大南湖二礦天然剝離物納米改性及防滲性能研究*

丁志杰，楊振凱，肖明，魏英楠

(1.大地工程開發(fā)（集團(tuán)）有限公司， 北京 100102；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

哈密大南湖電廠是國(guó)家“疆電外送”首批配套電源項(xiàng)目，是特高壓真流輸電線路的重要支撐電源。電廠在生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量危害環(huán)境及人體健康的固體廢物，電廠灰渣作為電廠產(chǎn)生的主要固體廢物，如何對(duì)其進(jìn)行處理是電廠亟需解決的難題[1]。

垃圾填埋是處理固體廢物的一種主要方式[2-3]，但這種方式極易受到外界的影響，在固體廢物的填埋和降解過(guò)程中，一些可溶性的污染物會(huì)進(jìn)入雨水或地表水形成滲濾液，并向下流動(dòng)，進(jìn)而污染土壤及地下水，對(duì)環(huán)境造成危害，形成二次危害[4]。一般的處理方式為在垃圾填埋場(chǎng)底部埋設(shè)一層防滲襯墊以防止?jié)B濾液造成二次危害，根據(jù)一般工業(yè)固體廢物貯存處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)，防滲襯墊的滲透系數(shù)應(yīng)小于1.0×10-7cm/s[5]。大南湖電廠灰渣填埋處防滲襯墊層材料的選擇是保障電廠灰渣不污染環(huán)境的一個(gè)重要因素，大南湖二礦的剝離物中有很多天然的防滲材料，如黏土、粉煤灰等，國(guó)內(nèi)很多專家學(xué)者對(duì)黏土及粉煤灰進(jìn)行了改性研究，李隋[6]等用沸石、粉煤灰、石英對(duì)黏土加膨潤(rùn)土進(jìn)行了改性，使其防滲性能及對(duì)污染物的去除能力大大提升；董軍[7]等對(duì)天然黏土分別進(jìn)行了有機(jī)、無(wú)機(jī)和有機(jī)-無(wú)機(jī)混合改性，使黏土的吸附能力和防滲性能均得到了提高，王鐵軍[8]提出了石灰加黏土與粉煤灰加黏土的復(fù)合防滲層，其防滲性能達(dá)到了國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

納米材料作為新型材料，已廣泛應(yīng)用于防滲領(lǐng)域，可采用納米材料對(duì)混凝土材料進(jìn)行改性，優(yōu)化其微觀結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能及防滲性能[9-10]；對(duì)納米防水涂料進(jìn)行改性，可提高其力學(xué)性能，且賦予防水涂料一些新的性能[11-12]；在垃圾填埋場(chǎng)中也有納米高分子技術(shù)的應(yīng)用[13-14]。因其粒徑小、比表面能高、穩(wěn)定的特點(diǎn)，納米材料已應(yīng)用到海洋工程、水利工程、公路[15-17]等多領(lǐng)域，但在電廠灰渣填埋場(chǎng)防滲襯墊的應(yīng)用比較少，故有必要研究納米材料對(duì)天然防滲材料的影響，并評(píng)估其是否可以應(yīng)用到貯灰場(chǎng)防滲襯墊的材料中。

本文對(duì)大南湖二礦排棄物物料性質(zhì)進(jìn)行分析，尋找具有防滲性能的天然物料，并在滲透性較低的材料中添加納米材料，測(cè)試其納米材料改性后的滲透系數(shù)，這種天然剝離物加納米材料的復(fù)合防滲方法既可節(jié)省成本，又可消耗相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)廢渣，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)效益。

1 地質(zhì)概況

大南湖二礦位于哈密市西南部，屬低山丘陵區(qū)，海拔高度+420～+567 m，地勢(shì)南、東部及北部較高、中部稍低，地形高差147 m，地表為殘積、坡積的巖屑層所覆蓋，工作區(qū)內(nèi)揭露地層由中生界侏羅系、新生界古近系、新近系、第四系組成。自下而上地層層序?yàn)椋合沦_統(tǒng)三工河組、中侏羅統(tǒng)西山窯組、頭屯河組(J2t)、古近系、新近系、第四系，其剝離礦物種類主要有黏土、砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、礫巖等。礦區(qū)范圍內(nèi)無(wú)地表徑流及其他水體，地下水經(jīng)抽水孔采樣化驗(yàn)，礦化度 16.5～48.1 g/L，為鹽水，水質(zhì)類型為 Cl-Na型水。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料及目的

本試驗(yàn)主要測(cè)試大南湖露天礦三種剝離物的滲透系數(shù)，尋找剝離物中是否存在滲透系數(shù)達(dá)到作為防滲層要求的天然材料，并用納米SiO2對(duì)這些天然剝離物進(jìn)行改性，測(cè)試其改性過(guò)后能否達(dá)到防滲涂層的要求。本試驗(yàn)三種剝離物為黏土、粉煤灰和脫硫土，如圖1所示，黏土取自大南湖二礦露天礦坑內(nèi)，呈塊狀，結(jié)構(gòu)致密，有一定的強(qiáng)度，遇水后立即軟化，顏色為黃色；粉煤灰和脫硫土取自大南湖電廠貯灰場(chǎng)，粉煤灰顆粒細(xì)小，部分膠結(jié)成塊狀，顏色為灰色，脫硫土也有部分膠結(jié)在一起，但強(qiáng)度不高，有一定的黏性，顏色為黃色。

圖1 大南湖二礦剝離物

2.2 樣品制作

因在露天礦坑內(nèi)所取黏土均為塊狀，故需先對(duì)黏土樣品進(jìn)行破碎，破碎之后再對(duì)樣品進(jìn)行研磨，使其成為粉末狀，樣品編號(hào)為N-1，N-2。粉煤灰及脫硫土為粉末狀，故無(wú)需進(jìn)行處理，粉煤灰樣品編號(hào)為F-1，F(xiàn)-2，脫硫土樣品編號(hào)為S-1，S-2。三種天然樣品每組種測(cè)試兩個(gè)樣品，再用納米SiO2對(duì)黏土及粉煤灰進(jìn)行改性，每種混合樣品測(cè)試一個(gè)，編號(hào)分別為C-2，C-3。共計(jì)8個(gè)樣品，見圖2。

圖2 樣品照片

2.3 試驗(yàn)儀器及步驟

本次試驗(yàn)參照《巖心常規(guī)分析方法》SY/T5336-2006。主要儀器為 Quzix驅(qū)替泵、ISCO 圍壓泵、壓力傳感器等。根據(jù)大南湖二礦地質(zhì)資料，本試驗(yàn)飽和用水為實(shí)驗(yàn)室配制的礦化為 30 g/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽水，室溫為 28℃，填砂管軸向壓實(shí)壓力為 3 MPa。

因所測(cè)樣品為土樣，故采用圓柱體活塞式巖心夾持器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟如下：

① 采用圓柱體活塞式填砂模型夾持器進(jìn)行試驗(yàn)，把送檢粉末放入夾持器中，模擬軸向施壓 3 MPa；

② 填充模型抽真空 3 h，真空度達(dá)到-0.1 MPa；③ 恒定壓力飽和地層水，飽和完全后加壓至2 MPa；

④ 根據(jù)樣品滲透率特征，選擇合適的壓力測(cè)試水相滲透率；

⑤ 記錄穩(wěn)定條件下壓力和流量，按公式（1）計(jì)算水測(cè)滲透率。

式中，K為水測(cè)滲透率；qw為流速，mL/s；μw為在測(cè)試溫度下水黏度，MPa·s；L為長(zhǎng)度，cm；A為截面積，cm2；P1為進(jìn)口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa；

3 滲透試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

在圓柱體活塞式巖心夾持器中對(duì)各樣品進(jìn)行試驗(yàn)，各樣品長(zhǎng)度為 30 cm，橫截面積為 4.917 cm2，均在巖芯夾持器中被盡量壓實(shí)，通過(guò)滲透性測(cè)試來(lái)測(cè)定各樣品的滲透性能，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后巖芯夾持器中的樣品已被水飽和，達(dá)到穩(wěn)定后，記錄其壓力和流量，如圖3和圖4所示，計(jì)算其水測(cè)滲透率，結(jié)果見表1。根據(jù)計(jì)算所得到的水測(cè)滲透率，通過(guò)式（2）可求得各樣品的滲透系數(shù)（見表2）。

圖3 各樣品流量隨時(shí)間變化規(guī)律

圖4 各樣品壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

表1 試驗(yàn)結(jié)果

式中，K為滲透系數(shù)；k為滲透率；ρ為液體密度；g為重力加速度；μ為液體黏滯系數(shù)。

根據(jù)表2繪制滲透率柱狀圖如圖5所示。從圖5中可以看出，在不考慮混合樣品的情況下，黏土樣品的滲透系數(shù)最小，兩個(gè)黏土樣品的滲透系數(shù)均在10-8數(shù)量級(jí)，其次為粉煤灰樣品，兩個(gè)粉煤灰樣品所測(cè)得滲透系數(shù)均在10-5數(shù)量級(jí)，脫硫土樣品所測(cè)得的滲透系數(shù)最大，均在10-4數(shù)量級(jí)；在這三種剝離物中，只有黏土樣品的滲透系數(shù)滿足固體防滲材料的要求，其余兩種樣品的滲透系數(shù)均大于1×10-7。從混合樣品的對(duì)比結(jié)果來(lái)看，C-2是對(duì)黏土樣品進(jìn)行納米改性之后的樣品，從圖5中可以看出，在黏土中加入納米材料對(duì)其滲透系數(shù)有一定的影響，改性之后的黏土樣品的滲透系數(shù)較天然黏土樣品的滲透系數(shù)有所增加，但其滲透系數(shù)仍然小于1×10-7，導(dǎo)致樣品滲透系數(shù)增大的原因可能是由于混合比例不是最優(yōu)或者納米材料團(tuán)聚而沒(méi)有發(fā)揮其填充效應(yīng)；C-3是對(duì)粉煤灰材料進(jìn)行納米改性后的樣品，從圖5可以看出，在粉煤灰樣品中加入納米材料改性后，相比于天然的粉煤灰材料其滲透系數(shù)從10-5數(shù)量級(jí)降低到了10-6數(shù)量級(jí)，此結(jié)果說(shuō)明納米材料的填充效應(yīng)對(duì)防滲材料的滲透性改善較為明顯。

圖5 各樣品滲透率柱狀圖

從上述結(jié)果可以看出，黏土是最適合作為電廠灰渣防滲襯墊的天然材料，天然黏土材料的滲透系數(shù)已經(jīng)可以滿足固體廢物填埋場(chǎng)防滲材料的要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)大南湖二礦排棄物物料性質(zhì)進(jìn)行調(diào)查分析，尋找具有防滲特性的天然物料，然后對(duì)其滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)改性測(cè)試其防滲效果。通過(guò)調(diào)查研究及試驗(yàn)測(cè)試獲得以下結(jié)論：

（1）對(duì)黏土、粉煤灰、脫硫土三種剝離物的滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，得出黏土材料的滲透系數(shù)最小，粉煤灰次之，脫硫土滲透系數(shù)最大；

（2）3種剝離物中只有黏土樣品的滲透系數(shù)小于1×10-7，其滲透系數(shù)可達(dá)到1.59×10-8，可滿足固體廢物填埋場(chǎng)防滲材料的要求；

（3）在粉煤灰樣品中加入納米材料進(jìn)行改性，其滲透系數(shù)從10-5降低到了10-6數(shù)量級(jí)，表明納米材料的填充效應(yīng)對(duì)防滲材料的滲透性改善較為明顯；但對(duì)黏土材料的改性效果較差，可能是混合比例原因或者納米材料團(tuán)聚未充分?jǐn)嚢鑼?dǎo)致無(wú)法發(fā)揮其填充作用。