CN113149591A - 一种改性黄土及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种改性黄土及其制备方法和应用，涉及黄土材料改性技术领域；利用改性硅溶胶对黄土进行改性得到改性黄土，具体的，将纳米硅溶胶溶液均匀喷洒在黄土中，继续喷洒水使黄土的含水量达到15‑17％，薄膜密封，置于干燥阴凉处放置2‑3日后翻动混匀，养护3‑5日得到改性黄土；通过上述方法可以提高黄土的比表面积，减少黄土孔隙数量，降低渗透系数；使其得以用于制备垃圾填埋场用防渗衬垫；实现黄土资源的充分利用，节约垃圾填埋场的建造成本，减少垃圾渗滤液对地下水的污染。
Description
技术领域
本发明涉及黄土材料改性以及垃圾填埋场技术领域，具体涉及一种改性黄土及其制备方法和应用。
背景技术
目前世界范围内应用最广泛的垃圾处理及资源化的方式有填埋法、焚烧法和堆肥法。填埋法因其具有处理技术简单、处理量大、管理运行方便及成本较低等优点，在过去几十年间成为世界各国广泛使用的垃圾处理方法。不规范的垃圾填埋会产生大量渗滤液(污染水源)、恶臭(主要由H2S、SO2等气体产生)、沼气和CO2等温室气体，对周边的空气、土壤及地下水造成较严重的危害。卫生填埋指采用底层水平防渗，垃圾分层填埋，压实后顶层覆盖土层，使垃圾在厌氧条件下发酵，以达到无害化处理。与不规范的垃圾填埋相比卫生填埋更为环境友好和可持续发展。
水平防渗是目前国内外垃圾填埋场使用最广泛的防渗技术，是指在填埋场的基础底部铺设水平屏障以封堵场区内渗滤液垂向迁移。目前国内外填埋场的水平防渗衬垫系统有以下4种：①压实粘土防渗衬垫系统：CCL。压实粘土衬垫是将一定含水率的粘土机械压实，使其达到最大干密度和较低的渗透率，要求天然压实粘土厚度不小于2m，渗透系数不得大于10-7cm/s。当地土质条件不太理想的情况下，采用适当的粘土添加一定比例的膨润土，搅拌均匀后按一定工艺进行施工形成防渗层。②HDPE单层防渗衬垫系统：高密度聚乙烯(HDPE)膜+CCL。当填埋场地基不能满足渗透系数标准时，需建人工不透水层以保证渗滤液不渗透到地基中，厚度不得小于1.5mm；膜下采用CCL作为保护层，膜上采用无纺土工布作为保护层。③单层复合防渗衬垫系统：HDPE膜+土工聚合衬垫(GCL) +CCL。GCL是在两层土工膜之间夹一层膨润土后针刺缝合或粘合而成，一般 GCL的渗透系数＜10-8cm/s。采用HDPE膜作为主防渗层，厚度需大于1.5mm；膜下防渗层采用GCL厚度不小于6.0mm；GCL下部采用CCL作为保护层。④双层复合防渗衬垫系统：HDPE膜+GCL+GCL+HDPE膜+CCL。当填埋场渗滤液水头过高或者填埋场为危险废物填埋场时，单层防渗沉淀系统不能满足设计要求的时候，通常就会考虑使用双层土工膜防渗系统。
以上4种防渗屏障系统的衬垫设计采用的材料包括CCL、GCL和HDPE膜。经过长期的室内试验、现场试验对压实粘土防渗衬垫的性能进行测试，可以证明 CCL衬垫具有防渗效果良好、吸附能力强和后期不易损坏等优点，但同时也有粘土需求量大、成本较高和施工缓慢的缺点；GCL的优点是对无机污染物的防渗性能较好、成本较低且施工快捷，缺点是有机污染物能快速地以扩散的方式通过其中、土工膜较易产生漏洞和褶皱、搭接处会发生大规模渗漏而使得后期维护较困难；HDPE膜成本最低，防渗性能最好，可将液体和气体对周围环境的泄漏量降到最低，但极易破损、容易造成二次污染。
在天然粘土资源较丰富的地区，通常利用CCL作为防渗衬垫的首选材料，但对于我国西北及华北地区而言，天然粘土资源匮乏而黄土分布广泛。黄土地区填埋场基础层为马兰黄土，因其透水性强，大孔隙发育等特点而不能直接作为垃圾填埋场衬层。在黄土地区，适合作为防渗层的优质粘土储量少，运输不方便，填埋场防渗多采用人工防渗，使得填埋场建设费用很高。而我国黄土资源丰富，但因其透水性强，大孔隙发育等特点而不能直接作为垃圾填埋场衬层。从我国《城市生活垃圾卫生填埋技术标准》(CJJ 17－88)中关于压实土衬垫使用的土料可以看出，在满足要求的前提下，2007规范允许使用所有可能的土质材料。《环境保护与环境卫生标准规范实施手册》中指出，如若附近有大量良好的土壤层，可优先考虑使用天然衬垫系统。因此，如何对黄土土壤进行改性使其满足垃圾填埋场的稳定性和防渗性能的要求，做到因地制宜，从而节省人工防渗材料的费用，是诸多学者目前研究的方向。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种改性黄土及其制备方法和应用。通过对黄土进行改性，提高黄土的比表面积，减少黄土孔隙数量，降低渗透系数；使其得以用于制备垃圾填埋场用防渗衬垫；实现黄土资源的充分利用，节约垃圾填埋场的建造成本，减少垃圾渗滤液对地下水的污染。
本发明的技术方案之一，一种改性黄土，具体为利用纳米硅溶胶对黄土进行改性得到改性黄土。
本发明的技术方案之二，上述改性黄土的制备方法，具体包括以下步骤：将纳米硅溶胶溶液喷洒在黄土中使二氧化硅在黄土中的掺杂质量为3-14％，继续喷洒水使黄土的含水量达到15-17％，薄膜密封，置于干燥阴凉处放置2-3日后翻动混匀，养护3-5日得到改性黄土；纳米硅溶胶溶液中的二氧化硅的质量分数为 20-50％。
进一步地，将纳米硅溶胶溶液均匀喷洒在黄土中使二氧化硅在黄土中的掺杂质量为7％，纳米硅溶胶溶液中的二氧化硅的质量分数为40％，纳米硅溶胶粒为片状结构，粒径范围在5-100nm。
本发明的技术方案之三，上述改性黄土的应用；具体的：
将改性黄土作为吸附剂用于吸附垃圾渗滤液中的污染物；
或者，将改性黄土压实后用于制备垃圾填埋场用防渗衬垫。
进一步地，将改性黄土在105℃条件下烘至恒重后作为吸附剂用于吸附垃圾渗滤液中的污染物。
进一步地，用于制备垃圾填埋场用防渗衬垫时，改性黄土的压实系数为 0.91-1，防渗衬垫厚度为2m。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过使用纳米硅溶胶对黄土进行改性，一方面，由于纳米硅溶胶对于黄土中占大多数面积的中孔隙的填充作用较强，纳米硅溶胶填充了黄土颗粒间的大中孔隙，架空孔隙减少，镶嵌孔隙和胶结物孔隙逐渐增多，极大地降低了黄土的孔隙率，7％纳米硅溶胶的加入使改性黄土孔隙率下降了15.10％；另一方面，掺入的改性材料附着在黄土颗粒表面，导致黄土颗粒表面和边缘粗糙不清，增大了黄土的比表面积，7％纳米硅溶胶的加入使改性黄土的比表面积增加了 46.17％，并由此增加了吸附位点，提高了黄土的吸附性能。
(2)黄土土壤中纳米硅溶胶的存在可大大提高土壤的阳离子交换量，从而极大的提高黄土土壤对离子的吸附量，当本发明制备的改性黄土作为吸附剂用于吸附垃圾渗滤液中的污染物时，对垃圾渗滤液中典型污染物腐殖酸、Zn、Cu、 Pb、Cd的去除率分别为61.71％、99.40％、99.83％、99.85％、99.59％。此外，改性黄土对污染物表现出明显的选择吸附特性，吸附顺序为Pb＞Cu＞Cd＞Zn＞ HA，尤其是在土水比较小的情况下，这种趋势更为明显。
(3)使用本发明提供的改性黄土制备垃圾填埋场用防渗衬垫的出流时间要明显晚于黄土衬垫的出流时间，并且饱和渗透系数(1.2058×10-7cm·s-1)要明显小于黄土衬垫的饱和渗透系数(2.5×10-6cm·s-1)，如果增大压实系数，则可以满足生活垃圾填埋场天然防渗衬垫的防渗要求(≤10-7cm·s-1)，其原因在于：①纳米硅溶胶掺入黄土后填充了黄土的大中孔隙，架空孔隙减少，镶嵌孔隙和胶结物孔隙逐渐增多，土壤更为致密；②片状的纳米硅溶胶矿物不断填充附着于黄土颗粒之间，黄土颗粒表面变得粗糙，镶嵌孔隙和胶结物孔隙逐渐增多，增强了土颗粒间的连接，黄土结构更为均匀密实；③纳米硅溶胶颗粒的带电表面通常与黄土中的钙镁离子发生交换反应，改变了纳米硅溶胶周围的电价，纳米颗粒因此吸附结合的更为紧密，同时形成的絮凝体进一步填充于黄土孔隙之间，减小了黄土垫层的孔隙面积，从而降低了防渗垫层的渗透系数，且渗透系数较快达到了稳定。
本发明的纳米粘土改性压实黄土衬垫用于生活垃圾填埋场中，3个月后未出现渗透现象，防渗透效果显著，能够满足垃圾填埋场的稳定性和防渗性能的要求，实现因地制宜，大大节省人工防渗材料的费用，对黄土因地制宜的综合利用、填埋场防渗衬垫的合理设计及土壤、地表水和地下水的污染防治具有非常重要的现实意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明效果验证实验1中纯黄土、纳米硅溶胶和7％的改性黄土试样的10000倍扫描电镜照片；其中(a)为纯黄土，(b)为纳米硅溶胶，(c)为7％的改性黄土；
图2为本发明效果验证实验1中实验土样孔隙数量及面积分布；
图3为本发明效果验证实验2中土柱实验装置图；
图4为本发明效果验证实验2中柱1、柱2渗透系数对比曲线；
图5为本发明效果验证实验3中黄土和改性黄土对垃圾渗滤液中典型污染物 (HA、Zn、Cu、Pb、Cd)的去除率随黄土剂量变化的曲线；其中(a)为黄土， (b)为改性黄土；
图6为本发明效果验证实验3中黄土和改性黄土对垃圾渗滤液中典型污染物(HA、Zn、Cu、Pb、Cd)的去除率随反应时间变化的曲线；其中(a)为黄土， (b)为改性黄土；
图7为本发明效果验证实验3中采用拟一级动力学模型定量分析HA、Zn、 Cu、Pb、Cd的初始吸附速率图；其中(a)为黄土，(b)为改性黄土；
图8为本发明效果验证实验3中采用拟二级动力学模型定量分析HA、Zn、 Cu、Pb、Cd的初始吸附速率图；其中(a)为黄土，(b)为改性黄土；
图9为本发明效果验证实验3中浓度对典型污染物吸附性能的影响图；其中 (a)为黄土，(b)为改性黄土。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明以下实施例中，所使用的实验材料：
1.实验黄土取自山西省晋中市榆次区东赵乡一处农田区，属于离石黄土。将土样运回实验室，处理杂草砾石并烘干，过200目筛备用。采用激光粒度分布仪测定黄土的粒度，采用比表面积测试仪测定黄土比表面积、孔隙体积和孔径。黄土的基本性质和化学组成成分见表1和表2。
表1黄土的物理性质
表2黄土的化学成分组成
2.纳米硅溶胶是将无定型的二氧化硅分散制成的胶体，胶体溶液性质稳定，粒度均匀，分子式为mSiO2·H2O。本实验所用为广州惠泽环保科技有限公司的 40％浓度的纳米硅溶胶，粒径为10.6nm。纳米硅溶胶的特性见表3。
表3纳米硅溶胶的特性
实施例1
将黄土置于塑料薄膜上，利用干质量掺配法分别将纳米硅溶胶均匀喷洒到黄土中使黄土中二氧化硅的质量份数分别为3％、7％、14％，再喷洒一定量的纯水，使其含水量保持在17％，盖上塑料薄膜后置于干燥阴凉处，环境温度为15℃左右，相对湿度为55％左右。两日后依次翻动土样，保证纳米硅溶胶与黄土及其水分充分接触，养护5日(环境温度为15℃左右，相对湿度为55％左右)，得改性黄土。
效果验证实验1微观结构分析
1.1.分析方法
1.1.1扫描电镜实验
采用电子显微镜成像技术(SEM)扫描黄土和改性黄土颗粒，得到土样微结构的二维图像，可直观清楚地观察改性材料对土壤结构的作用结果、孔隙信息的变化情况以及改性材料在土壤中的存在形式和位置等；因此，取改性黄土试样新鲜断面进行真空干燥和表面镀金处理后进行扫描观察。利用JEM-3010电子显微镜对黄土、纳米硅溶胶和7％掺量的改性黄土进行3组电镜扫描实验。工作电压和电流分别是50KV和300μA。
1.1.2BET测试
比表面积和孔径是决定材料吸附性能的关键因素，反映了改性材料的吸附性能，可为改性黄土的后期应用提供参考。本发明采用的测定方法为BET多层N：气体吸附法(GA)，利用的仪器是型号为V-Sorb 2800TP的比表面积及孔径分析仪，进行样品比表面积的测定。测试样品的制备同电镜扫描试验，对黄土、7％掺量的改性黄土进行BET测试，以期得到纳米硅溶胶对黄土比表面积和孔径的影响。
1.1.3工业CT扫描技术结合数字图像处理技术，可以得到土壤孔隙信息的二维和三维信息。相较于研究土壤孔隙的传统方法压汞曲线、土壤水分特征曲线，工业CT扫描技术获取的是土样孔隙的真实存在数量和情况，并未对土壤孔隙进行简化。
(1)改性土样的制备
由于工业CT扫描技术是对改性土样孔隙分布情况的表征，因此需要制备的试验土样为饱和风干后的土柱样本。为使改性材料与黄土充分结合，扫描前一个月，在直径有机玻璃柱中，按照土壤容重1.6g/cm3，装填黄土和7％掺量的改性黄土样品。土柱填装好后，定水头水平积水入渗，直至土柱中的土样充分饱和。入渗结束后，将土柱置于干燥通风处充分养护并风干。待土柱内土样完全风干后，进行CT扫描成像。
(2)扫描试验步骤
第一步进行工业CT的扫描成像，CT成像设备采用美国GE公司生产的全能型X射线微纳米CT检测系统，工作电压为240kV，根据样品的尺寸，土壤 CT图像分辨率为66um；第二步通过ImageJ图像处理软件进行后期图像分析处理，来对黄土施加不同改性材料后孔隙结构进行定量分析。本研究中均取各个样品中具有代表性的部分土体结构进行土壤孔隙对比分析，所取基质体积为 13542.11mm2。
1.2微观结构具体分析结果
1.2.1扫描电镜实验结果
图1(a)、(b)、(c)分别为纯黄土、纳米硅溶胶和7％的改性黄土试样的10000 倍扫描电镜照片；从扫描结果可以看出，黄土颗粒形态为粒状-凝块类，外部由粘胶微细碎屑碳酸盐胶结。骨架颗粒连接形式为面胶结，接触处聚集相当多的粘土片，同时也夹着盐晶膜的连接。孔隙为架空-镶嵌类型，孔隙比周围颗粒的直径小，较为稳定。纳米硅溶胶粒为片状结构，粒径范围在5-100nm，溶胶粒子表面层有较多小分子。
随着7％纳米硅溶胶的加入，随着纳米硅溶胶掺量的不断增加，黄土颗粒表面被凝胶薄膜吸附或包裹的程度增加，颗粒边缘粗糙不清。颗粒间的架空孔隙大大减少，粒间接触由点接触逐渐向面接触转化，粒间间隙逐渐被填充，土样结构的密实度增强。
1.2.2BET测试结果
黄土及7％掺量的纳米硅溶胶改性黄土样品的BET测试结果如表4所示。
表4供试材料比表面积及孔径测试结果
从表4可以看出，添加7％纳米硅溶胶的土样的比表面积增大，较未添加前增加了46.15％。从改性材料的电镜扫描结果(图1b)分析可知，纳米硅溶胶表面粗糙，孔隙结构分布不均，具有明显的孔隙结构，这些特征将有效增加纳米硅溶胶的比表面积。观察对比改性黄土的扫描电镜结果可以发现，纳米硅溶胶增大黄土比表面积的原因有二。一方面，纳米硅溶胶填充了黄土颗粒间的大中孔隙；另一方面，掺入的改性材料附着在黄土颗粒表面，导致黄土颗粒表面和边缘粗糙不清，增大了黄土的比表面积。
1.2.3工业CT扫描结果
将土样进行工业CT扫描后，通过ImageJ软件进行孔隙量化计算，表5为改性材料的孔隙数量、孔隙体积及其整体孔隙率的数据结果。本研究中土壤CT 图像分辨率为66um，故本文的讨论仅限于66um以上的孔隙。从表5的数据分析可知，7％掺量纳米硅溶胶的施加，增加了黄土的孔隙数，减小了土样的孔隙体积，改性黄土的整体孔隙率小于纯黄土的孔隙率。黄土的孔隙率由2.85％降低到1.97％，孔隙率的减少率为30.84％，这可能是由于掺入黄土中的纳米硅溶胶遇水后膨胀形成胶凝体，填充于黄土孔隙中，同时又充当了胶结剂，将黄土颗粒胶结在一起，减小了黄土中的孔隙数量，增大了土样的比表面积。这一点从BET 实验结果中也可以得到证实，掺加7％纳米硅溶胶的改性黄土的比表面积从26.12 m2/g上升到38.17m2/g。
表5改性材料工业CT扫描分析结果
为了进一步分析改性材料对黄土孔隙分布的影响，对扫描结果数据进一步分析，参考土颗粒的划分标准，结合本研究的扫描精度，将土样中的孔隙进行分类：大孔隙(R≥200um)，中孔隙(75um≤R＜200um)，小孔隙(33um≤R＜75um)。将扫描结果的数据按照以上分类标准进行统计，结果如图2所示。
从图2可以看出，在黄土和添加7％纳米硅溶胶的土样中，小孔隙的数量远远大于中孔隙和大孔隙的数量，然而中孔隙的总面积却要比大孔隙和小孔隙的总面积大。所以，中孔隙对土体的物理性质起着主要作用。
通过对比图2的柱形图(孔隙数量)和条形图(孔隙体积)可以看出，添加 7％纳米硅溶胶的改性黄土的孔隙率下降了15.10％，其中大中孔隙数量及面积均有明显下降，而小孔隙的数量显著增加，面积变化不大，这说明纳米硅溶胶掺入黄土后吸水膨胀，填充了黄土的大中孔隙，架空孔隙减少，镶嵌孔隙和胶结物孔隙逐渐增多，极大地降低了黄土的孔隙率。分析可能是由于纳米硅溶胶对于黄土中占大多数面积的中孔隙的填充作用较强。
效果验证实验2纳米硅溶胶改性压实黄土衬垫的减渗效应研究
2.1实验装置
土柱实验装置如图3所示。由上而下分别为马氏瓶、有机玻璃柱、滤出液收集瓶。马氏瓶的高为30cm，内径为5cm，瓶身贴有分度为1cm的刻度。有机玻璃柱高40cm，内径为10cm，包括柱身、漏斗和出水口三部分。出水口连接橡胶管到收集滤出液的锥形瓶中。
2.2实验方案与方法
实验方案：对黄土衬垫和纳米硅溶胶改性黄土衬垫的防渗层进行土柱实验研究。实验持续3个月。实验变量设计见表6所示。
表6土柱实验变量设计
实验方法：实验用土柱的制备按下列步骤：①制备土样：根据最优含水率 (17％)制备土样，养护2天。②装填土样：第一步装填砂子3cm；第二步装填土样，土样的装填分5层装填，每次装填的高度为2cm。第三步，装填砂子3cm 至土柱刻度到16cm。压实系数为0.91。③养护土柱；保持上层砂子湿润，养护土柱5天。④上样：按实验要求向带刻度的马氏瓶和玻璃柱中注入提前制备好的渗滤液，并保持实验所需的水头的高度34cm。⑤监测：监测渗透系数及淋出液中污染物浓度的变化。用棕色试剂瓶每天收集一组淋出液样，测定淋溶液的体积及重金属和腐殖酸浓度。
腐殖酸浓度由TOC浓度表征，通过TOC分析仪进行测定，重金属浓度利用原子分光光度法测定。分别用入渗量和渗出量，通过达西定律计算防渗层的渗透系数：
Q＝K·A·H1/H2＝KAI (1)
K＝Q×L/(△h·A·t) (2)
式中：Q---入渗量；
K---渗透系数；
△h---分别为实验柱上、下端处水头差；
L---防渗层的厚度；
I---水力坡度；
t---时间间隔。
2.3纳米硅溶胶改性压实黄土衬垫渗透系数的变化规律及机理
在实验监测的三个月内，土柱1和土柱2的防渗衬垫渗透系数的变化规律如图4所示。从图4可以看出，土柱1的出水时间为3.4天，渗透系数呈现先增大 (3.48-17天)～再减小(17-54.6天)～最后稳定(54.62-92.21天)的趋势，渗透系数在8.99天达到最大，为5.20×10-6cm·s-1；接着渗透系数逐渐减小，最后在 41天左右稳定在2.5×10-6cm·s-1左右。这是因为垃圾渗滤液刚刚入渗到黄土中时，改变了黄土的物理化学性质，渗透系数呈现波动的状态，随着时间的推移，黄土的结构在渗滤液的作用下更为致密，渗滤液与黄土成分反应形成的沉淀也填充了黄土的孔隙，因此渗透系数逐渐变小并稳定。
相对于土柱1，土柱2的出水时间较晚，为9.01天，但渗透系数的变化趋势为先短期波动，然后达到稳定。渗透系数在57.28天达到稳定，为1.2058×10-7 cm·s-1；如果增大压实系数，则可以满足生活垃圾填埋场天然防渗衬垫的防渗要求(≤10-7cm·s-1)。
对比土柱1和土柱2发现，土柱2的渗透系数要明显小于土柱1的渗透系数 (一个数量级)；土柱2的出水时间比土柱1晚5.61天。结合上一节对改性黄土微观结构的分析可知，以上差异的原因可能是由于：(1)纳米硅溶胶掺入黄土后填充了黄土的大中孔隙，架空孔隙减少，镶嵌孔隙和胶结物孔隙逐渐增多，土壤更为致密；(2)片状的纳米硅溶胶矿物不断填充附着于黄土颗粒之间，黄土颗粒表面变得粗糙，镶嵌孔隙和胶结物孔隙逐渐增多，增强了土颗粒间的连接，黄土结构更为均匀密实；(3)纳米硅溶胶颗粒的带电表面通常与黄土中的钙镁离子发生交换反应，改变了纳米硅溶胶周围的电价，纳米颗粒因此吸附结合的更为紧密，同时形成的絮凝体进一步填充于黄土孔隙之间，减小了黄土垫层的孔隙面积，从而降低了防渗垫层的渗透系数，且渗透系数较快达到了稳定。
效果验证实验3纳米硅溶胶改性压实黄土衬垫的截污效应研究
3.1实验材料
渗滤液的制备：选取典型污染物Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ) 和腐殖酸，Pb(NO3)2、Cd(NO3)2、Cu(NO3)2、Zn(NO3)2均为化学纯，购于国药有限公司，腐殖酸为化学纯，购于天津市津科精细化工研究所。将以上试剂溶于蒸馏水中配置一定浓度的重金属和腐殖酸混合储备溶液备用，并用HNO3和NaOH 溶液调节pH为4左右。
吸附实验所用的改性黄土样品与SEM实验相同。
3.2实验方案与方法
以黄土和7％掺量的纳米硅溶胶改性黄土为研究对象，分别研究振荡时间、初始浓度及pH对样品吸附重金属及腐殖酸的影响。实验方案如表7所示。
表7重金属/腐殖酸静态吸附实验方案
称取样品1.00g于50ml聚酯离心管中(设置三个平行样品)，加入一定浓度的腐殖酸或重金属溶液40ml。在一定pH条件下(用HNO3和NaOH溶液调节 pH)，在恒温(25℃)下，于200rpm的振荡器上水平振荡相应时间后，低温(4℃) 离心10min(12500rpm)过滤。测定滤液中的TOC浓度，重金属浓度，pH及EC值，并利用X射线衍射仪(XRD)、傅立叶红外光谱仪(FTIR)测定吸附后样品的矿物成分、官能团和元素分布。
吸附量qt由以下计算公式可得：
式中，C0：初始浓度(mg·L-1)
Ct：t时刻的浓度(mg·L-1)
V：溶液体积(L)
m：吸附剂质量(g)。
去除率(R)由以下计算公式可得：
拟一级动力学方程(Lagergren方程)：
ln(qe-qt)＝lnqe-k1t (5)
式中，qe和qt分别为平衡时和t时刻腐殖酸对金属离子的吸附量(mg·g-1)，下同；k1为拟一级吸附速率常数(min-1)。以ln(qe-qt)对t作图，得到一条直线，根据直线的斜率和截距可以计算出k1和qe1 cal(平衡吸附量的计算值)。
拟二级动力学方程：
式中，k2为拟二级吸附速率常数(g·mg-1·min-1))。通过
对t作图得到直线的斜率。
3.3纳米硅溶胶改性黄土对垃圾渗滤液中典型污染物的吸附性能及机理分析
3.3.1剂量对典型污染物吸附性能的影响
图5分别是黄土和改性黄土对垃圾渗滤液中典型污染物(HA、Zn、Cu、Pb、 Cd)的去除率随黄土剂量变化的曲线。
从图中可以看出，(1)随着黄土和纳米硅溶胶改性黄土剂量的增大，HA、 Zn、Cd的去除率迅速增大，而Cu和Pb的去除率一直很高，增加剂量对去除率基本没有影响。剂量为125g·L-1时，改性黄土对HA的最大去除率为61.71％，相对黄土的最大去除率81.85％低，这可能是由于纳米硅溶胶本身存在的可溶性有机碳含量较大。(2)改性黄土对Zn的最大去除率为99.40％，对Cu的最大去除率为99.83％，对Pb的最大去除率为99.85％，对Cd的最大去除率为99.59％，相比黄土，均有所提高。这是由于，一方面，掺入的改性材料附着在黄土颗粒表面，导致黄土颗粒表面和边缘粗糙不清，增大了黄土的比表面积，增加了吸附点位。另一方面，土壤中纳米硅溶胶的存在可大大提高土壤的阳离子交换量，一定程度影响土壤对离子的吸附量。(3)改性黄土对垃圾渗滤液典型污染物的去除率顺序为Pb＞Cu＞Cd＞Zn＞HA。
3.3.2反应时间对典型污染物吸附性能的影响
图6分别是黄土和改性黄土对垃圾渗滤液中典型污染物(HA、Zn、Cu、Pb、 Cd)的去除率随反应时间变化的曲线。随着时间的增加，HA、Zn、Cd的去除率呈现先显著增加，随后达到稳定的趋势。Pb和Cu的去除率在反应时间为 240min的时候达到了稳定。
采用拟一级动力学模型和拟二级动力学模型定量分析HA、Zn、Cu、Pb、 Cd的初始吸附速率，拟合直线和拟合参数分别见图7、图8和表8。由表8可知，拟二级动力学对纳米硅溶胶改性黄土的实验结果数据拟合的相关系数基本都大于0.99，由拟二级动力学模型计算得到的单位质量平衡吸附量(HA、Zn、Cu、 Pb、Cd)分别为0.2335mg/L，0.3870mg/L，0.9955mg/L，1.0171mg/L，0.6672mg/L，与实测平衡吸附量(0.2320mg/L，0.2788mg/L，0.9945mg/L，1.0168mg/L，0.6635mg/L)相一致，表明拟二级动力学模型更适合描述纳米硅溶胶改性黄土吸附垃圾渗滤液典型污染物的动力学过程。准二级动力学模型是以化学吸附为基础的，因此吸附过程可能发生了化学反应。
表8吸附动力学参数
3.3.3浓度对典型污染物吸附性能的影响
图9为浓度对典型污染物吸附性能的影响，从图中可以看出，初始浓度对 Cu和HA吸附量的影响较大，随着浓度的升高，黄土和纳米硅溶胶改性黄土对 Cu和HA的吸附量明显升高。而浓度对Cd和Zn吸附量的影响较小。对比(a)、(b)两图可以发现，在相同的初始浓度下，纳米硅溶胶改性黄土对垃圾渗滤液中典型污染物的吸附量均较黄土的吸附量大。
在实际应用中，本发明通过将制得的改性黄土按照纳米硅溶胶掺量7％，压实系数0.91，以及最大干密度(压实系数1)压实制备厚度为2m生活垃圾填埋场用防渗衬垫，结果显示，3个月后均未出现渗透现象，防渗效果显著。
另外，通过采用上述同样的实验方法对实施例1中利用干质量掺配法分别将 3％、14％的纳米硅溶胶均匀喷洒到黄土中制得的改性黄土进行分析验证，通过土柱实验和吸附实验对比不同掺量下改性黄土的防渗和吸附作用可以看出，当二氧化硅溶胶的掺量从3％增大到14％时，改性黄土的渗透系数逐渐下降，对典型污染物的去除率逐渐增大。但当纳米二氧化硅溶胶的掺量大于7％后，改性黄土渗透系数的下降和污染物的去除率的增大不明显；另外实验发现，掺量大于14％后，改性黄土颗粒内容易形成团聚体，从而增大了黄土的孔隙率和改性黄土发生裂隙的可能。因此同时考虑施工成本和改性效果，本发明推荐使用的纳米二氧化硅溶胶掺量为3-14％。
通过以上分析，得出结论：
(1)利用电子显微镜(SEM)及工业CT扫描观察改性黄土孔隙结构的变化，研究纳米硅溶胶对黄土物理性质的影响。结果表明，随着7％纳米硅溶胶的加入，黄土的比表面积较未添加前增加了46.15％，孔隙率下降了15.10％。纳米硅溶胶掺入黄土后吸水膨胀，填充了黄土的大中孔隙，架空孔隙减少，镶嵌孔隙和胶结物孔隙逐渐增多，极大地降低了黄土的孔隙率。分析可能是由于纳米硅溶胶对于黄土中占大多数面积的中孔隙的填充作用较强。
通过土柱实验，研究纳米改性压实黄土衬垫渗透系数的变化规律，研究改性黄土衬垫的减渗效应。结果表明黄土衬垫的变化趋势呈现先增大～再减小～最后稳定的趋势，纳米硅溶胶改性压实黄土衬垫呈现先短期波动～后达到稳定的趋势。纳米硅溶胶改性压实黄土衬垫的出流时间要明显晚于黄土衬垫的出流时间，并且饱和渗透系数(1.2058×10- 7cm·s-1)要明显小于黄土衬垫的饱和渗透系数 (2.5×10-6cm·s-1)，如果增大压实系数，则可以满足生活垃圾填埋场天然防渗衬垫的防渗要求(≤10-7cm·s-1)。
(2)通过吸附实验，研究纳米硅溶胶改性黄土对垃圾渗滤液中典型污染物 HA、Zn、Cu、Pb、Cd的吸附作用。结果表明，纳米硅溶胶改性黄土对污染物的去除效果显著，对重金属的去除率较黄土均有明显提高。准二级动力学模型可以很好地拟合吸附动力学实验数据。去除率受剂量、吸附时间和初始浓度影响显著。最优土水比为125g/L，对典型污染物HA、Zn、Cu、Pb、Cd的去除率分别为61.71％、99.40％、99.83％、99.85％、99.59％。此外，在改性黄土对污染物的表现出明显的选择吸附特性，吸附顺序为Pb＞Cu＞Cd＞Zn＞HA，尤其是在土水比较小的情况下，这种趋势更为明显。
综上所述，本发明对纳米硅溶胶改性黄土的微观结构及改性黄土衬垫的防渗截污效应进行研究。研究结果对黄土因地制宜的综合利用、填埋场防渗衬垫的合理设计及土壤、地表水和地下水的污染防治具有非常重要的现实意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种改性黄土，其特征在于，利用纳米硅溶胶对黄土进行改性得到改性黄土。
2.一种根据权利要求1所述的改性黄土的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：将纳米硅溶胶溶液均匀喷洒在黄土中使二氧化硅在黄土中的掺杂质量为3-14％，继续喷洒水使黄土的含水量达到15-17％，薄膜密封，置于干燥阴凉处放置2-3日后翻动混匀，养护3-5日得到改性黄土；纳米硅溶胶溶液中的二氧化硅的质量分数为20-50％。
3.根据权利要求2所述的改性黄土的制备方法，其特征在于，将纳米硅溶胶溶液喷洒在黄土中使二氧化硅在黄土中的掺杂质量为7％，纳米硅溶胶溶液中的二氧化硅的质量分数为40％，纳米硅溶胶粒为片状结构，粒径范围在5-100nm。
4.一种根据权利要求1所述的改性黄土的应用，其特征在于，
将改性黄土作为吸附剂用于吸附垃圾渗滤液中的污染物；
或者，将改性黄土压实后用于制备垃圾填埋场用防渗衬垫。
5.根据权利要求4所述的改性黄土的应用，其特征在于，将改性黄土在105℃条件下烘至恒重后作为吸附剂用于吸附垃圾渗滤液中的污染物。
6.根据权利要求4所述的改性黄土的应用，其特征在于，用于制备垃圾填埋场用防渗衬垫时，改性黄土的压实系数为0.91-1，防渗衬垫厚度为2m。
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