海泡石改性土-膨潤土泥漿阻截墻阻截地下水重金屬陽離子污染

趙勇勝,戴貞洧

1. 吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院,長春 130021

2. 吉林大學(xué)石油化工污染場地控制與修復(fù)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,長春 130021

0 引言

我國現(xiàn)存地下水污染場地數(shù)量眾多,淺層地下水污染尤為嚴(yán)重,并且其中大部分在未來很長一段時間內(nèi)很難達(dá)到修復(fù)目標(biāo)[1]。自20世紀(jì)70年代以來,歐美日等地區(qū)就已經(jīng)開始構(gòu)建垂直防滲墻用于控制地下水污染的擴(kuò)散,泥漿阻截墻(slurry barrier wall)作為一種施工簡單、成本低廉的地下水污染控制技術(shù)在國外開始得到發(fā)展與應(yīng)用[2]。

泥漿阻截墻是將原位土-膨潤土(soil-bentonite,SB)等阻截材料回填至開挖的溝渠中,并將回填混合材料的含水率調(diào)節(jié)至合適大小(坍落度為125 mm左右對應(yīng)的含水率),以達(dá)到足夠的施工和易性,構(gòu)筑連續(xù)且滲透系數(shù)k<10-7cm/s的地下水污染垂直阻截墻[3]。但是已有研究表明,當(dāng)阻截材料受污染物侵蝕時,阻截墻的滲透性能會發(fā)生變化,如:呂淑清等[4]以K+、Ca2+和Fe3+為代表,研究了陽離子環(huán)境對SB回填材料阻截性能的影響,發(fā)現(xiàn)高價及高濃度的陽離子會使得阻截墻滲透系數(shù)上升;于澤溪等[5]和張文哲等[6]研究也得到了相似的結(jié)論;Candelaria等[7]的研究表明不同介電常數(shù)的有機(jī)污染物對SB回填材料滲透系數(shù)的影響也不盡相同。目前的研究多是以Na+、K+、Ca2+等環(huán)境中常見的陽離子作為研究對象,來探究陽離子環(huán)境對泥漿阻截墻的侵蝕性,然而考慮到離子水化半徑[8-9]及反應(yīng)性[10]等影響,Na+、K+、Ca2+等離子并不能完全代表常見的重金屬陽離子污染(Pb2+[11]、Cd2+、Cu2+等),因此直接研究阻截材料在極端高負(fù)荷重金屬污染下的穩(wěn)定性是有必要的。

針對泥漿回填材料的改性研究也已經(jīng)得到廣泛的開展,輪胎膠粉(recycled tyre,RT)[12]、沸石[13- 14]、粉煤灰[15]、活性炭(activated carbon,AC)[16-17]和天然腐殖質(zhì)[18]等高吸附性材料已經(jīng)被應(yīng)用至泥漿阻截墻的改性中。海泡石(sepiolite)族礦物是一種具有纖維結(jié)構(gòu)的富鎂硅酸鹽類黏土礦物[19],作為固化劑和吸附催化劑被廣泛應(yīng)用于土壤和水體污染的修復(fù)控制中[20]。國外已有研究[21-24]表明,海泡石作為填埋場襯里材料能夠滿足工程要求(k<10-7cm/s),并可提升襯里材料吸附污染物的能力,減少材料的干燥開裂情況。我國海泡石礦物儲量在全球的占比達(dá)20%[25],但目前國內(nèi)將海泡石作為防滲材料或污染阻截材料的應(yīng)用研究較少開展,因此很有必要探究海泡石在防滲阻截系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

本研究將海泡石類礦物作為改性材料,以土-膨潤土-海泡石(soil-bentonite-sepiolite,SBSe)混合材料作為研究對象,通過坍落度實驗探究海泡石的添加對材料工程特性的影響;以自來水為滲透液,通過滲透實驗探究海泡石摻量對SBSe回填材料滲透能力的影響規(guī)律變化;以鉛污染液(PbCl2)模擬重金屬陽離子型污染,通過批量吸附實驗和滲透實驗探究海泡石改性對SBSe阻截材料阻截地下水重金屬陽離子污染能力的變化。

1 材料與方法

1.1 實驗試劑與材料

試劑:氯化鉛(PbCl2,分析純),硝酸(HNO3,優(yōu)級純),Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL),去離子水(Milli-Q 制水機(jī))。

材料:鈉基膨潤土(山東華濰膨潤土有限公司),天然海泡石粉(靈壽縣點金礦產(chǎn)品加工廠),黏土(靈壽縣海濱礦產(chǎn)品貿(mào)易有限公司)。

1.2 實驗儀器

坍落度筒,多參數(shù)測試儀(S975-B,Mettler Toledo),土壤滲透儀(TST-55,南京寧曦土壤儀器有限公司),攪拌機(jī)(2100 W,上海保占機(jī)械有限公司),恒溫振蕩器(JTYS-2000-L,上海九圖控制技術(shù)有限公司),離心機(jī)(SF-TGL-16M,上海菲恰爾分析儀器有限公司),火焰原子吸收光譜儀(Aanalyst 400,PerkinElmer),激光粒度分析儀(Bettersize 2000,丹東市百特儀器有限公司), X射線衍射儀(D8 ADVANCE,德國BRUKER公司)。

1.3 材料性質(zhì)及表征

材料密度和陽離子交換量分別根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[26]中的7.2和58章節(jié)進(jìn)行測定,pH值根據(jù)《土壤pH值的測定電位法》(HJ 962—2018)[27]中所描述的方法進(jìn)行測定,膨脹指數(shù)依據(jù)《膨潤土》(GB/T 20973—2020)[28]中的方法進(jìn)行測定。實驗先采用激光粒度分布儀分別對膨潤土、海泡石和黏土進(jìn)行分析,觀察其粒徑分布特點;再采用X射線衍射儀進(jìn)行表征,分析各材料的主要礦物組成。

1.4 混合回填料制備

根據(jù)本研究團(tuán)隊前期的研究成果[29],膨潤土漿液和回填材料的膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)均選擇6%。先將膨潤土與自來水混合均勻,得到膨潤土漿液,攪拌水化24 h后使用;然后按照表1所示的數(shù)據(jù)將海泡石和黏土混合加入容器中;隨后加入膨潤土漿液,必要時添加干膨潤土以保證膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù),用攪拌器攪拌均勻后進(jìn)行后續(xù)實驗。

表1 本研究泥漿阻截材料配比和含水率

1.5 坍落度實驗

使用標(biāo)準(zhǔn)的坍落度筒(上口直徑10 cm,下口直徑20 cm,高30 cm),根據(jù)方法ASTM C143/C143M—15[30]進(jìn)行坍落度實驗,改變膨潤土漿液的摻量,使回填材料坍落度H位于100～150 mm 區(qū)間范圍內(nèi)。每次坍落度測試結(jié)束后,取3份回填材料,測定其含水率,根據(jù)坍落度與含水率的線性關(guān)系計算最佳含水率。

1.6 滲透實驗

根據(jù)坍落度實驗所確定各配比材料的最佳含水率配制回填材料(表1),分層均勻地填入61.8 mm×40.0 mm滲透儀環(huán)刀中,放入變水頭土壤滲透儀,以自來水為滲透液,水力梯度取 25～30,在室溫(21～25 ℃)下每隔12 h或者24 h測量滲透系數(shù),滲透系數(shù)按照式(1)[26]計算。

(1)

式中:k為滲透系數(shù),cm/s;A1為變水頭管橫截面積,cm2;L為環(huán)刀高度,cm;A2為滲透試樣過水面橫截面積,cm2;h1,h2為水頭高度,1和2分別代表滲透實驗開始和結(jié)束,cm;t為滲透時間,s。

1.7 批量吸附實驗

通過批量實驗對SBSe材料的吸附特性進(jìn)行研究。根據(jù)滲透實驗結(jié)果,如本論文2.3章節(jié)中的論述,采用S94B6Se0,S89B6Se5,S84B6Se10,S74B6Se20等4組材料進(jìn)行吸附實驗,材料經(jīng)飽水養(yǎng)護(hù)15 d后進(jìn)行烘干,碾碎,過篩得到。

吸附動力學(xué)實驗:量取1 000 mg/L Pb2+模擬污染液200 mL若干份放入藍(lán)蓋瓶中,然后稱取0.4 g回填材料放入,在25 ℃下緩慢振蕩,在不同吸附時間(tx)取樣,測定溶液中Pb2+的質(zhì)量濃度,瞬時吸附量qt按照式(2)[31]計算。

(2)

式中:ρ0為污染液中Pb2+的初始質(zhì)量濃度,mg/L;ρt為tx時刻污染液的Pb2+質(zhì)量濃度,mg/L;VL為污染液體積,L;ms為所添加的回填材料質(zhì)量,g。

吸附熱力學(xué)實驗:配制100,200,400,600,800 mg/L的Pb2+模擬污染液,分別在10,25,35 ℃下進(jìn)行熱力學(xué)實驗,吸附平衡后,此時的瞬時吸附量即為平衡吸附量;測定溶液中Pb2+的質(zhì)量濃度,按式(2)計算平衡吸附量。

1.8 SBSe材料對Pb2+的阻截實驗

同1.7中所述,選擇S94B6Se0,S89B6Se5,S84B6Se10,S74B6Se20等4組材料進(jìn)行阻截實驗,將變水頭管中滲透液(初始pH0=3.736,初始電導(dǎo)率EC0=1407.8 μm/cm)換成1 000 mg/L Pb2+模擬污染液進(jìn)行實驗,每隔24 h測量滲透系數(shù),并收集滲出液,測定其pH、EC及Pb2+質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料性質(zhì)及表征結(jié)果

本研究所采用的材料部分性質(zhì)如表2所示:膨潤土具有優(yōu)越的膨脹性能,膨脹指數(shù)達(dá) 14.5 mL/g;同時膨潤土陽離子交換量(80.02 mmol/hg)是海泡石(12.55 mmol/hg)的6倍,而黏土的陽離子交換量僅為6.53 mmol/hg,大約只有海泡石的1/2,這在一定程度上反映了膨潤土更容易受到陽離子環(huán)境的影響;膨潤土、海泡石和黏土的pH均呈弱堿性,分別為9.2,8.6和8.5。

表2 材料基本性質(zhì)

3種材料的粒度分布如圖1所示,總體而言,材料的粒徑分布均在相同數(shù)量級,主要是在1～100 μm之間。相對而言,膨潤土具有更小的粒徑,其次是黏土,最后是海泡石;膨潤土主要以黏粒(粒徑d≤5 μm)為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.45%;黏土和海泡石則以粉粒(5 μm

圖1 材料顆粒級配曲線

圖2為研究所用材料的X射線衍射(XRD)圖譜及相關(guān)PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片圖。從圖2可以看出:黏土的主要成分為高嶺石(kaolinite)和石英(quartz)等礦物,其中高嶺石是常見且具有代表性的黏性土壤;膨潤土除了含有蒙脫石外,另外的主要成分是石英和少許云母石,其中蒙脫石含量和種類決定了膨潤土的品質(zhì)[32];研究所用的海泡石粉由天然海泡石礦物簡單加工而成,品質(zhì)較低,因此除了少量海泡石,還含有方解石(calcite)、部分透閃石(tremolite)和少量的白云石(dolomite),而有關(guān)研究表明方解石含量的增加可以提高墻體材料力學(xué)強度[33],同時透閃石也是一種纖維礦物。

θ為X射線衍射的衍射角。高嶺石(00-001-0527),括號內(nèi)數(shù)字為對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)卡片的編號,其余同。白云石和云母石對應(yīng)的特征峰強度不高,所以未將其標(biāo)準(zhǔn)卡片放入圖中。

2.2 海泡石對土-膨潤土回填材料工程性能的影響

本實驗選取坍落度125 mm作為目標(biāo)坍落度,實驗計算出各海泡石摻量下回填材料最佳含水率及其他研究中改性材料對含水率的影響,結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明:海泡石摻量從0增加至30%,回填材料的最佳含水率僅增加了1%左右,明顯小于其他材料(沸石、輪胎膠粉、活性炭等)[12-14, 16-17]。此外,相關(guān)研究[34]表明,在同一膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下,泥漿回填材料含水率的增加會使得滲透系數(shù)上升;因此相對于其他吸附材料,海泡石對于回填材料工程性能的影響更小。

B6表示膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%,其他同理。PRT和CRT分別表示粉末狀和碎片狀的輪胎膠粉,GAC和PAC分別表示顆粒狀和粉末狀的活性炭。

2.3 SBSe回填材料滲透系數(shù)的變化

以自來水為滲透液,各配比SBSe材料滲透系數(shù)變化如圖4所示。隨著滲透時間的增加,回填材料中的膨潤土進(jìn)一步吸水膨脹,填充回填材料中的孔隙,孔隙減小,從而膨潤土滲透系數(shù)逐漸下降,大約15 d后基本達(dá)到穩(wěn)定(圖4);說明此時膨潤土基本完全水化,因此后續(xù)實驗選擇15 d作為試樣水化穩(wěn)定化時間。海泡石摻量變化并未帶來明顯的滲透系數(shù)變化,其中,S94B6Se0,S92B6Se2,S89B6Se5,S84B6Se10,S79B6Se15,S74B6Se20,S69B6Se25,S64B6Se30試樣穩(wěn)定15 d時的k值依次為3.2×10-8,5.0×10-8,2.7×10-8,2.6×10-8,4.5×10-8,2.6×10-8,3.6×10-8,4.4×10-8cm/s,均小于10-7cm/s,同時所有試樣的穩(wěn)定化時間幾乎相同(圖4);說明海泡石的添加并未影響膨潤土的水化進(jìn)程,這與坍落度實驗結(jié)果相符。阻截材料需要低的滲透系數(shù),因此選擇S94B6Se0,S89B6Se5,S84B6Se10,S74B6Se20這4組滲透系數(shù)較低的材料進(jìn)行后續(xù)實驗。

圖4 自來水滲透下SBSe材料的滲透系數(shù)-滲透時間關(guān)系圖

2.4 SBSe回填材料對Pb2+的吸附動力學(xué)及熱力學(xué)

2.4.1 吸附動力學(xué)

4組材料對Pb2+的瞬時吸附量隨吸附時間變化曲線(qt-tx)如圖5所示,隨著海泡石摻量的增加,回填材料對Pb2+的吸附量也會增大;4組材料吸附特點均是在0～10 h之間有一個快速吸附時期,隨后吸附速率逐漸下降,并且材料吸附量越大,達(dá)到吸附平衡所需的時間越長。

圖5 SBSe材料吸附Pb2+的瞬時吸附量-吸附時間曲線

為了更好地評估各配比材料對Pb2+的吸附性能以及探究海泡石的添加對回填材料吸附機(jī)理的影響,對qt-tx曲線進(jìn)行擬合,分別采用準(zhǔn)一級動力學(xué)[35](式(3))和準(zhǔn)二級動力學(xué)[36](式(4))模型分析材料的吸附特性,采用雙常數(shù)模型[37](式(5))和Elovich模型[38](式(6))分析材料吸附速率的變化,采用顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型[39](式(7))和液膜擴(kuò)散模型[40](式(8))分析吸附進(jìn)程的變化,擬合公式如下。

qt=qe-exp(lnqe-k1tx) ;

(3)

(4)

qt=exp (aD+bDlntx) ;

(5)

qt=aE+bElntx;

(6)

(7)

qt=qe[1-exp(-yLtx)]。

(8)

式中:qe為平衡吸附量,mg/g;k1為準(zhǔn)一級反應(yīng)速率常數(shù),h-1;k2為準(zhǔn)二級反應(yīng)速率常數(shù),g/(mg·h);aD,bD為雙常數(shù)模型無量綱常數(shù);aE,bE為Elovich模型常數(shù),mg/g;yi為內(nèi)擴(kuò)散系數(shù),g/(mg·h1/2);Ci為與邊界厚度有關(guān)的常數(shù);yL為液膜擴(kuò)散模型常數(shù),h-1,與吸附劑顆粒尺寸、液膜尺寸以及分配系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。

吸附動力學(xué)擬合結(jié)果見表3。相較準(zhǔn)一級動力學(xué),準(zhǔn)二級動力學(xué)能更好地擬合4組材料的吸附曲線,R2分別為0.759,0.800,0.914,0.975,這表明材料吸附Pb2+屬于以化學(xué)吸附為主的吸附過程。

表3 吸附動力學(xué)擬合結(jié)果

雙常數(shù)模型和Elovich模型能夠較好地擬合各材料的吸附曲線,R2均大于0.960(S84B6Se10的Elovich擬合除外),表明該系列吸附屬于非均相的吸附過程。其中:參數(shù)bD[37]可以衡量快速反應(yīng)期內(nèi)反應(yīng)速率的大小,bD越小,速率越大,4組材料吸附曲線擬合bD值依次是0.138,0.187,0.294,0.268;表明海泡石的添加會減小回填材料在反應(yīng)初期對Pb2+的吸附速率。參數(shù)bE[38]與吸附劑表面覆蓋率及化學(xué)吸附活化能有關(guān),活化能會隨著覆蓋率的上升而增加,而參數(shù)bE代表了活化能增量的大小,4組材料所對應(yīng)的bE值依次為10.089,15.339,23.081,31.120 mg/g;故海泡石摻入回填材料后,隨著吸附進(jìn)程的推進(jìn),吸附所需的活化能增加得更多,說明吸附速率下降更快,達(dá)到平衡所需的時間更長。

相較于液膜擴(kuò)散模型,S94B6Se0,S89B6Se5和S84B6Se10這3組材料更符合顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型,R2均大于0.940;而液膜擴(kuò)散模型雖然能夠較好地擬合S74B6Se20對Pb2+的吸附曲線,但擬合得到的qe值164.54 mg/g與實驗所得值173.61 mg/g(圖5)存在差距,故該模型并不適合用于描述該吸附進(jìn)程。其中:yi值[39]表示吸附質(zhì)在吸附劑顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度,4組材料的擬合yi值分別為4.734,7.287,11.172,14.361 g/(mg·h1/2),表明Pb2+在SBSe材料顆粒內(nèi)的擴(kuò)散隨著海泡石含量的提升愈發(fā)容易;同時4組材料的擬合Ci值均不為0,表明還有其他的吸附機(jī)制控制著吸附速率。

動力學(xué)擬合結(jié)果表明,該系列吸附屬于非均相的化學(xué)吸附,并且吸附速率受到包括顆粒內(nèi)擴(kuò)散在內(nèi)的多個步驟限制;而對比各配比材料的模型參數(shù),發(fā)現(xiàn)隨著海泡石含量的增加,材料對Pb2+的吸附量增大,但是對吸附速率變化的影響在不同時期有著不同的作用。

2.4.2 吸附熱力學(xué)

吸附熱力學(xué)實驗結(jié)果如圖6所示。隨著Pb2+初始質(zhì)量濃度增加,SBSe材料吸附Pb2+的量逐漸增加,并且隨著溫度升高,材料的吸附量也有所提升,因此低溫不利于SBSe材料對Pb2+的吸附;而隨著海泡石摻量的增加,材料對Pb2+吸附量明顯增加,這與2.4.1中的結(jié)果一致。

圖6 SBSe材料吸附Pb2+的吸附等溫線

為了更好地描述不同海泡石摻量下SBSe材料與Pb2+之間的吸附關(guān)系,采用Langmuir方程[41](式9)和Freundlich方程[42](式(10))對25 ℃下SBSe材料吸附Pb2+的數(shù)據(jù)進(jìn)行吸附熱力學(xué)擬合,并根據(jù)擬合結(jié)果計算RL(式(11)),探究吸附反應(yīng)發(fā)生的容易程度,公式如下。

(9)

(10)

(11)

式中:qm為飽和吸附量,mg/g;ρe為平衡時污染物的液相質(zhì)量濃度,mg/L;KL為Langmuir方程常數(shù),L/mg,受溫度及污染物和吸附劑性質(zhì)的影響,KL值越大,污染物與吸附劑間作用力越大;n為Freundlich方程的無量綱常數(shù);KF為Freundlich方程常數(shù),代表污染物與吸附劑的結(jié)合能力,10-3×(mg/L)1/n;RL為與Langmuir有關(guān)的參數(shù)。

吸附動力學(xué)擬合結(jié)果如表4所示,兩種模型均能較好地擬合,但Langmuir模型更符合對S94B6Se0,S89B6Se5,S84B6Se10,S74B6Se20材料對Pb2+吸附情況的描述,R2依次為0.999,0.997,0.989和0.997,擬合得到25 ℃下的飽和吸附量qm分別為140.85,156.25,172.41和222.22 mg/g;KL值隨著海泡石摻量增加而上升,且均大于0,這說明SBSe材料與Pb2+間的作用力隨著海泡石摻量增加而增大。對于Freundlich 模型,4組材料的KF值分別為13.85×10-3,30.05×10-3,52.38×10-3和126.33×10-3(mg/L)1/n,說明海泡石的加入能夠增加Pb2+與SBSe阻截材料間的結(jié)合力,有利于吸附阻截。

表4 吸附熱力學(xué)擬合結(jié)果

另外,RL可以作為吸附是否容易進(jìn)行的指標(biāo),對于4組材料在實驗范圍內(nèi)均有0

圖7 SBSe材料RL隨Pb2+初始質(zhì)量濃度的變化曲線

2.5 SBSe回填材料對Pb2+污染的阻截效果及機(jī)理分析

由圖8可知: S94B6Se0試樣的滲透系數(shù)在Pb2+污染液滲入7 d后先突然增大,隨后開始持續(xù)上升,并且24 d后就超過了阻截墻材料所要求的10-7cm/s,然后在36 d后又開始下降。而添加了海泡石的S89B6Se5,S84B6Se10,S74B6Se203組試樣,滲透系數(shù)開始上升的時間點明顯滯后于S94B6Se0試樣,分別是32,11和18 d,表明海泡石的存在能夠減緩Pb2+對SBSe材料滲透性能的侵蝕;這是因為海泡石能夠與膨潤土形成對Pb2+的競爭吸附,減緩膨潤土和Pb2+的反應(yīng),材料得以在更長的時間內(nèi)維持低滲透性。S74B6Se20試樣在40 d時滲透系數(shù)也突破了10-7cm/s,并且在47 d后又開始下降,而S89B6Se5和S84B6Se10兩組試樣滲透系數(shù)在60 d時仍維持在10-8cm/s這一數(shù)量級內(nèi),但還有一個輕微上升的趨勢,且S89B6Se5的滲透系數(shù)始終小于S84B6Se10試樣;這可能是因為海泡石粒徑比黏土大,海泡石摻量增加后,材料的孔隙率上升,在自來水滲透時,膨潤土膨脹后可以填充各黏粒間的孔隙,能夠消除海泡石所帶來的影響,而當(dāng)受到Pb2+侵蝕時,膨潤土膨脹能力下降,海泡石所引起的負(fù)面影響開始顯露出來。

圖8 Pb2+模擬污染液滲透下SBSe材料的滲透系數(shù)-滲透時間關(guān)系圖

各配比材料滲透系數(shù)的上升均可分為兩個階段。一是開始時滲透系數(shù)的一個驟增階段。這主要是因為在滲透初期,Pb2+會減小膨潤土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層厚度,部分土顆粒團(tuán)聚,黏粒間的空間增大,使得回填材料中逐漸形成可供液相流通的孔隙;當(dāng)孔隙貫穿材料時,液相流通量驟然增加,因此滲透系數(shù)會呈現(xiàn)一個突然的上升。二是后期的平緩上升階段。這個階段主要是滲透液中的Pb2+一部分被海泡石吸附,另一部分與膨潤土發(fā)生反應(yīng),Pb2+經(jīng)過擴(kuò)散雙電層,通過離子交換反應(yīng)置換出膨潤土表面的Na+和Ca2+,膨潤土表面的斯特恩層變薄[8, 43],使得膨潤土的膨脹性能進(jìn)一步下降,回填材料孔隙率上升,滲透系數(shù)逐漸增加。

圖9為滲出液pH和EC與滲透液pH0和EC0的比值隨時間的變化。通過觀察pH/pH0值的變化可以看出,在實驗時間內(nèi),Pb污染液與SBSe阻截材料的反應(yīng)還在進(jìn)行中,4組實驗的pH/pH0一直處在1.3～1.8之間。同時,4組實驗的EC/EC0在滲透開始后逐漸上升,經(jīng)過30 d滲透后,基本維持在1.0～1.2;這主要是因為污染液驅(qū)替了材料中的自來水,因此電導(dǎo)率上升,而Pb2+置換出土顆粒中的Ca2+、Mg2+等離子,維持了溶液中的離子強度,并攜帶出部分其他離子,從而使得滲出液和滲透液的電導(dǎo)率基本達(dá)到平衡。另外,在實驗時間內(nèi)4組實驗滲出液中的Pb2+質(zhì)量濃度均未超過0.1 mg/L,即《中國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)[44]中所規(guī)定的Ⅴ類水質(zhì),可見SBSe阻截墻還在發(fā)揮著阻截作用。

圖9 滲出液與滲透液的pH比值及EC比值隨時間的變化

3 結(jié)論與建議

1)在海泡石摻量為0～30%時,海泡石的添加不會影響SBSe材料的最佳含水率,并且雖然相對于膨潤土和黏土,海泡石擁有較大的顆粒尺寸,但海泡石的改性并未明顯改變SBSe材料的基本滲透性能,這主要是因為較小尺寸的膨潤土水化膨脹后能夠填充材料孔隙。

2)SBSe材料對Pb2+的吸附量隨著海泡石摻量增大而增加,但吸附速率卻會下降,吸附動力學(xué)和熱力學(xué)分別符合雙常數(shù)模型和Langmuir模型,海泡石摻量為20%時,25 ℃下SBSe材料對Pb2+的飽和吸附量達(dá)222.22 mg/g。

3)在受到重金屬污染侵蝕時,海泡石的存在能夠減慢阻截材料滲透系數(shù)上升的速率,減緩重金屬陽離子對泥漿阻截材料的侵蝕,因此采用海泡石改性SB泥漿墻阻截地下水重金屬陽離子污染是有一定效果的。

4)隨著膨潤土受到重金屬陽離子侵蝕,顆粒尺寸較大的海泡石所帶來的負(fù)面效果也會顯露,因此,對于海泡石摻量的選擇,需要更細(xì)微化的實驗;此外,不同天然海泡石的品質(zhì)對改性效果的影響也需要得到進(jìn)一步探究,為其在實際場地應(yīng)用中提供理論指導(dǎo)。