CN107653916A - 一种超疏水自愈合不透水粘土垫层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超疏水自愈合不透水粘土垫层，其中所述超疏水自愈合不透水粘土垫层由粘土、含氟硅单体、自愈合高分子材料、催化剂和水混合后经碾压而成。与现有技术相比，本发明的有益效果在于通过结合含氟硅单体的交联超疏水作用以及自愈合高分子材料的自修复作用，可提高粘土垫层的起始水力梯度，降低粘度垫层的渗透系数，且可显著改善粘土垫层抵抗垃圾不均匀沉降的能力。

Description

一种超疏水自愈合不透水粘土垫层
技术领域
本发明涉及垃圾填埋防渗透技术领域。具体来说，本发明涉及一种超疏水自愈合不透水粘土垫层。
背景技术
随着我国经济的迅速发展、工业化和城市化进程的加快，人民生活水平不断提高，同时也导致城市生活垃圾产生量急剧增加，给环境带来不利的影响。目前对垃圾的处理方式主要包括焚烧、填埋和堆肥，但主要采用填埋的方式。即使前期处理垃圾采用焚烧或者堆肥等其它方式处理，最后的残渣也需要通过填埋的方式进行处理。
业界普遍认为，通过填埋方式处理垃圾会对环境产生一定的负面影响，增加环境负荷。因此，在对垃圾进行填埋时，为了防止垃圾渗沥液中的有毒、有害污染物污染土壤和地下水源，需要将垃圾与周围地层隔离。最简单的隔离措施是在垃圾填埋场四周和底部设置防渗透系统，例如防渗透墙、防渗透膜和垃圾填埋场底部的垫层等。
中国发明专利申请201510385808.0披露了一种垃圾填埋场底部的不透水粘土垫层及其应用，其中披露了通过严格控制粘土垫层的孔隙率以及高岭石粘土与伊利石粘土的比例，可使粘土层出现起始水力梯度，从而可以阻挡污染物渗沥液的渗透。但该现有文献没有认识到垃圾的堆积方式是随机的，且因降解程度不同会发生不均匀沉降，使得粘土垫层所受压力不一致，导致粘土垫层内部产生微裂纹，最终使整体粘土垫层失效。
此外，自愈合材料是一类拥有结构上自愈合能力的智能材料，这种能力可修复由于长期机械使用造成的损伤。具体来说，Yue Cao等(Adv.Mater.2017，29，1605099，《ATransparent,Self-Healing,Highly Stretchable Ionic Conductor》)披露了一种自愈合高分子材料，所述自愈合高分子材料是含氟共聚物和离子液体的混合物。
为此，本领域迫切需要一种可以抵抗垃圾不均匀沉降的超疏水自愈合不透水粘土垫层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以抵抗垃圾不均匀沉降的超疏水自愈合不透水粘土垫层。具体来说，所述超疏水自愈合不透水粘土垫层由粘土、含氟硅单体、自愈合高分子材料、催化剂和水混合后经碾压而成。含氟硅单体可在催化剂的作用下交联，形成三维网络结构，且在粘土颗粒表面形成大量的疏水含氟官能团。自愈合高分子材料则在粘土垫层出现微裂纹时可进行自我修复。通过结合这两种作用机理，令人惊讶地发现可提高粘土垫层的起始水力梯度，降低粘度垫层的渗透系数，且可显著改善粘土垫层抵抗垃圾不均匀沉降的能力。
为了实现上述目的，本发明提供下述技术方案。
在第一方面中，本发明提供一种超疏水自愈合不透水粘土垫层，其中所述超疏水自愈合不透水粘土垫层由粘土、含氟硅单体、自愈合高分子材料、催化剂和水混合后经碾压而成。
在第一方面的一种实施方式中，所述粘土选自高岭石粘土和/或伊利石粘土。
在第一方面的另一种实施方式中，所述含氟硅单体包括十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷。
在第一方面的另一种实施方式中，所述自愈合高分子材料是含氟共聚物和离子液体的混合物。
在第一方面的另一种实施方式中，所述含氟共聚物包括聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)共聚物，其中以摩尔百分比计，所述共聚物包括45％-55％的六氟丙烯。
在第一方面的另一种实施方式中，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐。
在第一方面的另一种实施方式中，所述催化剂包括氯铂酸。
在第一方面的另一种实施方式中，所述超疏水自愈合不透水粘土垫层的有效孔隙率小于或等于4.5％。
在第二方面中，本发明提供一种如第一方面所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层在垃圾填埋中的应用，其特征在于，预先在垃圾填埋场底部施工形成所述超疏水自愈合不透水粘土垫层，然后填埋垃圾，其中所述超疏水自愈合不透水粘土垫层的厚度为15cm-35cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于通过结合含氟硅单体的交联超疏水作用以及自愈合高分子材料的自修复作用，可提高粘土垫层的起始水力梯度，降低粘度垫层的渗透系数，且可显著改善粘土垫层抵抗垃圾不均匀沉降的能力。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚和完整的描述。
本发明的目的在于提供一种可以抵抗垃圾不均匀沉降的超疏水自愈合不透水粘土垫层。具体来说，所述超疏水自愈合不透水粘土垫层由粘土、含氟硅单体、自愈合高分子材料、催化剂和水混合后经碾压而成。含氟硅单体可在催化剂的作用下交联，形成三维网络结构，且在粘土颗粒表面形成大量的疏水含氟官能团。例如，含氟硅单体可为十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷，其水解之后可在例如氯铂酸收到催化剂存在下发生交联，形成三维网络结构，降低粘土垫层的渗透系数，且在粘土颗粒表面形成大量超疏水的含氟官能团，使得渗沥液不能渗透粘土垫层。
自愈合高分子材料则在粘土垫层出现微裂纹时可进行自我修复。具体地，在本发明中自愈合高分子材料可包括含氟共聚物和离子液体的混合物，它们的可在没有外力的作用下通过链段运动和可逆离子相互作用实现裂纹自愈合。关于本发明中所用的自愈合高分子材料的更多细节，可参见Yue Cao等(Adv.Mater.2017，29，1605099，《A Transparent,Self-Healing,Highly Stretchable Ionic Conductor》)。
通过结合这两种作用机理，令人惊讶地发现可提高粘土垫层的起始水力梯度，降低粘度垫层的渗透系数，且可显著改善粘土垫层抵抗垃圾不均匀沉降的能力。在一种具体实施方式中，本发明的超疏水自愈合粘土垫层的起始水力梯度是60,70，或80。在一种具体实施方式中，本发明的超疏水自愈合粘土垫层的渗透系数k小于或等于1×10-11cm/s。
在第一方面中，本发明提供一种超疏水自愈合不透水粘土垫层，其中所述超疏水自愈合不透水粘土垫层由粘土、含氟硅单体、自愈合高分子材料、催化剂和水混合后经碾压而成。
在一种实施方式中，所述粘土选自高岭石粘土和/或伊利石粘土。具体来说，所述粘土可仅为高岭石粘土，可仅为伊利石粘土，也可为高岭石粘土和伊利石粘土的混合物。在一种优选的实施方式中，所述粘土为高岭石粘土和伊利石粘土的混合物。在一种具体实施方式中，所述高岭石粘土和伊利石粘土为粒径小于1毫米的粘土颗粒。
在另一种实施方式中，所述含氟硅单体包括十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷。在一种具体实施方式中，十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷可在例如氯铂酸的催化剂作用下水解和交联，形状三维网状结构，由此降低粘土垫层的孔隙率，降低粘土垫层的渗透系数。此外，交联之后，十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷可在粘土颗粒表面形成大量含氟超疏水化学官能团，从微观上排斥垃圾渗滤液渗透进入粘土垫层，进一步降低粘土垫层的渗透系数。如本领域技术人员所理解，可通过紫外辐照或加热来促进十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷的交联。
没有特别限定根据本发明的粘土垫层中所用的自愈合高分子材料，但在一种实施方式中，所述自愈合高分子材料是含氟共聚物和离子液体的混合物。在一种实施方式中，所述含氟共聚物包括聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)共聚物，其中以摩尔百分比计，所述共聚物包括45％-55％的六氟丙烯。在一种实施方式中，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐。自愈合高分子材料的制备和作用机理是本领域技术人员已知的，在此不再赘述。
在第一方面的另一种实施方式中，所述催化剂包括氯铂酸。
在第一方面的另一种实施方式中，所述超疏水自愈合不透水粘土垫层的有效孔隙率小于或等于4.5％。
在第二方面中，本发明提供一种如第一方面所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层在垃圾填埋中的应用，其特征在于，预先在垃圾填埋场底部施工形成所述超疏水自愈合不透水粘土垫层，然后填埋垃圾，其中所述超疏水自愈合不透水粘土垫层的厚度为15cm-35cm。
在一种具体实施方式中，利用紫外光辐照来促进含氟硅单体交联的情况下，在预先在垃圾填埋场底部施工形成所述超疏水自愈合不透水粘土垫层之后，对超疏水自愈合不透水粘土垫层进行紫外光辐射，然后再填埋垃圾。例如，可用280W的紫外高压汞灯以10-20米/分钟的速率对施工形成的超疏水自愈合不透水粘土垫层进行扫描辐照。本领域技术人员可根据粘土垫层的厚度、含氟硅单体以及催化剂的用量等调节扫描辐照的时间。
实施例
在下文所述的实施例中，通过下述方法来测定粘土垫层的起始水力梯度和渗透系数：
将根据各实施例的粘土垫层组分加水混合之后经过普通压实形成厚度为4厘米的粘土实验层，并置于柔性壁渗透仪中进行渗透试验，渗透液采用去离子水，假定实验条件为：垃圾填埋场底部垫层上方垃圾体为20米，垃圾密度为1克/立方厘米，围压设置为200kPa。
此外，在下文实施例中，所用自愈合高分子材料为聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)共聚物PVDF-co-HFP-5545和1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐的混合物，其化学结构和制备方法参见Yue Cao等(Adv.Mater.2017，29，1605099，《A Transparent,Self-Healing,Highly Stretchable Ionic Conductor》)。
实施例1
本实施例的超疏水自愈合不透水粘土垫层包括下述组分：
测得根据实施例1的粘土垫层的起始水力梯度为60，渗透系数k为1×10-10cm/s。
实施例2
本实施例的超疏水自愈合不透水粘土垫层包括下述组分：
测得根据实施例2的粘土垫层的起始水力梯度为70，渗透系数k为5×10-11cm/s。
实施例3
本实施例的超疏水自愈合不透水粘土垫层包括下述组分：
测得根据实施例3的粘土垫层的起始水力梯度为65，渗透系数k为5×10-9cm/s。
实施例4
本实施例的超疏水自愈合不透水粘土垫层包括下述组分：
测得根据实施例4的粘土垫层的起始水力梯度为70，渗透系数k为5×10-10cm/s。
实施例5
本实施例的超疏水自愈合不透水粘土垫层包括下述组分：
测得根据实施例5的粘土垫层的起始水力梯度为80，渗透系数k为1×10-11cm/s。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明披露的内容，在不脱离本发明范围和精神的情况下做出的改进和修改都本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种超疏水自愈合不透水粘土垫层，其中所述超疏水自愈合不透水粘土垫层由粘土、含氟硅单体、自愈合高分子材料、催化剂和水混合后经碾压而成。
2.如权利要求1所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层，其特征在于，所述粘土选自高岭石粘土和/或伊利石粘土。
3.如权利要求1所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层，其特征在于，所述含氟硅单体包括十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷。
4.如权利要求1所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层，其特征在于，所述自愈合高分子材料是含氟共聚物和离子液体的混合物。
5.如权利要求4所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层，其特征在于，所述含氟共聚物包括聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)共聚物，其中以摩尔百分比计，所述共聚物包括45％-55％的六氟丙烯。
6.如权利要求4所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层，其特征在于，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐。
7.如权利要求1所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层，其特征在于，所述催化剂包括氯铂酸。
8.如权利要求1所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层，其特征在于，所述超疏水自愈合不透水粘土垫层的有效孔隙率小于或等于4.5％。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的超疏水自愈合不透水粘土垫层在垃圾填埋中的应用，其特征在于，预先在垃圾填埋场底部施工形成所述超疏水自愈合不透水粘土垫层，然后填埋垃圾，其中所述超疏水自愈合不透水粘土垫层的厚度为15cm-35cm。
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