苯酚在Soil-Bentonite Slurry walls中的傳輸研究

呂淑清，宋 亮 ，馬友良，劉 宵，田雙超

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林中油石化企業(yè) 調(diào)整管理中心，吉林 吉林 132022)

苯酚在Soil-Bentonite Slurry walls中的傳輸研究

呂淑清1，宋 亮1，馬友良2，劉 宵1，田雙超1

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林中油石化企業(yè) 調(diào)整管理中心，吉林 吉林 132022)

實(shí)驗(yàn)室研究了SB(Soil Bentonite)材料對(duì)苯酚的阻截性能，以及無(wú)機(jī)離子對(duì)苯酚在SB Slurry wall 中傳輸?shù)挠绊憽?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，苯酚在SB Slurry wall材料中的滲透速度與水在材料中的滲透的速度相同。無(wú)機(jī)離子的加入，改變了墻體材料的滲透系數(shù)，使得苯酚在墻體材料中的遷移速度加快。遷移速度變化與無(wú)機(jī)離子的加入量有關(guān)，加入量越大，苯酚在墻體中的遷移速度越快。

滲透;吸附;土壤;膨潤(rùn)土;苯酚

為防止工廠產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生污染，不少國(guó)家已廣泛采用Slurry Wall工程技術(shù)，即在填埋場(chǎng)或污染源周圍設(shè)置人工屏障(Barrier System)來(lái)阻止有害物質(zhì)的遷移[1]。美國(guó)以SB(Soil Bentonite)為主要材料，而在歐洲大多采用CB(Cement-Bentonite)作為屏障材料[2]。目前研究的對(duì)象主要針對(duì)的污染物質(zhì)有重金屬離子和有機(jī)污染物質(zhì)。多數(shù)研究集中在改性劑對(duì)污染物質(zhì)的吸附性能[3-4]，而研究污染物質(zhì)與墻體的相互作用，污染物質(zhì)在墻體中的分布，穿透方式和模型研究較少。

SB(Soil Bentonite)作為屏障材料，由于其價(jià)格低廉，取材方便等在美國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)污染場(chǎng)地的污染物質(zhì)為有機(jī)物染物，這些物質(zhì)會(huì)隨地下水流動(dòng)，使污染范圍會(huì)不斷擴(kuò)大。利用土壤-膨潤(rùn)土水力傳導(dǎo)系數(shù)低、吸附性能強(qiáng)的特性，阻截或吸附水中的有機(jī)污染物質(zhì)，可使其擴(kuò)散的速度得到控制，但由于金屬離子的存在會(huì)對(duì)其滲透系數(shù)的影響[5]，會(huì)改變墻體的阻截特性[6-7]，降低使用壽命。因此研究無(wú)機(jī)鹽類對(duì)有機(jī)污染物質(zhì)在墻體材料中的遷移機(jī)理及過(guò)程，對(duì)于有機(jī)污染場(chǎng)地控制的墻體設(shè)計(jì)具有重要意義。

苯酚是焦化、煉油、造紙、塑料、農(nóng)藥等行業(yè)的生產(chǎn)原料或中間體。這些工業(yè)生產(chǎn)廠如鋼鐵焦化廠、石油化工廠、農(nóng)藥廠和電鍍廠等均排出含苯酚廢水。含酚廢水是一種來(lái)源廣泛而危害嚴(yán)重的污染物[8-10]，本文實(shí)驗(yàn)研究利用SB屏障材料對(duì)苯酚污染場(chǎng)地進(jìn)行阻截模擬，以得出對(duì)苯酚污染場(chǎng)地的控制具有重要意義的結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)材料儀器和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用土壤膨潤(rùn)土：Soil-Bentonite配制時(shí)先將膨潤(rùn)土水化24小時(shí)。取56 g膨潤(rùn)土用400 g水水化，然后取57 g水化后的膨潤(rùn)土，然后加入如表1所示的不同粒徑的各種顆粒，攪拌均勻，待用。

表1 Soil-Bentonite的成分

實(shí)驗(yàn)試劑濃度：金屬離子溶液KCl，CaCl2，F(xiàn)eCl3，F(xiàn)e2(SO4)2濃度均為10 mmol/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)儀器：752紫外可見分光光度計(jì)；TST-55型土工滲透儀；HJ-4型恒溫電磁攪拌器；GUOHUA80-2離心分離機(jī)；容量分析玻璃儀器；自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，40 cm×20 cm×20 cm箱體。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)材料對(duì)苯酚的吸附實(shí)驗(yàn)：稱取10.71 g土壤-膨潤(rùn)土材料5份，置于5個(gè)100 ml的三角燒瓶中；加入100 ml不同濃度的苯酚溶液(2 g/L、4 g/L、6 g/L、8 g/L、10 g/L)；置于恒溫電磁攪拌器上，調(diào)節(jié)溫度為20 ℃，攪拌；待攪拌均勻后，用膠帶封閉燒瓶上口；每天都進(jìn)行一次定時(shí)20分鐘攪拌，12天后測(cè)定苯酚濃度。取上清液放入離心分離機(jī)中進(jìn)行離心分離(轉(zhuǎn)速4 000 r/min)，過(guò)濾上清液，利用752紫外分光光度計(jì)測(cè)量溶液中苯酚濃度。土壤-膨潤(rùn)土對(duì)苯酚的單位吸附量s按式(1)計(jì)算。

s=(c0-ct)×V/m，

(1)

式中：s為土壤-膨潤(rùn)土單位吸附量，mg/g；c0為苯酚的初始濃度，mg/L；ct為任意時(shí)刻t時(shí)溶液中苯酚濃度，mg/L；V為溶液體積，L；m為土壤-膨潤(rùn)土質(zhì)量，g。

(2)苯酚在SB材料中的滲透系數(shù)測(cè)定：將配制好的土壤-膨潤(rùn)土放入3套變水頭滲透儀的環(huán)刀中，裝配好滲透系統(tǒng)；在滲透系統(tǒng)的計(jì)量管中，加入蒸餾水，待到滲透穩(wěn)定后，測(cè)定蒸餾水在土壤-膨潤(rùn)土中的滲透系數(shù)，連續(xù)測(cè)量6次；測(cè)定完成后，更換計(jì)量管中的溶液為2 g/L、5 g/L、8 g/L的苯酚溶液，測(cè)定其在土壤-膨潤(rùn)土中的滲透系數(shù)，按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：k為滲透系數(shù)，cm/s；a為計(jì)量管面積，cm2；L為環(huán)刀厚度，cm；A為環(huán)刀面積，cm2；t2為滲透結(jié)束時(shí)間，s；t1為滲透開始時(shí)間，s；h1滲透開始讀數(shù)，cm；h2滲透結(jié)束讀數(shù)，cm。

(3)苯酚在SB材料中的穿透性能：依照滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)的操作方法，在滲透系統(tǒng)的計(jì)量管中加入苯酚溶液后，在測(cè)定滲透系數(shù)的同時(shí)，定時(shí)收集滲透系統(tǒng)流出液；對(duì)流出液進(jìn)行離心分離，過(guò)濾后用紫外分光光度法測(cè)定流出液中苯酚濃度。

(4)苯酚在SB材料中傳輸分布實(shí)驗(yàn)：配制大量的土壤-膨潤(rùn)土材料并自然裝填，放入自制40 cm×20 cm×20 cm的箱體，為保證裝填均勻性，對(duì)箱體稍做震動(dòng)，在距離箱體邊緣5 cm處的泥漿里插入一短節(jié)DE50塑料管，在塑料管上端加入石英砂，壓入到塑料管下端，保持壓力，然后緩慢地將塑料管從材料中抽出。慢慢地將配制好的5g/L苯酚溶液(加入金屬離子溶液)倒入石英砂里，直到與石英砂平齊。將箱體上部用塑料紙覆蓋，放置7天，然后進(jìn)行取樣測(cè)試。取樣點(diǎn)距離石英砂外端3 cm，6 cm和9 cm處，用小勺先刮去一小薄層上部土壤-膨潤(rùn)土材料，取1 g左右泥漿樣品(計(jì)算時(shí)折算成1 g)放入到燒杯里，加入少量蒸餾水進(jìn)行清洗樣品，離心分離后倒入到1 L容量瓶中，反復(fù)操作清洗5次，定容到1 L后測(cè)試其中苯酚含量。取樣周期為7天，總共測(cè)試7次。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤-膨潤(rùn)土材料對(duì)苯酚吸附性能

根據(jù)1.3中實(shí)驗(yàn)步驟考察土壤-膨潤(rùn)土材料對(duì)不同濃度苯酚溶液的吸附性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 土壤-膨潤(rùn)土對(duì)不同初始濃度苯酚吸附性能

圖1為不同苯酚濃度情況下土壤-膨潤(rùn)土對(duì)苯酚吸附的效果。隨著初始濃度的增加，土壤-膨潤(rùn)土的吸附量也隨之增加；但苯酚濃度過(guò)大時(shí)，吸附量不在增大。分析原因主要是受溶液中苯酚的數(shù)量和土壤-膨潤(rùn)土表面吸附位點(diǎn)兩個(gè)因素的影響。開始階段隨著溶液中苯酚濃度的增加，苯酚與土壤-膨潤(rùn)土表面吸附位點(diǎn)的碰撞幾率上升，使得吸附量快速增大；隨著濃度的增大，溶液中苯酚的數(shù)量逐漸大于土壤-膨潤(rùn)土的吸附點(diǎn)位，隨后吸附量不再增加；當(dāng)苯酚的濃度超過(guò)6 g/L時(shí)，吸附量隨著濃度的增加減少，說(shuō)明過(guò)量的苯酚并不增加吸附的數(shù)量。

由此可見，土壤-膨潤(rùn)土材料對(duì)苯酚的吸附量非常小，吸附率很低，這與Khandelwal，A[11]，Mott，Henry V[3，12]等的研究結(jié)果一致。

將土壤-膨潤(rùn)土對(duì)苯酚的吸附量和初始濃度之間的關(guān)系進(jìn)行Langmuir 、Freundlich等溫方程擬合，吸附等溫方程如式(3)、式(4)所示。

c/s=1/(kLB)+c/B，

(3)

lns=lnc/n+lnkF，

(4)

其中：s為平衡時(shí)被吸附的苯酚的單位質(zhì)量(mg/g)；B為吸附苯酚的最大吸附量(mg/g)；c為液相中苯酚濃度(mg/L)；kL為一定溫度下的Langmuir常數(shù)，與表面吸附強(qiáng)度有關(guān)；n、lnkF為Freundlich常數(shù)。

表2 苯酚在土壤-膨潤(rùn)土吸附等溫模型的擬合參數(shù)

由吸附模型參數(shù)(表2)可見，苯酚在土壤-膨潤(rùn)土中的吸附更符合Freundlich等溫吸附。

2.2 苯酚在土壤-膨潤(rùn)土材料中滲透系數(shù)研究

苯酚溶液在土壤-膨潤(rùn)土材料中滲透時(shí)，滲透系數(shù)大小基本與水在土壤-膨潤(rùn)土材料中的滲透系數(shù)接近，都在10-9cm/s左右。水在材料中的滲透系數(shù)為7.366×10-9cm/s，2 g/L的苯酚溶液在材料中的滲透系數(shù)為5.366×10-9cm/s，5 g/L時(shí)滲透系數(shù)為8.562 4×10-8cm/s，8 g/L時(shí)的滲透系數(shù)為8.965 4×10-9cm/s。實(shí)驗(yàn)中不同濃度的苯酚在材料中滲透時(shí)，其滲透系數(shù)不隨濃度變化，也不隨時(shí)間的變化而變化。由此可知，苯酚在土壤-膨潤(rùn)土材料中滲透時(shí)，雖然有吸附作用發(fā)生，但吸附量很小，屬于粘附作用，并且這種吸附不改變土壤-膨潤(rùn)土的孔隙特點(diǎn)，不改變凝膠體系的外邊特征，也不改變孔隙的聯(lián)通特性，導(dǎo)致其在材料中的滲透系數(shù)沒有發(fā)生變化。

圖2 苯酚在土壤-膨潤(rùn)土材料中的穿透

2.3 苯酚在土壤-膨潤(rùn)土材料中穿透行為研究

分別采用2 g/L、5 g/L和8 g/L的苯酚溶液，在滲透系數(shù)測(cè)定裝置中進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)定的同時(shí)收集流出液，測(cè)定流出液中的苯酚濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出苯酚在土壤-膨潤(rùn)土材料中傳輸時(shí)流出液的濃度隨時(shí)間慢慢增大，直到完全穿透。流出液中苯酚的濃度與流入的苯酚濃度有關(guān)。但在開始的100小時(shí)內(nèi)由于土壤-膨潤(rùn)土材料對(duì)苯酚的吸附以及苯酚溶液對(duì)材料中的游離水的置換，雖然流入濃度差別很大，但流出液濃度很??；之后隨著時(shí)間的增加，材料中的游離水置換逐漸結(jié)束，吸附也慢慢接近飽和，致使大部分苯酚溶質(zhì)隨著水溶液一起流動(dòng)并穿透泥漿墻；流出液濃度隨著時(shí)間的增加而增大，直至達(dá)到流入液濃度。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)流入液濃度越高，流出液濃度也越高。

圖3 苯酚在墻體材料中的濃度分布

2.4 苯酚在土壤-膨潤(rùn)土材料中傳輸時(shí)濃度分布

根據(jù)箱體實(shí)驗(yàn)步驟，在污染源位置加入5 g/L的苯酚，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的傳輸后，測(cè)得苯酚在土壤-膨潤(rùn)土材料中的濃度分布數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3中可以看出，在3 cm位置處苯酚濃度增加很快，7天時(shí)為0.402 8 mg/L，49天時(shí)為1.652 7 mg/L；由圖上的線性斜率可以看出這種濃度的增加速度很快，說(shuō)明在靠近污染源處，污染物質(zhì)濃度增大快。在6 cm位置處，苯酚濃度也隨著時(shí)間在不斷增大，但濃度增加的速度較慢。9 cm位置處苯酚的濃度也隨著時(shí)間在增大，但增加的速度明顯沒有3 cm和6 cm處快。

2.5 金屬離子的加入強(qiáng)度對(duì)苯酚在土壤-膨潤(rùn)土材料中傳輸?shù)挠绊?/p>

取200 ml配制好的苯酚溶液，分別置于3個(gè)燒杯中，編號(hào)為#1，#2，#3，在#1中不加金屬離子，在#2、#3中分別加入分別10 ml、20 ml由 KCl，CaCl2，F(xiàn)eCl3，F(xiàn)e2(SO4)2配制的混合溶液，混合溶液中K+、Ca2+、Fe3+、Cl-、SO42-濃度分別為2.5 mmol/L、2.5 mmol/L、7.5 mmol/L、15 mmol/L、7.5 mmol/L。苯酚加入混合液在墻體中經(jīng)過(guò)49天傳輸后，測(cè)定苯酚濃度，討論金屬離子的加入量(0 ml，10 ml，20 ml)對(duì)苯酚在墻體材料中各位置處傳輸濃度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 離子加入量對(duì)苯酚在土-膨潤(rùn)土材料中傳輸?shù)挠绊?/p>

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4(a)所示，在3 cm位置處，隨著時(shí)間的增加，離子加入量會(huì)導(dǎo)致苯酚在墻體中該位置處的傳輸量增大，從圖上看離子加入量越大，這種影響也越大。圖4(b)在6 cm位置處，離子加入量為10 ml時(shí)，該位置處苯酚濃度隨著時(shí)間變化最大，說(shuō)明不是離子的加入量越大，對(duì)苯酚的傳輸影響越大，而存在最大值。由圖4(c)可以看出，在9 cm位置處，由于距離污染源的位置較遠(yuǎn)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，溶液中的離子和苯酚只有少量擴(kuò)散到了該位置，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的改變不明顯。

由此可以得出金屬離子的加入會(huì)影響阻截墻體的滲透系數(shù)，增加苯酚在墻體材料中的傳輸速度，從而降低墻體材料的對(duì)污染物苯酚的阻截效率；在污染場(chǎng)地控制時(shí)要盡量減少金屬離子的含量，避免墻體被快速穿透。

3 結(jié) 論

(1)墻體材料對(duì)苯酚的吸附量較低，吸附過(guò)程符合Freundlich等溫吸附模型。

(2)苯酚在墻體材料中滲透時(shí)，滲透速度與水相同。苯酚穿透墻體材料時(shí)，其流出曲線與濃度大小有關(guān)。

(3)苯酚在墻體材料中的分布，與其傳輸距離有關(guān)，距離越大濃度越小。

(4)金屬離子會(huì)影響墻體的滲透系數(shù)，增加苯酚在墻體材料中的傳輸速度。

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Abstract：Laboratory study was conducted on SB material blocking properties for phenol，and the influence of inorganic ions on the migration of phenol in SB Slurry walls.experimental results show that permeability coefficients of phenol in the walls materials remain unchanged and are the same as water.The addition of inorganic ions changes the permeability of wall materials，speeds up migration of phenol in wall materials.The change of migration velocity of phenol depends on the addition amount of inorganic ions，adding more，migration velocity of phenol will faster.The more the addition amount is，the higher the speed of migration of phenol in wall materials is.

Keywords：Permeability;Adsorption;Soil;Bentonite;Phenol

ResearchonTheTransmissionofPhenolinSoil-BentoniteSlurryWalls

LvShuqing1，SongLiang1，MaYouliang2，LiuXiao1，TianShuangchao1

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.CPC Jilin Petrochemical Enterprises，The Adjust Management Center，Jilin Jilin 132022)

X53

A

2017-05-12

呂淑清(1975-)，男，博士，副教授，主要研究方向：工業(yè)水處理.

電子郵箱：23423116@qq.com(呂淑清)；513588090qq.com(宋亮)；YL-ma@126.com(馬友良)；462067856(劉宵)；2238592818@qq.com(田雙超)

1005-2992(2017)05-0056-05