高分子聚合物-膨润土复合体GCL防渗垫及其防渗和自愈能力

One of the important components of a modern landfill is the liner system for preventing possible contamination of the surrounding ground by a landfill. Geosynthetic clay liner (GCL) has been widely used because of its lower permeability as well as ability of self-healing local damages which almost cannot be avoided in the field. The excellent performance of GCL is due to the high expansion capacity of bentonite in the GCL when it meets water. However, when permeating aggressive leakages with high cation (Na+, Ca2+, Al3+, etc.) concentration, the expansion capacity of bentonite will reduce and its permeability will increase significantly. On the other hand, there are superabsorbent polymers which have higher expansion capacity and resistance to the aggressive leakages. Under this kind of circumstance, the objective of this research is to synthesize the advantages of natural bentonite and polymers to invent novel new GCLs as liners for landfills. The key scientific issues need to be solved are: (1) creating polymerized-bentonites (PB) composites with high expansion capacity, and high resistance to aggressive leakages; (2) establishing theoretical framework and prediction method for self-healing capacity of GCLs with PB composites; (3) investigating the effect of wet-dry cycles on the properties of the GCLs and finding out prediction method.

现代化垃圾填埋场的一个重要组成部分是防渗衬垫。土工合成材料和膨润土的复合防渗垫（GCL）由于其低透水性及可自愈现场几乎无法避免的局部损伤的能力，被广泛使用。GCL防渗垫的优越防渗性能来源于膨润土的遇水膨胀特性。但膨润土如遇到高浓度阳离子（Na+，Ca2+，Al3+等）溶液，其膨胀性会减弱，从而大大降低其防渗及自愈能力。另一方面，丙烯酸等高分子聚合物具有高膨胀且耐高浓度阳离子溶液等特性。为此，本项目的目标为结合天然膨润土和高分子聚合物的特性，开发出全新高性能的用于垃圾填埋场的GCL 防渗垫，并建立其防渗及自愈能力预测理论体系和设计方法。为此，要解决以下几个关键科学问题：(1)利用高分子聚合反应研发出高膨胀率且耐高浓度阳离子溶液的高分子聚合物-膨润土（PB）复合体；(2)建立PB复合体GCL自愈能力预测理论及方法；(3) 探明干湿循环对PB 复合体GCL的性能影响并确立预测方法。

现代化垃圾填埋场的一个重要组成部分是防渗衬垫。在多种防渗衬垫中，土工合成材料和黏土的复合垫（简称GCL）由于其低透水性及可自愈现场几乎无法避免的局部损伤的能力而被广泛使用。GCL防渗垫的优越防渗性能来源于其中的膨润土的遇水膨胀特性。但膨润土如遇到高浓度阳离子（Na+，Ca2+等）溶液，强酸/强碱溶液时其膨胀性会减弱，从而大大降低其防渗能力。而从垃圾填埋场中渗出的溶液往往含有多种阳离子，其pH值要么呈酸性要么呈碱性。针对这一问题，本项目采用聚合膨润土的技术，使其在高浓度阳离子溶液，强酸/强碱溶液中具有较高的 遇水膨胀性能，并开发出了用聚合膨润土（PB）的全新的GCL材料。具体成果如下: .(1).聚合反应最佳条件及机理： 以自由基膨胀指数（FSI）为指标，得出了以丙烯酸钠为单体，采用自由基聚合法聚合膨润土的最佳条件。即，KPS为引发剂，pH值为7.0，引发剂（I）与单体（M）的比为I/M为0.2，单体含量为膨润土的10%。X射线衍射（XRD）分析结果表明，聚合过程没有改变膨润土粒的层间结构。SEM照片表明，PB土粒的边缘较天然膨润土（UB）土粒的边缘更圆滑。由此推定聚合物的作用是包覆膨润土粒。.(2).PB的特性：在阳离子溶液（0.6 M NaCl溶液和0.6 M CaCl2溶液），强酸（pH = 1）强碱（pH = 13）溶液中，与UB相比，PB具有较高的FSI值及膨胀压力。在相同孔隙比下，在0.6M NaCl和0.6M CaCl2溶液，强酸/强碱溶液中，PB的透水系数k远低于UB。如用0.6M CaCl2溶液PB的k值约低UB的约2个数量级。.(3).PB-GCL的防渗能力：在高阳离子溶液及强酸/强碱溶液中，PB-GCL的透水系数明显比UB-GCL的低。特别PB-GCL具有较高的自愈能力。用0.6M CaCl2溶液，对于直径20 mm的损伤孔，UB-GCL完全没有自愈，而PB-GCL的自愈率为76%。PB-GCL的自愈率几乎不受溶液pH值的影响，但对UB-GCL，其自愈率在强酸/强碱溶液中明显下降。.因此，本研究开发的PB-GCL可作为较高阳离子浓度的溶液，强酸/强碱溶液的防渗垫层。