聚合物改性膨润土复合衬垫阻滞污染物迁移机理及性能研究

Bentonite Geosynthetic Clay Liners (GCL) have been widely used in anti-seepage treatment of landfill. On the existing deficiency on permeation, stability and durability of GCL and artificial Na-B, the behavour of polymer-bentonite GCL is carried out. Firstly, the tests using samples of Na-B, Ca-B, ANa-B are conducted to find out the general performance and disadvantages on Ana-B and permeation behavior of GCL, the contamination-prevention performance and self-sealing ability. Secondly, on the performance of conventional GCL and bentonite, the existing bentonite is modified using polymer and a new kind of high performance GCL is made. First step, layered intercalation method is implemented to modify Ca-B using polyacrylate on the layered structure of bentonite. Second step, through study on microstructure, permeation and optimization of polymerization modification method and the measurement of adsorption, an efficient artificial Na-B is produced, and a new GCL is manufactured. Finally, system tests and analysis using the self-made multi flexible-wall permeameter are conducted to obtain the parameters and pollutant migration characteristics for the new GCL, considering the effect of the solution, stress and defect conditions. The contamination-prevention performance and working mechanism for the new GCL are presented by considering the optimal design method of durability and quality control performance.

膨润土复合衬垫(GCL)在填埋场防渗处理中得到广泛应用，针对GCL及人工钠化膨润土在渗透性、稳定性和耐久性等方面的不足，本申请项目开展聚合物改性膨润土GCL阻污性能研究。首先，选用天然钠基膨润土、钙基膨润土、一般钠化膨润土进行室内试验，找出一般钠化膨润土工作性能及防渗缺陷所在，并对GCL的渗透特性、阻污性能和自我修复能力进行系统试验分析。然后，在获取常规GCL及膨润土基本特性的基础上，对现有膨润土进行有机聚合改性，并制成新型高性能复合衬垫。基于膨润土层状结构特征，采用插层复合方法掺入聚丙烯酸钠等聚合物改性。通过微观结构、渗透及吸附测试分析等手段优化聚合改性方法和工艺，制备出高效人工钠基膨润土，研究高浓度溶液下的阻污机理，并制成新型高性能复合衬垫。最后，获取新型GCL性能指标和污染物迁移特性，研究溶液、应力和缺陷条件下的阻污性能和工作机理，提出考虑耐久性的优化设计方法与质量控制标准。

本项目以垃圾填埋场中衬垫系统为研究对象，通过室内试验、聚合反应、微观测试和理论分析等手段开展了研究工作。选用衬垫系统中常用的膨润土为对象，分析了其渗透特性的不足，采用丙烯酸钠湿法聚合工艺改性提高盐溶液条件下膨润土的渗透性能。探讨了各参数对改性后膨润土的膨胀指数、滤失量和渗透系数等性质的影响，获得了有机聚合改性的最优配合比。改性后的膨润土膨胀指数由25ml/2g增大至50ml/2g，渗透系数由1.61×10-10m/s减小到2.28×10-10m/s，防渗性能得到有效改善。Pb(NO3)2溶液下的膨胀和滤失测试结果显示，改性后的膨润土在Pb2+溶液浓度小于30mM时，膨胀指数大于20ml/2g，滤失量小于15ml，而且受溶液影响较小，改性膨润土的耐盐性得到了有效改善。.利用研制多联柔性壁渗透仪，实现了同种工况对同一批次GCL同时进行渗透试验，避免样品和试验条件带来的误差，提高了试验数据的可靠性；在不同GCL水化条件下，GCL水化液浓度越大渗透系数越小、渗透时间越长渗透系数越稳定，结合渗透过程进行了综合分析；测试了破损状态下的GCL在不同孔径下的渗透性能，孔径较小时愈合性较好，分析影响其自愈能力的因素。.假设污染物在衬垫中稳态扩散，并假设在下伏衬层中扩散系数为迁移距离的线性函数，且考虑降解作用的影响，建立了有机污染物在复合衬层中的一维扩散模型，针对零浓度下边界条件，获得了模型解析解。基于该解析解，分析讨论了相关参数的敏感性。结果表明，相关参数对计算结果影响很大，降解半衰期对污染物运移同样存在较大影响。该项目已发表论文20余篇，其中SCI收录15篇，申请及授权国家发明专利10余项，培养硕士研究生10余位。该项目在高性能膨润土改性方法以及衬垫中污染物运移解析模型等方面取得了较好的研究成果，具有一定的理论意义和工程实用价值。