CN202390861U

CN202390861U - 一种适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫

Info

Publication number: CN202390861U
Application number: CN201120478930XU
Authority: CN
Inventors: 杜延军; 魏明俐
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-11-26
Filing date: 2011-11-26
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2021-11-26

Abstract

本实用新型公开了一种适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫，该土工衬垫包括第一土工层、第二土工层和纳米膨润土复合材料，所述的纳米膨润土复合材料固定连接在第一土工层和第二土工层之间，所述的第一土工层为土工织物或土工膜，第二土工层为土工织物或土工膜。该土工衬垫在含多价阳离子矿物的环境中使用，渗透系数稳定，具有良好的防渗性能。

Description

一种适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫

技术领域

本实用新型属土木工程、环境岩土工程技术领域，具体来说，涉及一种适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫，该土工衬垫可用于防渗工程，包括垃圾填埋场放渗、封顶系统；储油罐、油库底层防渗；人工湖，蓄水池及污水池防水。

背景技术

传统钠基膨润土衬垫具有高膨胀性和高吸水能力，主要用于污染物的隔离，钠基膨润土具有的半透膜效应，使其反渗透和防扩散效果明显。然而，钠基膨润土衬垫的隔离能力依赖于黏土矿物颗粒表面吸附具交换性质的综合体中占主导地位阳离子的价位。当交换综合体被单价阳离子(如钠离子)控制时，膨润土组分中的蒙脱石因为吸水而致晶体间膨胀，从而降低渗透性。相反，如果多价阳离子控制交换综合体，吸附作用则会增加渗透性。举例说明，离子交换过程中(包括孔隙水溶液)存在钙离子时，钠基膨润土矿物组分中的多价阳离子为单价阳离子替换后，减少或削弱了膨胀性，从而降低膨润土功能的有效性；与之相似，高浓度单价溶液也会限制渗透膨胀。

针对传统钠基膨润土衬垫具有的上述缺陷，寻找一种适应性强，价格低廉，无污染，性能稳定的新型土工衬垫成为业内人士日益关注的焦点。

发明内容

技术问题：本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫，该土工衬垫在含多价阳离子矿物的环境中使用，渗透系数稳定，具有良好的防渗性能。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫，该土工衬垫包括第一土工层、第二土工层和纳米膨润土复合材料，所述的纳米膨润土复合材料固定连接在第一土工层和第二土工层之间，所述的第一土工层为土工织物或土工膜，第二土工层为土工织物或土工膜。

有益效果：与现有的土工衬垫相比，本技术方案的土工衬垫具有以下有益效果：

1.本技术方案的土工衬垫具有良好的渗透性能和膨胀性能。本技术方案提供的土工衬垫中的纳米复合材料中的聚丙烯酸与膨润土颗粒存在较强的聚合作用，使土工衬垫具有良好的阻水效果和渗透膨胀能力。在不同浓度(10^-3mM-10³mM)的阳离子溶液浸泡下，本技术方案提供的土工衬垫的渗透系数小于3×10^-10cm/s，而传统的钠基土工衬垫的渗透系数大于1.9×10^-9cm/s。本技术方案提供的土工衬垫的渗透系数远远小于传统的钠基膨润土土工衬垫的渗透系数，且本技术方案提供的土工衬垫的渗透系数稳定，不会受阳离子溶液浓度的变化而发生大幅变化。同时，在较低的渗透系数下，本技术方案提供的土工衬垫的膨胀指数较高，渗透膨胀性较好。

2.适应含多价阳离子的矿物环境。传统的钠基膨润土土工衬垫的隔离能力依赖于黏土矿物颗粒表面吸附具交换性质的综合体中占主导地位阳离子的价位。当多价阳离子控制交换综合体，吸附作用则会增加渗透性。因此，钠基膨润土土工衬垫不适用于含多价阳离子的矿物环境中。而本实用新型提供的土工衬垫对多价位金属液固体侵入具有较强的抵抗和隔离作用。本实用新型中的纳米膨润土复合材料遇水会形成更加致密的胶结状结构，隔离能力受此结构特征影响明显。阳离子的吸附作用与之相比，作用力较小，宏观表现为稳定的低渗透性。因此，本实用新型提供的土工衬垫适应含多价阳离子的矿物环境。

3.本技术方案的土工衬垫价格低廉、无污染、性能稳定。制备本实用新型的土工衬垫过程中，膨润土市场价格低廉，同时，所用的溶液均为常见化工溶液，容易获取，且价格较低。另外，制备本实用新型的土工衬垫过程中，不会产生环境污染。制备的土工衬垫的性能稳定。

附图说明

图1是本实用新型的土工衬垫的结构剖视图。

图2是依据实施例和对比例绘制的传统钠基膨润土土工衬垫和本实用新型提供的土工衬垫的渗透系数随CaCl₂溶液浓度的变化规律图。

图3是依据实施例和对比例绘制的传统钠基膨润土土工衬垫和本实用新型提供的土工衬垫的渗透系数随膨胀指数变化规律图。

图中有：1.第一土工层，2.第二土工层，3.纳米膨润土复合材料。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型的技术方案做进一步详细的描述。

如图1所示，本实用新型的一种适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫，包括第一土工层1、第二土工层2和纳米膨润土复合材料3。纳米膨润土复合材料3固定连接在第一土工层1和第二土工层2之间。第一土工层1为土工织物或土工膜，第二土工层2为土工织物或土工膜。

上述的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫的制备方法，包括以下步骤：

101：制备纳米膨润土复合材料；

102：将步骤101中制备的纳米膨润土复合材料3固定连接在第一土工层1和第二土工层2之间。

所述的步骤101具体包括下列步骤1011-1014：

1011.将浓度≥99.0％的丙烯酸用蒸馏水或去离子水稀释至20％-25％，并震荡均匀，形成丙烯酸稀释液。

1012.将研磨到纳米级的钠基膨润土粉末，缓慢加入步骤1011中的丙烯酸稀释液中，混合并震荡均匀，形成膨润土研磨液；其中，钠基膨润土粉末占丙烯酸稀释液重量的30％-50％。

1013.在步骤1012的膨润土研磨液中加入过二硫酸钠溶液作为诱发剂，然后再缓慢加入氢氧化钠粉末，中和步骤1012中的膨润土研磨液，形成复合膨润土浆液；其中，过二硫酸钠溶液占膨润土研磨液重量的0.6％-1.2％。

在步骤1013中，当膨润土研磨液形成后，将浆液温度提升至过二硫酸钠诱发剂的分解温度来促进聚合反应发生。此过程是为了促使诱发剂分解而形成一到多个自由基。在聚合过程中，自由基与丙烯酸的双键结合形成新的自由基来形成聚合物链。

1014.烘干复合膨润土浆液，形成复合膨润土凝结材料，然后研磨复合膨润土凝结材料，过1mm筛，形成纳米膨润土复合材料3。

在步骤1014中，最终制成的纳米膨润土复合材料3可以具有2％-5％的含水率。

本实用新型的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫，具有良好的渗透膨胀能力。传统钠基膨润土土工衬垫的防渗功能是由于膨润土的存在，具有遇水膨胀，失水收缩的特性。但是，传统的钠基膨润土土工衬垫处于多价阳离子的环境中，钠基膨润土土工衬垫的结构会被多价阳离子破坏，钠基膨润土土工衬垫的性能稳定性大幅下降。而本实用新型提供的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫，在制备过程中，烘干时，过二硫酸钠发生分解，从而形成单个或多个自由基；在分解过程中，自由基打破丙烯酸的双键结构形成新的自由基，新自由基与膨润土微粒形成多元链状结构，使其结构稳定性明显提高。同时，纳米膨润土复合材料中的丙烯酸与膨润土颗粒存在较强的聚合作用，使土工衬垫具有良好的阻水效果和渗透膨胀能力。

下面通过具体实施例来说明本技术方案的性能。以下实施例中通过膨胀指数测试，以膨胀指数来说明实验对象的膨胀性能，膨胀指数越高，膨胀性能越佳；通过渗透性测试，以渗透系数来说明实验对象的渗透性能，渗透系数越高，渗透性能越差。

实施例1

实验条件：

关于氯化钙溶液：氯化钙溶液的制备通过溶解二水氯化钙盐于去离子水中来制备。氯化钙溶液中的钙离子浓度通过电感耦合等离子体光谱仪测试，

试验规程遵循国家标准(GB/T 50123-1999)。

关于土工衬垫：按照本实用新型提供的制备方法制取的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫。

关于膨胀指数测试：遵循国家标准(GB/T 50123-1999)。材料100％过200目标准筛。

关于渗透性测试：通过柔性壁渗透仪进行，遵循国家标准(GB/T19979.2-2006)。

实验过程：

在小于0.05mM浓度的氯化钙溶液中，加入适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫，浸泡48个小时，然后分别进行膨胀指数测试和渗透性测试。

实验结果：

本技术方案的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫的膨胀指数是膨胀指数73.0mL/2g，渗透系数是1.9×10^-10cm/s。

实施例2

实施例2的实验条件和实验过程与实施例1相同，不同的是实验过程中氯化钙溶液的浓度是5mM。

实验结果：本技术方案的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫的膨胀指数是膨胀指数46.5mL/2g，渗透系数是1.8×10^-10cm/s。

实施3

实施例3的实验条件和实验过程与实施例1相同，不同的是实验过程中氯化钙溶液的浓度是50mM。

实验结果：本技术方案的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫的膨胀指数是膨胀指数19.0mL/2g，渗透系数是2.8×10^-10cm/s。

实施4

实施例5的实验条件和实验过程与实施例1相同，不同的是实验过程中氯化钙溶液的浓度是500mM。

实验结果：本技术方案的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫的膨胀指数是膨胀指数7.0mL/2g，渗透系数是1.3×10^-10cm/s。

对比例1

实验条件：和实施例1相同，不同的是土工衬垫采用传统的钠基膨润土土工衬垫，通过购买市场上销售的上海盈帆环保材料有限公司生产的钠基膨润土土工衬垫。

实验过程：

在小于0.05mM浓度的氯化钙溶液中，加入钠基膨润土土工衬垫，浸泡48小时，然后分别进行膨胀指数测试和渗透性测试。

实验结果：传统的钠基膨润土土工衬垫的膨胀指数是膨胀指数30.5mL/2g，渗透系数是1.7×10^-9cm/s。

对比例2

对比例2的实验条件和实验过程与对比例1相同，不同的是实验过程中氯化钙溶液的浓度是5mM。

实验结果：传统的钠基膨润土土工衬垫的膨胀指数是膨胀指数28.5mL/2g，渗透系数是1.8×10^-9cm/s。

对比例3

对比例3的实验条件和实验过程与对比例1相同，不同的是实验过程中氯化钙溶液的浓度是50mM。

实验结果：传统的钠基膨润土土工衬垫的膨胀指数是膨胀指数10.0mL/2g，渗透系数是2.4×10^-5cm/s。

对比例4

对比例4的实验条件和实验过程与对比例1相同，不同的是实验过程中氯化钙溶液的浓度是500mM。

实验结果：传统的钠基膨润土土工衬垫的膨胀指数是膨胀指数8.5mL/2g，渗透系数是4.5×10^-5cm/s。

结合表1、图1和图2，以及上述四个实施例和四个对比例，可以看出：与传统钠基膨润土土工衬垫相比，本实用新型提供的土工衬垫的膨胀性能和渗透性能更佳，适应性更强，性能更稳定。表1是传统钠基膨润土土工衬垫和本实用新型提供的土工衬垫通过膨胀指数测试和渗透性测试的结果。图2是依据表1绘制的渗透系数随CaCl₂溶液浓度的变化规律图，其中，横坐标表示氯化钙溶液的浓度，单位mM，纵坐标表示渗透系数，单位cm/s。图2中，带有空心圆的实线表示传统钠基膨润土土工衬垫的渗透系数随氯化钙溶液的浓度变化的情况，带有实心矩形的实线表示本实用新型提供的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫的渗透系数随氯化钙溶液的浓度变化的情况。图3是依据表1绘制的渗透系数随膨胀指数变化规律图，其中，横坐标表示膨胀指数，单位mM，纵坐标表示渗透系数，单位cm/s。图3中，带有空心圆的实线表示传统钠基膨润土土工衬垫的渗透系数随膨胀指数的变化的情况，带有实心矩形的实线表示本实用新型提供的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫的渗透系数随膨胀指数变化的情况。在图2中，随着氯化钙溶液的浓度的增加，传统的钠基膨润土土工衬垫的渗透系数也增加，在氯化钙溶液浓度高于100mM时，钠基膨润土土工衬垫的渗透系数大于2×10^-5cm/s，渗透性差；而本实用新型提供的适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫的渗透系数渗透系数较低，小于3×10^-10cm/s，且不随氯化钙溶液浓度的增加而大幅增加，渗透性佳，阻水效果显著。图3中，在稳定的低渗透性(渗透系数较低)条件下，本实用新型提供的土工衬垫可以达到较高的膨胀量。

表1

Claims

1.一种适用于含多价阳离子矿物环境的土工衬垫，其特征在于，该土工衬垫包括第一土工层(1)、第二土工层(2)和纳米膨润土复合材料(3)，所述的纳米膨润土复合材料(3)固定连接在第一土工层(1)和第二土工层(2)之间，所述的第一土工层(1)为土工织物或土工膜，第二土工层(2)为土工织物或土工膜。