樹脂吸附法治理蘭州新區(qū)灰土次生鹽漬化試驗研究

楊映東，高 萍，田小朋，孔德政，馮炳超

（甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

自 2012 年以來，蘭州新區(qū)中川機(jī)場、蘭石廠、蘭州新區(qū)舟曲中學(xué)等場地室內(nèi)及室外地坪、散水出現(xiàn)了較嚴(yán)重的膨脹鼓起現(xiàn)象，最大膨脹量超過了 20 cm。膨脹造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，如舟曲中學(xué)治理室外膨脹的費(fèi)用約 3 600 萬，中川機(jī)場 T2 航站樓膨脹治理費(fèi)用超過了 1 200 萬，蘭州新區(qū)某道路灰土路基膨脹造成的損失超過了 3 000 萬，類似的病害在蘭州新區(qū)越來越多。為了找到膨脹機(jī)理及治理的方法，課題組于 2017 年 1 月至 2020 年 10 月對蘭州新區(qū)灰土膨脹病害的機(jī)理進(jìn)行了調(diào)查與試驗研究，發(fā)現(xiàn)了次生鹽漬化的機(jī)理，并通過研究找到了若干種治理方法，本文重點介紹吸附樹脂法治理土壤中硫酸根離子的效果。

1 蘭州新區(qū)灰土膨脹病害調(diào)查簡介

根據(jù)調(diào)查，在蘭州新區(qū)發(fā)生膨脹的灰土有以下特點。

1）蘭州新區(qū)的原土未發(fā)現(xiàn)膨脹病害。

2）出現(xiàn)的膨脹病害均發(fā)生在灰土墊層散水、灰土墊層室外地面、灰土墊層室內(nèi)廠房地面、灰土墊層路基、灰土墊層的設(shè)備基礎(chǔ)下。對膨脹灰土取樣檢測易溶鹽發(fā)現(xiàn)灰土已全部鹽漬化，膨脹的灰土中含鹽量較原土出現(xiàn)大幅增長，西寧也發(fā)現(xiàn)過類似的灰土膨脹病害［1］。

3）蘭石廠一廠房室內(nèi)地坪、蘭州中川機(jī)場 T2 航站樓內(nèi)地坪、某廠一室內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)（埋深在大氣影響深度以下）發(fā)生了膨脹，室內(nèi)地坪不受凍害影響，設(shè)備基礎(chǔ)在大氣影響深度以下也在室內(nèi)不受凍害，說明蘭州新區(qū)的灰土在無凍脹環(huán)境和大氣影響深度以下仍有膨脹發(fā)生，故凍脹、大氣影響不是主要膨脹因素。

2 吸附樹脂治理易溶鹽離子試驗

2.1 吸附樹脂分類及性質(zhì)簡介

吸附樹脂是以吸附為特點，具有多孔立體結(jié)構(gòu)的吸附劑，廣泛用于凈化水及廢水處理等。吸附樹脂分為陽離子樹脂和陰離子樹脂，陽離子樹脂又分為強(qiáng)酸性和弱酸性，陰離子樹脂又分為強(qiáng)堿性和弱堿性。各類樹脂交換條件及性質(zhì)如表 1 所示。當(dāng)樹脂中的離子變換時，如陽離子樹脂將 H+轉(zhuǎn)為 Na+，陰離子樹脂將 Cl-轉(zhuǎn)為 OH-，都會因離子直徑增大而發(fā)生體積膨脹（見表 1）。

表1 樹脂分類及性質(zhì)

2.2 樹脂吸附順序

離子交換樹脂對溶液中不同離子的吸附有選擇性。忽略樹脂的差異，各離子受樹脂交換吸附作用的強(qiáng)弱程度規(guī)律如下。

1）樹脂對陽離子的吸附與土壤膠體對陽離子的吸附順序基本相同，高價離子吸附力強(qiáng)，常被優(yōu)先吸附，而低價離子的吸附較弱，可被高價離子交換。同價離子直徑較大的離子與樹脂的吸附性較強(qiáng)。陽離子與樹脂吸附能力順序如下［2］：Fe3+＞Al3+＞Pb2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞H+。

針對樹脂以上吸附離子的特性，可以選擇適宜的樹脂來治理土壤中的離子。蘭州新區(qū)灰土膨脹治理的關(guān)鍵是治理 SO42-，根據(jù)樹脂的性質(zhì)判斷宜選擇強(qiáng)堿性陰離子樹脂，這種樹脂能優(yōu)先吸附土壤中的 SO42-；而弱堿性陰離子樹脂會優(yōu)先吸附 OH-且這種樹脂在高 PH 值環(huán)境下不適宜。

2.3 摻樹脂治理土壤中易溶鹽試驗

交換樹脂在水處理中用于各種陰陽離子的去除，目前約 90 % 以上的離子交換樹脂用在水處理和火電廠的純水處理上。根據(jù)交換樹脂的性質(zhì)，交換樹脂的吸附性極好，故其也能吸附鹽漬土中的易溶鹽離子。由于離子與樹脂的吸附交換作用一般需在溶液狀態(tài)下發(fā)生，試驗選取了 3 種工業(yè)上常用的樹脂，分別摻入灰土樣品中進(jìn)行易溶鹽試驗，摻入樹脂后樣品中易溶鹽離子對比情況如表 2 所示。

表2 吸附性樹脂直接摻入土壤樣品中易溶鹽變化

試驗時將樹脂直接摻入土壤并使土壤飽和后送檢易溶鹽。試驗結(jié)果證明樹脂對土壤中易溶鹽離子的吸附力極好，工程應(yīng)用時可根據(jù)需要吸附的離子選擇樹脂型號。樹脂的市場價約 5 000 元/t，治理費(fèi)用較經(jīng)濟(jì)，有較好的應(yīng)用價值。

由于實際工程應(yīng)用時要防止樹脂對土壤環(huán)境的污染，不可將樹脂顆粒直接摻入土壤中，需要制作樹脂膜等產(chǎn)品，故課題組進(jìn)行了以下模擬試驗：把樹脂裝入透氣性好的紗布袋中，在土樣品桶中間掏孔后，把樹脂袋放入孔中間，然后浸水飽和 7 d 后再進(jìn)行易溶鹽試驗對比，發(fā)現(xiàn)加入 1 號吸附樹脂后對灰土中 SO42-含量減少最顯著，SO42-含量減少了 45.6 %（見表 3），試驗結(jié)果證明樹脂對土壤中易溶鹽離子的吸附力極好，可用吸附樹脂對土壤中的 SO42-離子進(jìn)行治理（見圖 1～圖 4）。

表3 吸附性樹脂裝袋放入桶中 7 d 后土壤樣品中易溶鹽變化

圖1 樹脂裝袋吸附灰土中易溶鹽試驗

圖2 現(xiàn)場治理時樹脂孔及注水孔布置參考圖

圖3 加入樹脂袋的灰土樣品桶

圖4 試驗所用的樹脂顆粒

3 結(jié)語

1）在灰土中直接摻入吸附樹脂顆粒并將土壤浸水浸泡 7 d 后，土壤中 SO42-離子的含量減小幅度達(dá) 98 %，其中放入 1 號吸附樹脂的樣品 SO42-含量減少最顯著，證明 1 號樹脂對土壤中易溶鹽離子的吸附力最好，故選擇適宜的吸附樹脂并浸水浸泡后，樹脂可吸附土中大部分的 SO42-等離子。由于目前市場上的樹脂均為顆粒型，故不宜直接摻入土壤中治理土壤中的離子，需要進(jìn)一步研究制造樹脂膜等特殊產(chǎn)品應(yīng)用于鹽漬土土壤治理。

2）本次研究在土壤中挖孔，然后在孔內(nèi)放入裝袋樹脂后，吸附樹脂對土壤中離子也有較好的吸附作用，土壤中 SO42-離子的含量減小幅度為 45.6 %，其吸附作用顯著低于直接摻入樹脂顆粒的效果，這是因為土壤溶液中的液體流動性差，土壤阻礙了離子與樹脂的接觸，樹脂袋只能吸附其附近的土壤溶液中的離子，故吸附作用慢，但也有非常明顯的效果。

3）從試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用吸附性樹脂改良鹽漬土中的 SO4

2-等離子具有良好的效果和應(yīng)用前景，在土壤中鉆小孔然后將樹脂裝袋后放入孔中能防止樹脂顆粒直接進(jìn)入土壤，待土壤中離子被樹脂吸附后可去掉樹脂袋，不將樹脂顆粒留在土壤中，能避免樹脂顆粒對土壤的次生影響。

4）吸附樹脂能很好地吸附溶液中的離子，對不能挖除換土的既有建筑灰土次生鹽漬化膨脹病害，可選擇適宜的樹脂吸附地基土中的易溶鹽離子，樹脂將土中引起鹽漬化及膨脹病害的 SO42-離子吸附后，一是防止了膨脹鹽硫酸鈉的生成，二是消除了鈣礬石生成所需要的 S離子［3］，故治理了 SO42-離子就能消除硫酸鈉吸水膨脹與鈣礬石引起的膨脹。SO42-離子引起膨脹原因主要有硫酸鈉吸水膨脹，此外，有研究發(fā)現(xiàn) SO42-離子與土壤中其他成分結(jié)合會生成鈣礬石，鈣礬石也能引發(fā)膨脹病害，兩種膨脹，都與 SO42-離子有關(guān)，故樹脂吸附法均有效。Q