一种复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料及其制备方法与应用

1.本发明涉及一种复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料及其制备方法与应用，属于污染场地或生活垃圾填埋场阻隔控制技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着工业企业的转型或迁移，留下了大量的工业场地旧址，而原有场地及场地内地下水中存在的污染问题突出，影响到人类的健康和城市发展。这些工业污染场地具备多污染物种类、高污染浓度、多污染场地的特性。此外我国固体废弃物种类多、产量大。2018年，我国固体废弃物堆存量超600亿吨，占地超200万公顷。固体废弃物堆存会产生大量渗滤液和有害气体，渗滤液中富含铅、锌、铬、镉、镁、镍、锰等重金属以及cod、氨氮、总磷等有机物。这些工业污染场地高浓度复合污染物以及固体废物填埋场富含复合污染物的渗滤液会导致土壤累积大量污染物，产生刺激性有毒气体，污染地下水，最后渗透扩散至周围干净水源，如江河湖海，严重影响环境以及动物健康。
3.为保护地下水资源和周边土壤不会遭受污染场地的影响，在《土壤污染防治行动计划》和《土壤污染防治法》确定的污染场地防治指导思路中，将风险管控列为重要的处治原则之一，而竖向阻隔技术是一种常用、有效、低成本的污染场地综合处治和风险管控的技术手段。
4.我国竖向隔离技术发源于垃圾填埋场建设中，杭州天子岭一期、苏州七子山一期、南昌麦园、上海老港四期、泰州罡杨、唐山中心区等大型填埋场均应用了竖向阻隔屏障技术避免了填埋场渗滤液渗漏污染地下水。
5.目前国际上和国内环保领域的竖向阻隔屏障主要包括以下几类：土-膨润土阻隔屏障；水泥-膨润土系阻隔屏障；土-水泥-膨润土系阻隔屏障；土工膜-膨润土复合阻隔屏障；土工膜-水泥-膨润土系复合竖向阻隔屏障；膨润土防水毯系阻隔屏障。这些阻隔屏障存在一定弊端：膨润土在清洁水作用下具有良好的防渗性。而现存的污染地下水污染浓度较高且存在大量重金属与有机物复合污染，当膨润土受高浓度污染物作用时，膨润土失水收缩，膨胀性能降低，导致土体孔隙尺寸增大、数量增多，导致土-膨润土竖向阻隔屏障的渗透系数显著增大，阻滞污染物运移的性能明显降低。渗透系数大幅增加将无法满足《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》和《工业污染场地竖向阻隔技术规范》提出的防渗阻隔要求，使得阻隔屏障失效。
6.水平阻隔系统中起防渗作用的材料主要为土工合成黏土衬垫(gcl)和压实黏土衬垫(ccl)。土工合成黏土衬垫中膨润土作为主要原料之一，在高浓度重金属/有机物作用下会导致其渗透系数显著增大，影响其防渗性能；而压实黏土衬垫原料仅为黏土，其对重金属/有机物吸附效果一般，其渗透系数一般仅要求小于1
×
10-7
cm/s，容易引起污染物下渗。
7.因此，针对上述竖向阻隔屏障、水平阻隔系统或土工合成黏土衬垫中存在的弊端，研发针对高浓度复合污染物的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料具有重要的意义。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是提供一种复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料及其制备方法与应用，可以实现：(1)该防渗阻隔材料具备较好的化学相容性，在高浓度(20-500mmol/l)的重金属和有机复合污染溶液的侵蚀下，相较传统阻隔材料防渗性能增加100倍，满足阻隔要求；(2)主体材料均属于绿色和低碳材料，降低阻隔屏障材料在生产过程中对于环境的污染与能耗。
9.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：
10.一种复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，包括以下按质量分数计的组分：钠化改性膨润土80-95％，聚阴离子纤维素(pac)0.5％-15％，羟丙基甲基纤维素(hpmc)0.7％-2.5％；所述聚阴离子纤维素(pac)与羟丙基甲基纤维素(hpmc)即为复配聚合物。
11.作为改进的是，所述聚阴离子纤维素(pac)是由天然纤维素经化学改性而制得的水溶性纤维素醚，分子量为10
4-106；所述羟丙基甲基纤维素(hpmc)属于非离子型纤维素混合醚中的一种，100目标准筛通过率大于99％，分子量为10
4-106。
12.作为改进的是，所述钠化改性膨润土属于高液限蒙脱石族黏土，以蒙脱石矿物为主的铝硅酸盐矿物，粒径小于200目，液限大于220％，自由膨胀率大于16ml/2g。
13.上述复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料的制备方法，包括以下步骤：
14.将钠化改性膨润土、聚阴离子纤维素、羟丙基甲基纤维素按照质量比82.9:15:2.1-94.4：4.9：0.7加入干粉搅拌机中以14-38r/min的速度搅拌10-60min，制得复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料。
15.上述复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料在竖向阻隔屏障、水平阻隔系统或土工合成黏土衬垫中的应用，所述竖向阻隔屏障、水平阻隔系统或土工合成黏土衬垫可用于阻隔浓度为20-500mmol/l的复合污染物。
16.作为改进的是，所述竖向阻隔屏障应用通过开挖回填、多轴深层搅拌、高压旋喷、渠式切割深层搅拌(trd)、或双轮铣深层搅拌(csm)进行。
17.作为改进的是，所述竖向阻隔屏障包括土-膨润土竖向阻隔屏障、土-水泥-膨润土系竖向阻隔屏障、水泥-膨润土系竖向阻隔屏障、土工膜-膨润土复合竖向阻隔屏障，土工膜-水泥-膨润土系复合竖向阻隔屏障，或膨润土防水毯竖向阻隔屏障。
18.本发明一种针对高浓度复合污染物的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，具备针对高浓度(20-500mmol/l)的重金属和有机复合污染物作用下，保持极低渗透系数与较好化学相容性的特性，本发明相较传统阻隔材料渗透系数可降低100倍，保证竖向阻隔屏障与水平阻隔系统的长期防渗阻滞性能，阻隔屏障或系统击穿时间大幅度增加，极大提高服役年限。
19.当复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料在土工合成黏土衬垫中的应用，具体步骤如下：按照由下而上的顺序，依次为编织布层、复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料层、无纺布层，采用针刺法制成厚度为7～10mm、宽度为5m的复配聚合物改性膨润土合成黏土衬垫，所述复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料的表面密度大于4.6kg/m2。
20.当复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料在水平阻隔系统中的应用，具体包括如下步骤：
21.步骤1，将复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料倒入搅拌机中，按复配聚合物改性
膨润土的质量分数不大于10％的比例添加已烘干且研磨过的黏土，拌和均匀，其中含水率控制为较黏土的最优含水率大1％～4％(即w
op
+1％≤w≤w
op
+4％)，拌和时间不小于5分钟；
22.步骤2，根据前期污染场地勘察资料平整场地，在待治理的城市工业重金属污染场地的底部铺设起防渗层的作用的压实黏土层，所述压实黏土层总厚度为60cm，按照每20cm的厚度共分成3层铺设，每层需用压路机或重型击实夯将混有复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料的黏土夯实，控制压实黏土层的压实度大于90％，单日施工完成后应在压实黏土层上方放置遮盖物以防止水分散失；
23.步骤3，压实黏土层施工完成后，清理地面，保证地面平整，在压实黏土层上方铺设经复配聚合物改性后的土工合成黏土衬垫，相邻土工合成黏土衬垫搭接处用复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料配置搭接膏，上层衬垫搭接处搭接膏的土水比(即复配聚合物改性膨润土材料和水的质量比)为1:6，下层为1:9，配置时用电动搅拌器搅拌均匀，搭接宽度为300mm，厚度为10-20mm；
24.步骤4，在复配聚合物改性后的土工合成黏土衬垫的上方依次铺设厚度为2mm的hdpe土工膜和30cm厚的保护层，所述hdpe土工膜采用焊接法铺设，且搭接宽度大于100mm，所述保护层为砂层。
25.同时，本发明一种针对高浓度复合污染物的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料可通过开挖回填、多轴深层搅拌、高压旋喷、渠式切割深层搅拌(trd)、双轮铣深层搅拌(csm)等工法，应用于竖向阻隔屏障。适用工法多，还可应用于大多数复杂污染场地。
26.其中，针对高浓度复合污染物复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料通过开挖回填工法应用于竖向阻隔屏障，具体包括以下步骤：
27.步骤1)根据前期勘察报告结果，在待治理的城市重金属工业污染场地、有机物工业污染场地、复合污染工业污染场地、生活垃圾填埋场周围平整场地；
28.步骤2)导墙施工：根据施工方案，对竖向阻隔屏障位置进行定位后，在相应位置开挖导墙，导墙应采用现浇混凝土结构，混凝土强度等级不应低于c20，厚度不应小于200mm；导墙顶面应高于地面100mm，高于地下水位0.5m以上，导墙底部应进入原位土200mm以上，且导墙高度不应小于1.2m；导墙外侧应用粘性土填实，导墙内侧墙面应垂直，其净距应比地下水连续墙设计厚度加宽40mm；导墙混凝土应对称浇筑，达到设计强度的70％后方可拆模，拆模后的导墙应加设对撑等。
29.步骤3)开挖沟槽至不透水层或弱透水层，沟槽内进行膨润土泥浆护壁；所用膨润土泥浆需充分水化，钠化改性膨润土泥浆为钠化改性膨润土与水按照质量比1:10混合而成的泥浆；
30.步骤4)回填料制备：所用开挖出的原位土应剔除砾砂、碎石土及建筑垃圾等杂物，将复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料按质量分数为8％-15％，与原位土在搅拌池内均匀拌合，拌合过程中加入适量自来水，控制含水率制成复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料竖向阻隔屏障回填料，所述复配聚合物改性膨润土竖向阻隔屏障回填料的含水率为所述回填料在坍落度中值即125mm下对应的含水率，
31.步骤5)将制备完的复配聚合物改性膨润土竖向阻隔屏障回填料回填至沟槽中，完成竖向阻隔屏障施工。
32.针对高浓度复合污染物复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料通过多轴深层搅拌、
高压旋喷、渠式切割深层搅拌(trd)、双轮铣深层搅拌(csm)工法应用于竖向阻隔屏障，具体包括以下步骤：
33.步骤1)根据前期勘察报告结果，在待治理的城市重金属工业污染场地、有机物工业污染场地、复合污染工业污染场地、生活垃圾填埋场周围平整场地；
34.步骤2)开挖导槽：根据施工方案，对竖向阻隔屏障位置进行定位后，在相应位置开挖导槽，导槽宽应大于1米，高度大于1米，且应保证侧壁不坍塌；
35.步骤3)复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料浆液制备：将制备完成的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料按水灰比2-3，与自来水在搅拌池内均匀搅拌；
36.步骤4)将制备完的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料浆液加压后泵送至深层搅拌机械，按照“四搅两喷”或“六搅三喷”工艺施工，完成竖向阻隔屏障施工。
37.有益效果：
38.与现有技术相比，本发明一种复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料及其制备方法和应用，具有许多技术优势：
39.1、本发明通过复配聚合物聚阴离子纤维素(pac)、羟丙基甲基纤维素(hpmc)按照权利要求1所述质量分数对钠化改性膨润土进行改性，复配聚合物产生的水凝胶与膨润土颗粒相连，对分散颗粒产生粘结作用；此外还可以使膨润土形成明显的三维空间交联网络结构，另外，聚合物产生的水凝胶占据了膨润土或者阻隔屏障回填料大部分空隙，起到了封堵空隙的作用；
40.2、本发明通过复配聚合物聚阴离子纤维素(pac)、羟丙基甲基纤维素(hpmc)按照权利要求1所述质量分数对钠化改性膨润土进行改性，复配聚合物共同作用下，使膨润土颗粒更小、更细，同时复配聚合物使得膨润土的zeta电位更负；
41.3、本发明通过复配聚合物聚阴离子纤维素(pac)、羟丙基甲基纤维素(hpmc)按照权利要求1所述质量分数对钠化改性膨润土进行改性，在高浓度污染物攻击下，聚阴离子纤维素(pac)中的羧基以及羟丙基甲基纤维素(hpmc)中的羟基与重金属发生螯合作用，对重金属产生吸附。此外高浓度污染物与复配聚合物接触后，聚合物蜷曲包裹污染物，从而保护膨润土，达到极高防渗阻滞性能；
42.4、本发明通过复配聚合物聚阴离子纤维素(pac)、羟丙基甲基纤维素(hpmc)按照权利要求1所述质量分数对钠化改性膨润土进行改性，在复配聚合物作用下，部分膨润土团聚体层间被剥离，黏粒尺寸变小，比表面积增大，防渗性能提高；
43.5、本发明通过复配聚合物聚阴离子纤维素(pac)、羟丙基甲基纤维素(hpmc)按照权利要求1所述质量分数对钠化改性膨润土进行改性，其中复配聚合物聚阴离子纤维素(pac)、羟丙基甲基纤维素(hpmc)都属于无毒无害的绿色材料，而且复配聚合物常用于食品添加剂。
44.6、本发明一种针对高浓度复合污染物复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，制备工艺简单，适用工艺较广，可用于竖向阻隔屏障回填料，提高其防渗性能、吸附性能和阻滞运移性能。该复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料与黏土混合可作为水平阻隔系统中的压实黏土层，提高其防渗性能，防止污染物下渗；该复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料可以作为土工合成黏土衬垫的原料，提高其防渗性能和阻滞运移性能。
具体实施方式
45.下面结合具体实例对本发明进行详细说明。
46.在竖向阻隔屏障原位土中，砂是渗透系数最大，防渗效果最差的材料，所以本试验选择砂作为原位土，来验证本发明在极端最不利情况下的防渗截污性能。
47.以下所用材料中砂土取自南京长江江滩地区，商用钠化改性膨润土产自镇江市牧丰矿产品加工厂，聚阴离子纤维素(pac)与羟丙基甲基纤维素(hpmc)均产自湖南普捷贸易有限公司。
48.实施例1
49.一种针对高浓度复合污染物复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料通过开挖回填工法应用于竖向阻隔屏障回填料。
50.其中复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，包括以下按质量分数计的组分：钠化改性膨润土94.4％，聚阴离子纤维素(pac)4.9％，羟丙基甲基纤维素(hpmc)0.7％。此外复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料与原位砂土的质量比为5.3:44.7。
51.制备工艺包括以下步骤：
52.步骤1)将钠化改性膨润土、聚阴离子纤维素、羟丙基甲基纤维素按照质量比94.4：4.9:0.7加入干粉搅拌机中搅拌30min，制得复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料；其中干粉搅拌机转速为30r/min；
53.步骤2)将复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料按照上述配比与砂土、自来水进行拌和，并控制回填料的塌落度为125mm，制得复配聚合物改性膨润土/砂回填料。
54.实施例2
55.一种针对高浓度复合污染物复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料通过开挖回填工法应用于竖向阻隔屏障回填料。
56.其中复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，包括以下按质量分数计的组分：钠化改性膨润土89.2％，聚阴离子纤维素(pac)9.4％，羟丙基甲基纤维素(hpmc)1.4％。此外复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料与原位砂土的质量比为1.4:11.1。
57.制备工艺包括以下步骤：
58.步骤1)将钠化改性膨润土、聚阴离子纤维素、羟丙基甲基纤维素按照质量比89.2：9.4:1.4加入干粉搅拌机中搅拌30min，制得复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料；其中干粉搅拌机转速为30r/min；
59.步骤2)将复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料按照上述配比与砂土、自来水进行拌和，并控制回填料的塌落度为125mm，制得复配聚合物改性膨润土/砂回填料。
60.实施例3
61.一种针对高浓度复合污染物复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料通过开挖回填工法应用于竖向阻隔屏障回填料，
62.其中复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，包括以下按质量分数计的组分：钠化改性膨润土83.2％，聚阴离子纤维素(pac)14.7％，羟丙基甲基纤维素(hpmc)2.1％。此外复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料与原位砂土的质量比为3:22。
63.制备工艺包括以下步骤：
64.步骤1)将钠化改性膨润土、聚阴离子纤维素、羟丙基甲基纤维素按照质量比83.2：
14.7:2.1加入干粉搅拌机中搅拌30min，制得复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料；其中干粉搅拌机转速为30r/min；
65.步骤4)将复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料按照上述配比与砂土、自来水进行拌和，并控制回填料的塌落度为125mm，制得复配聚合物改性膨润土/砂回填料。
66.对照例
67.为对比传统未改性膨润土材料和本发明的针对高浓度复合污染物复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料的各项指标，更明确地显示出本发明的优点，故设立传统砂/膨润土回填料的对照案例，将未改性膨润土与砂土按照质量配比1:10进行拌和，期间加入自来水，并控制回填料的塌落度为125mm，制得传统膨润土/砂回填料。
68.试验测试
69.对实施例1-3中的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料以及对照例传统膨润土材料分别进行下述试验，其中使用相同的镇江市牧丰膨润土原材料，其具体物理性质指标见表1：
70.试验1)自由膨胀试验，参照astm d 5890；试验结果见表2；
71.试验2)改进滤失试验，试验标准参照国家标准(gbt29170-2012)，本试验采用20mmol/l高浓度cacl2溶液模拟盐溶液、重金属盐溶液环境，溶液通过去离子水制备。该污染液作用下的改进滤失试验结果见表3；
72.表1膨润土物理性质指标
[0073][0074]
表2自由膨胀试验结果
[0075][0076]
表3改进滤失试验结果
[0077][0078]
在竖向阻隔屏障原位土中，砂是渗透系数最大，防渗效果最差的材料，所以本试验选择砂作为回填料，来验证本发明在极端最不利情况下的防渗截污性能。所以对实例1-3中的复配聚合物改性膨润土/砂回填料以及对照例传统未改性膨润土/砂回填料分别进行柔性壁渗透试验，其中使用相同的镇江牧丰膨润土、南京长江江滩砂原材料，其中砂的具体物理性化学特性见表4：
[0079]
试验1)柔性壁渗透试验，试验参照astm d5084，本试验采用生活垃圾填埋场渗滤液，稀释50倍作为复合污染溶液。原垃圾填埋场渗滤液化学组分见表5。垃圾填埋场渗滤液作用下柔性壁渗透试验结果见表6；此外使用40mmol/l高浓度有机酸：乙酸及草酸溶液模拟填埋场渗滤液中cod，有机酸污染液作用下的柔性壁渗透试验结果见表7；
[0080]
表4砂的基本物理化学特性
[0081][0082]
表5垃圾填埋场渗滤液化学组分
[0083]
[0084][0085]
表6填埋场渗滤液作用下柔性壁渗透试验结果
[0086][0087]
表7有机酸污染物作用下柔性壁渗透试验结果
[0088][0089]
由以上各种试验的结果可以证明，相较于传统的未改性竖向阻隔材料，本发明的针对高浓度复合污染物的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，制备方法简单、应用范围较广，而且具备极好的阻隔高浓度的重金属、有机物或复合污染物的特性。
[0090]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，其特征在于，包括以下按质量分数计的组分：钠化改性膨润土80-95%，聚阴离子纤维素0.5%-15%，羟丙基甲基纤维素0.7%-2.5%；所述聚阴离子纤维素与羟丙基甲基纤维素即为复配聚合物。2.根据权利要求1所述的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，其特征在于：所述聚阴离子纤维素是由天然纤维素经化学改性而制得的水溶性纤维素醚，分子量为10
4-106；所述羟丙基甲基纤维素属于非离子型纤维素混合醚中的一种，100目标准筛通过率大于99%，分子量为10
4-106。3.根据权利要求1所述的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料，其特征在于：所述钠化改性膨润土属于高液限蒙脱石族黏土，以蒙脱石矿物为主的铝硅酸盐矿物，粒径小于200目，液限大于220%，自由膨胀率大于16 ml/2g。4.基于权利要求1所述的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将钠化改性膨润土、聚阴离子纤维素、羟丙基甲基纤维素按照质量比82.9:15:2.1-94.4：4.9：0.7加入干粉搅拌机中以14-38r/min的速度搅拌10-60min，制得复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料。5.基于权利要求1或权利要求4制备的复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料在竖向阻隔屏障、水平阻隔系统或土工合成黏土衬垫上的应用，其特征在于，所述竖向阻隔屏障、水平阻隔系统或土工合成黏土衬垫可用于阻隔浓度为20-500mmol/l的复合污染物。6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述竖向阻隔屏障应用通过开挖回填、多轴深层搅拌、高压旋喷、渠式切割深层搅拌、或双轮铣深层搅拌进行。7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述竖向阻隔屏障包括土-膨润土竖向阻隔屏障、土-水泥-膨润土系竖向阻隔屏障、水泥-膨润土系竖向阻隔屏障、土工膜-膨润土复合竖向阻隔屏障，土工膜-水泥-膨润土系复合竖向阻隔屏障，或膨润土防水毯系竖向阻隔屏障。

技术总结
一种复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料及其制备方法与应用。该复配聚合物改性膨润土防渗阻隔材料包括以下按质量分数计的组分：钠化改性膨润土80-95%，聚阴离子纤维素0.5%-15%，羟丙基甲基纤维素0.7%-2.5%；所述聚阴离子纤维素与羟丙基甲基纤维素即为复配聚合物。针对20-500mmol/L的重金属、有机物或复合污染溶液仍能保持极低渗透系数，相较传统阻隔材料渗透系数能降低100倍；可用于重金属工业污染场地、有机物工业污染场地、生活垃圾填埋场等竖向阻隔屏障、水平阻隔系统或土工合成黏土衬垫，极大提高复合污染土壤与地下水作用下阻隔系统或屏障的防渗截污性能。系统或屏障的防渗截污性能。


技术研发人员：王敏 杜延军 傅贤雷 姜哲元 杨光煜
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2021.11.11
技术公布日：2022/3/8