance. Previous researches were mostly focus on hydraulic behaviors of bentonite, however, little about the improvement in the membrane behavior of the bentonite. In this study, bentonite is introduced to promote the barrier performance of natural soil towards four types of contaminants (inorganic salt, heavy metals, organism and microbe), and enhance its membrane properties. In addition, different factors were studied to evaluate their effect on membrane behavior, including bentonite content, compactness, thickness, potential hydrogen of solution (pH), concentration and solute type. Further analysis was conducted to study the mechanism of the membrane behavior with the assistance of SEM images, X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) results. The predicted results should be valuable in the field of reinforcing the barrier performance at the early landfill site or dumpsite.

大量早期垃圾堆场、填埋场因场底污染物扩散问题，逐渐成为重大环境安全隐患，目前较为普遍的处理方法是在场地周边构建竖向膨润土系隔离墙进行防污补强。前期研究中，膨润土大都用于降低天然土的渗透特性，而其对天然土半透膜效应改良、防污阻隔特性的提升少有涉及。因此，本项目将引入膨润土与天然土组成复合材料，针对渗滤液中四种主要污染物（无机盐、重金属、有机物、细菌微生物），研究复合土体材料半透膜效应阻隔特性、适用范围及应用条件；基于复合材料半透膜效应，进一步探究其对环境条件的响应，考虑影响因素包括膨润土掺量、压实度、土体厚度、溶液酸碱性、污染物浓度性状等；同时对复合土体材料进行细观表征，从物理化学两方面宏微观多角度揭示黏土矿物及其改性复合材料半透膜效应产生机理，进而提出半透膜效应特性的调控机制。预期研究成果在老旧垃圾堆场、填埋场竖向防污补强方面具有极高的现实价值，在城市生态文明建设方面应用前景广阔。

垃圾堆场下部重新构建水平防渗系统工程难度和代价太大，较为普遍的做法是结合地下土层条件，通过构建竖向隔离墙进行防渗防污补强，将污染物严格控制在一定的独立水文地质单元体内，竖向隔离墙按材料主要可分为水泥系类、膨润土类、活性反应墙。相对于水泥系类和特殊活性反应墙，土－膨润土竖向隔离墙抗渗性强、施工简便快捷、造价较低，能够展现出半透膜的性状，有效阻隔污染物的扩散，极大地提升隔离墙的防污阻隔性能。本项目通过室内实验研究本地土及土－膨润土复合材料在诸多种类污染物条件下的半透膜效应阻隔特性，探讨土体材料半透膜效应阻隔特性、适用范围及应用条件；选定代表性污染物，在多种工况及环境影响因素条件下，测试材料的半透膜效应响应及变化规律，揭示土体半透膜效应多因素影响程度及显著性；结合土体理化性状及微观表征结果，从物理化学两方面宏观微观多角度探讨土体半透膜效应产生机理，进一步完善关于土－膨润土材料半透膜效应的理论框架。试验结果表明，随着膨润土掺量的增加，化学渗透效率系数ω0减小；随着KCl溶质浓度的增加，化学渗透效率系数ω0也随之减小；膜效应随着pH的增加而改善，但是主要表现在碱性条件下的改善；ω0随着时间变化的幅度较为微弱，受时间的影响较小；随着密实度的增加，土体ωave增大；最后，土样厚度的增大一定程度上会突出膜效应的作用。除非使用膨润土进行改性，否则本地土的膜效应可以忽略不计。总体来说，该项目研究有助于更好的研究土体半透膜效应的适用范围及应用条件，并预测污染物在地下环境中的迁移行为，具有重要的现实意义。本研究为隔离墙设计施工提供了理论依据，是预测污染物扩散运移、制定防控及治理方案的迫切需求，在当前隔离墙体材料的改良领域具有广阔的应用前景。对于微观机理的研究有助于建立土体膜效应理论框架，并进一步完善深化多孔介质中污染物运移特性及相关研究，具有重要的学术理论价值。