CN111855528B - 一种基于电场强度调控的多孔材料渗透性定向调控方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电场强度调控的多孔材料渗透性定向调控方法及其产品，属于多孔材料渗透性能调控技术领域。本发明从多孔材料颗粒表面电场调控这一全新角度出发，利用控制多孔材料表面电荷密度、材料中电解质类型和材料中溶液的电解质浓度来调控材料颗粒表面及表面附近空间电场，有效控制多孔材料中的孔隙状况和水分运动状况，从而达到对多孔材料渗透性能的有效定向调控的目的，解决现有技术不能实现对多孔材料渗透性能的增强或减弱的定向调控的问题。
Description
技术领域
本发明属于多孔材料渗透性能调控技术领域，具体涉及一种基于电场强度调控的多孔材料渗透性定向调控方法，以及基于所述的定向调控方法制备得到的一种渗透性调控的基质材料。
背景技术
多孔材料由于层间结构特点及其吸水膨胀、低渗透性能被广泛应用于水利工程、地铁工程、垃圾填埋场和屋顶防漏等领域。多孔材料渗透性能调控技术的关键在于控制多孔材料中的孔隙和水分运动状况，这将直接影响到材料的滞水性、吸附重金属能力、防渗性能等。
然而，目前并没有一种调控技术能实现对多孔材料渗透性能的增强或减弱的定向调控。与此同时，市面上传统的多孔材料大多以膨润土为主要原料，通过改性剂改善其微观结构和颗粒表面性能，提高膨润土作为功能性材料的实际使用效能。然而新型多孔材料的开发仅仅依靠使用不同改性剂对膨润土材料进行改性，制备成本高，开发难度大，难以实现高效利用和对多孔材料渗透性能的定量调控。同时所使用的改性剂主要是季铵盐类，品种少，价格高，且表面活性剂的脱附易造成水体二次污染。
因此，需要研究一种能够有效定向调控多孔材料渗透性能的新方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于电场强度调控的多孔材料渗透性定向调控方法；本发明的目的之二在于基于电场强度的多孔材料渗透性定向调控方法来定向制备得到渗透性调控的基质材料。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种基于电场强度调控的多孔材料渗透性定向调控方法，所述方法包括控制多孔材料表面电荷密度、改变多孔材料中电解质类型或调节多孔材料中电解质浓度中的任意一种或几种。
优选的，所述控制多孔材料表面电荷密度的方法为：向多孔材料的基质材料中添加不同电荷数量的有机大分子。
优选的，所述多孔材料的基质材料为粘土矿物材料；所述有机大分子为阴离子型聚丙烯酰胺。
优选的，所述阴离子型聚丙烯酰胺与粘土矿物材料的质量比为1：20～200。
优选的，所述控制多孔材料表面电荷密度具体操作步骤以下：
(1)制备有机大分子水溶液：将有机大分子溶于水中，搅拌使其充分溶解，备用；
(2)将含有电解质的粘土矿物材料的金属阳离子饱和样加入到步骤(1)中所述有机大分子溶液中，搅拌离心，倾去上清液后继续加去离子水搅拌离心，反复处理3次以上，烘干，研磨后过1mm标准筛即可。
优选的，所述搅拌离心为在30℃下搅拌离心4h。
优选的，所述烘干的温度为80℃。
优选的，所述粘土矿物材料的金属阳离子饱和样的制备方法具体包括以下步骤：
(1)制备浓度为0.1～0.5mol/L的电解质溶液，用于盐洗离心；
(2)将所述粘土矿物材料加入水中，再加入步骤(1)中所述电解质溶液，搅拌离心倾去上清液，采用阳离子交换法进行交换，然后反复进行水洗离心处理，烘干、过筛即可制备得到粘土矿物材料的金属阳离子饱和样。
优选的，所述搅拌离心为以180r/min的转速在30℃下搅拌离心4h。
优选的，所述烘干为在80℃下干燥24h。
优选的，所述改变多孔材料中电解质类型中电解质为Li+、Na+或K+任意一种或几种的氯化物或硝酸盐。
优选的，所述调节多孔材料中电解质浓度中电解质的浓度为10-5～0.1mol.L-1。
2.根据上述定向调控方法制备的防渗基质材料
本发明的有益效果在于：
1、本发明从多孔材料颗粒表面电场调控这一全新角度出发，通过控制多孔材料表面电荷密度、改变多孔材料中电解质类型或调节多孔材料中电解质浓度的方式来调控多孔材料中的电场强度，进而定向调控多孔材料的孔隙度、孔隙大小与分布，从而达到对多孔材料的渗透性能进行定向调控的目的，解决不能实现对多孔材料渗透性能的增强或减弱的定向调控的问题。
2、本发明还基于上述定向调控的方法通过将不同电荷数量的有机大分子和不同类型黏土矿物按一定比例混合，然后向此混合体系加入给定电解质，通过搅拌、洗涤、干燥、研磨等步骤得到渗透性能定向调控的基质材料，既可发挥黏土材料原有的防渗性能，且该材料中的黏土对渗滤液中许多有机、无机污染物均表现为化学惰性，具有更加优良的实际应用性能，使其可以广泛应用于渗透与防渗领域。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1中制备的以K+黏土矿物饱和样为主的多孔材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；
图2为实施例1中制备的以Na+黏土矿物饱和样为主的多孔材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；
图3为实施例1中制备的以Li+黏土矿物饱和样为主的多孔材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；
图4为实施例2中以质量比为1:200的阴离子型聚丙烯酰胺与K+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；
图5为实施例3中以质量比为1:20的阴离子型聚丙烯酰胺与K+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系
图6为实施例2中以质量比为1:200的阴离子型聚丙烯酰胺与Na+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系
图7为实施例3中以质量比为1:20的阴离子型聚丙烯酰胺与Na+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系
图8为实施例2中以质量比为1:200的阴离子型聚丙烯酰胺与Li+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系
图9为实施例3中以质量比为1:20的阴离子型聚丙烯酰胺与Li+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
制备不同离子类型粘土矿物饱和样，主要包括以下步骤：
(1)将1000g黏土矿物加入1000ml去离子水中，放在转数180r/min、温度为30℃的搅拌器中搅拌4小时，搅拌结束后离心，倾去上清液，然后继续添加去离子水重复3次上述步骤进行处理，在80℃下烘干，研磨过1mm标准筛即可得到黏土矿物的基质材料；
(2)配制浓度在0.1～0.5mol/L范围内的LiCl、NaCl、KCl的电解质溶液；
(3)将步骤(1)中得到的≤1mm黏土矿物基质材料加入到配好的1000mL电解质溶液中，采用阳离子交换法进行阳离子交换，对交换后的样品进行水洗离心处理，并重复处理三次，分别制备得到Li+、Na+或K+的黏土矿物饱和样，在80℃条件下烘干24h，然后过1mm标准筛即可得到以不同离子类型黏土矿物饱和样为主的多孔材料。
实施例2
以质量比为1:200的阴离子型聚丙烯酰胺与不同离子类型黏土矿物饱和样的混合物制备得到多孔基质材料，主要包括以下步骤：
(1)将阴离子型聚丙烯酰胺溶于去离子水中，在30℃、180r/min的转速下搅拌，制备得到5g/L的聚丙烯酰胺溶液备用；
(2)将1000g黏土矿物加入1000ml去离子水中，放在转数180r/min、温度为30℃的搅拌器中搅拌4小时，搅拌结束后离心，倾去上清液，然后继续添加去离子水重复3次上述步骤进行处理，在80℃下烘干，研磨过1mm
(3)配制浓度在0.1～0.5mol/L范围内的LiCl、NaCl、KCl的电解质溶液；
(4)将步骤(2)中得到的≤1mm固体颗粒样品加入到1000mL配好的电解质溶液中，同时加入步骤(1)中得到的1000ml聚丙烯酰胺溶液，采用阳离子交换法进行阳离子交换，对交换后的样品进行水洗离心处理，并重复处理三次，分别制备得到含有不同电解质浓度下的Li+、Na+或K+的样品，在80℃条件下烘干24h，然后过1mm标准筛即可得到阴离子型聚丙烯酰胺与不同离子类型黏土矿物饱和样混合质量比例为1：200的多孔基质材料。
实施例3
以质量比为1:20的阴离子型聚丙烯酰胺与不同离子类型黏土矿物饱和样的混合物制备得到多孔基质材料，主要包括以下步骤：
(1)将阴离子型聚丙烯酰胺溶于去离子水中，在30℃、180r/min的转速下搅拌，制备得到50g/L的聚丙烯酰胺溶液备用；
(2)将1000g黏土矿物加入1000ml步骤(1)中制备得到的聚丙烯酰胺溶液中，放在转数180r/min、温度为30℃的搅拌器中搅拌4小时，搅拌结束后离心，倾去上清液，然后继续添加去离子水重复3次上述步骤进行处理，在80℃下烘干，研磨过1mm标准筛即可得到多孔材料；
(3)配制浓度在0.1～0.5mol/L范围内的LiCl、NaCl、KCl的电解质溶液；
(4)将步骤(2)中得到的≤1mm固体颗粒样品加入到1000mL配好的电解质溶液中，同时加入步骤(1)中得到的1000ml聚丙烯酰胺溶液，采用阳离子交换法进行阳离子交换，对交换后的样品进行水洗离心处理，并重复处理三次，分别制备得到含有不同电解质浓度下的Li+、Na+或K+的样品，在80℃条件下烘干24h，然后过1mm标准筛即可得到阴离子型聚丙烯酰胺与不同离子类型黏土矿物饱和样混合质量比例为1：20的多孔基质材料。
实施例4
将上述实施1～3制备的材料分别加入到水分入渗土柱装置(土柱装置为一组自制的有机玻璃柱：下部为15cm*20cm的有机玻璃底座、上部(内径)为宽度、厚度和高度分别为3cm、1cm和20cm的长方体有机玻璃柱，土柱上部和下部均用一块具有许多小孔的有机玻璃板封闭)。土柱装置安装好后，共设定了10-1、10-3、10-5mol.L-1三个电解质浓度，来调节土壤电场。以不同浓度的Li+、Na+、K+溶液作为入渗液，倒入渗滤液开始入渗和计时，并保持入渗液的高度为4cm。入渗总时间设置为150分钟，同时在入渗过程中依次记录入渗30s、1min、2min、3min、4min的润湿锋位置，此后每隔5min记录一次润湿锋位置，直到当入渗达到150分钟时，结束入渗。
通过实施例4中的渗透性能测试，得到的不同材料的渗透性能，其中图1为实施例1中制备的以K+黏土矿物饱和样为主的多孔材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；图2为实施例1中制备的以Na+黏土矿物饱和样为主的多孔材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；图3为实施例1中制备的以Li+黏土矿物饱和样为主的多孔材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；图4为实施例2中以质量比为1:200的阴离子型聚丙烯酰胺与K+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；图5为实施例3中以质量比为1:20的阴离子型聚丙烯酰胺与K+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；图6为实施例2中以质量比为1:200的阴离子型聚丙烯酰胺与Na+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；图7为实施例3中以质量比为1:20的阴离子型聚丙烯酰胺与Na+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；图8为实施例2中以质量比为1:200的阴离子型聚丙烯酰胺与Li+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系；图9为实施例3中以质量比为1:20的阴离子型聚丙烯酰胺与Li+黏土矿物饱和样制备得到的多孔基质材料在不同电解质浓度条件下渗透性能随时间变化关系。
基于控制多孔材料表面电荷密度、电解质类型和浓度来调控多孔材料的电场强度，进而实现多孔材料渗透性能的定量调控，主要基于以下原理：多孔材料的渗透性能取决于材料中的孔隙状况，而孔隙状况的关键则取决于该多孔材料中固体颗粒处于凝聚还是分散状态。根据胶体与界面化学理论，对于给定的带电颗粒材料，颗粒间的分子力和水合作用力可看成常数，静电排斥力成为颗粒之间处于凝聚还是分散状况的关键因素；而颗粒间的静电排斥力由颗粒表面及其附近空间的电场强度决定。在给定温度下，颗粒表面及其附近空间的电场强度由颗粒表面电荷密度、材料中的电解质类型和电解质浓度共同决定。因此，通过控制颗粒表面电荷密度、电解质类型和电解质浓度，就可以调节多孔介质中的静电场强度和颗粒间的静电排斥力，进而调控多孔介质孔隙的数量、大小及分布，最终调控多孔介质水分运动状况，并实现多孔材料渗透性能的定量调控。
通过图1、图2或图3中在含有同样的电解质类型、不同的电解质浓度的多孔材料的渗透性能测试结果可知，在电解质浓度为10-5～0.1mol.L-1的范围内通过提高电解质浓度可以增加制备的多孔材料的渗透性能。主要原因在于：通过调控电解质浓度可以实现多孔介质材料的电场和颗粒间静电斥力的调节。按照胶体化学理论，对于给定电解质，多孔材料中的溶液电解质浓度影响颗粒附近空间中扩散层的厚度，因而影响颗粒周围空间的电场强度，进而影响颗粒间的静电排斥力强度。提高电解质浓度，将降低电场强度，进而降低颗粒间的静电排斥力；反之则会提高颗粒间的静电排斥力。
通过图1、图2和图3中在含有同样的电解质浓度、不同的电解质类型的多孔材料的渗透性能测试结果可知，在电解质中阳离子分别为Li+、Na+或K+时通过改变电解质类型可以调节制备的多孔材料的渗透性能，其中对渗透性能提高程度依次为Li+＜Na+＜K+。主要原因在于：通过调控电解质类型可以实现多孔材料的电场和颗粒间静电斥力的调节，而带电颗粒表面不同金属离子的极化作用和极化诱导共价作用的差异可以用于调节体系的电场屏蔽能力，从而调节多孔材料的电场和颗粒间的静电排斥力。研究发现，Li+在带电颗粒表面既无明显极化更无极化诱导共价作用；Na+在带电颗粒表面存在较强极化，但无极化诱导共价作用发生；K+则在带电颗粒表面发生极强的极化作用并存在极化诱导共价作用。因此这三种离子屏蔽电场的能力表现出如下序列：Li+>Na+>>K+。由于离子的静电屏蔽能力决定了电场的强度，因此通过在多孔材料中加入不同的阳离子(或相应的电解质)就可以调控多孔材料中颗粒表面及表面附近空间的电场强度和颗粒间的静电排斥力。
通过图1、图4和图5的对比、图2、图6和图7的对比以及图3、图8和图9的对比可知，在制备多孔材料的过程中添加阴离子型聚丙烯酰胺会降低制备的多孔材料的渗透性能，同时添加的阴离子型聚丙烯酰胺越多则渗透性能降低的幅度越大。主要原因在于在黏土矿物中添加阴离子型聚丙烯酰胺会形成多组分混合胶体体系，而本发明创造性的发现，多组分混合胶体体系中颗粒间的静电作用力由混合体系中的平均电荷密度和平均电场强度决定，因此本发明提出，按照一定比例向黏土矿物等多孔材料中添加不同电荷数量的有机大分子，就可以实现多孔材料中颗粒表面平均电荷密度和电场强度的调节，进而通过控制添加有机大分子与黏土矿物等多孔材料之间的质量比来调节相应材料的渗透性能。
综上所述，说明本发明从多孔材料颗粒表面电场调控这一全新角度出发，通过控制多孔材料表面电荷密度、改变多孔材料中电解质类型或调节多孔材料中电解质浓度的方式来调控多孔材料的孔隙度、孔隙大小与分布，从而达到对多孔材料的渗透性能进行定向调控的目的，解决了现有技术不能实现对多孔材料渗透性能的增强或减弱的定向调控的问题。同时按照本发明的调控方法可以定向制备多孔防渗基质材料，用以进一步研究新型防渗材料，既可发挥黏土材料原有的防渗性能，且材料中的黏土对渗滤液中许多有机、无机污染物均表现为化学惰性，具有更加优良的实际应用性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种基于电场强度调控的多孔材料渗透性定向调控方法，其特征在于，所述方法包括控制多孔材料表面电荷密度、改变多孔材料中电解质类型和调节多孔材料中电解质浓度；
所述控制多孔材料表面电荷密度的方法为：向多孔材料的基质材料中添加不同电荷数量的有机大分子；所述有机大分子为阴离子型聚丙烯酰胺；所述多孔材料的基质材料为粘土矿物材料；
所述改变多孔材料中电解质类型中电解质为Li+、Na+或K+任意一种或几种的氯化物或硝酸盐；
所述阴离子型聚丙烯酰胺与粘土矿物材料的质量比为1:20～200；
所述控制多孔材料表面电荷密度具体操作步骤以下：
(1)制备有机大分子水溶液：将有机大分子溶于水中，搅拌使其充分溶解，备用；
(2)将含有电解质的粘土矿物材料的金属阳离子饱和样加入到步骤(1)中所述有机大分子溶液中，搅拌离心，倾去上清液后继续加去离子水搅拌离心，反复处理3次以上，烘干、研磨后过1mm标准筛即可；
所述粘土矿物材料的金属阳离子饱和样的制备方法具体包括以下步骤：
a、制备浓度为0.1～0.5mol/L的电解质溶液，用于盐洗离心；
b、将所述粘土矿物材料加入水中，再加入步骤a中所述电解质溶液，搅拌离心倾去上清液，采用阳离子交换法进行交换，然后反复进行水洗离心处理，烘干过筛即可制备得到粘土矿物材料的金属阳离子饱和样。
2.根据权利要求1所述的调控方法得到的渗透性调控的基质材料。
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