沸石掺量对膨润土类衬垫重金属吸附特性的影响

刘继状,许四法,付亚君,汪 俊,何露艳

(1.浙江建设职业技术学院,浙江 杭州 311231;2.浙江工业大学 土木工程学院,浙江 杭州 310023;3.浙江唐盛房地产有限公司,浙江 杭州 310000)

随着社会的发展,城市垃圾数量不断增加[1]。生活垃圾无论焚烧或直接填埋,若处理不当,渗滤液渗入地下会对周边环境造成威胁[2]。为了防止渗滤液渗入地下,一般在垃圾填埋场下部设置具有防渗功能的衬垫。由于膨润土的膨胀性优越、渗透性较低、吸附污染物性能较强,经常作为填埋场衬垫材料使用[3]。膨润土遇到重金属离子后,特别是水中盐离子,膨胀性能和渗透特性会受到影响[4]。Jo等[5]提出渗透系数受离子浓度的影响很大。Ruhl等[6]认为Zn2+对膨润土膨胀量有抑制作用,使GCL土工毯渗透性能下降。Dutta等[7]通过比较Zn2+,Pb2+,Cu2+溶液中膨润土的渗透性能,发现离子浓度的增加会导致膨润土渗透系数提高。

已有较多学者开展了重金属吸附特性研究。史明明等[8]以膨润土和硅藻土作为吸附剂,研究重金属离子Zn2+的吸附效果,发现膨润土能较好地吸附去除重金属Zn2+,且速度较快。王昱璇等[9]研究了Zn2+初始浓度与温度对生物炭吸附重金属Zn2+的影响,发现吸附量随溶液初始浓度和温度升高而增大。陈云敏等[10]研究了反应时间与重金属浓度对粉土-黄土混合土吸附Pb的性能影响,发现反应时间与初始浓度增加,混合土对Pb的吸附量增大,达到一定值后不再增加。陈菲等[11]使用膨润土提纯矿处理垃圾渗滤液,观察渗滤液中重金属浓度变化,发现重金属离子中Cu最大减少了77%,K最小减小了23%,表明膨润土对重金属离子有较强去除能力。目前,有关离子溶液对混合土渗透特性及污染物吸附特性影响的研究较多,但对沸石与膨润土掺石屑混合土渗透特性、吸附特性的研究较少,尤其是沸石掺量与离子浓度对渗透和吸附特性的影响。因此,笔者基于目前研究的不足,重点研究沸石掺量对膨润土金属吸附特性的影响,以期为垃圾填埋场膨润土类衬垫的建设提供参考。

1 试验材料特性、方案和方法

1.1 材 料

膨润土:试验用膨润土蒙脱石质量分数78.5%,石英质量分数12.3%,长石质量分数5.6%。总阳离子交换量为0.77 meq/g,去离子水(DIW)中膨润土的膨胀量为8.5 mL/g,属于钠基膨润土。

沸石:沸石外观为灰白色粉末,比表面积大,孔径分布广,具有架状结构,价格低廉,吸附和离子交换能力较强。沸石骨架的主要成分见表1。其中SiO2质量分数为62.9%,Al2O3质量分数为13.6%,灼减量为12.83%。

表1 沸石成分

石屑:用于配制混合土的石屑颗粒粒径都小于5 mm,其中细粒部分质量分数7.48%,不均匀系数Cu为11.78,曲率系数Cc为1.06,最优含水量为7%。最大干密度为1.99 g/cm3,渗透系数为1.76×10-4cm/s。

1.2 试验方案

试验方案如表2所示。方案1为膨胀试验,主要研究膨润土的膨胀性与沸石掺量和离子溶液浓度之间的关系,ZnCl2浓度为0,0.01,0.03,0.05,0.10,1.00 mol/L。方案2为渗透试验,主要研究当ZnCl2浓度为0,0.01,0.03,0.10 mol/L时,沸石掺量对混合土渗透性能的影响,其中膨润土掺量为石屑质量的11%,渗透试验结束后检测渗滤液中Zn2+浓度。所有测试在25 ℃下进行。

表2 试验方案

1.3 试样制作、试验方法和仪器

按试验方案将材料充分拌匀,制成含水量7.5%的混合土样,静置24 h后按重量均匀分为5等份,使用击实器分5层在直径为70 mm,高度为140 mm的模具内进行击实,制成压实度为100%,干密度为1.99 g/cm3的土柱试样后真空饱和。

本试验采用进口GDS渗透仪。试验时围压为300 kPa,上水头与下水头的值分别为200,100 kPa,渗滤液为去离子水(DIW),ZnCl2溶液浓度分别为0.01,0.03,0.10 mol/L。

采用岛津AA-6300原子吸收分光光度计检测渗透试验结束后溶液中Zn2+浓度。

2 试验结果与分析

2.1 沸石掺量对膨润土膨胀特性的影响

以2 g膨润土为基础膨胀物,沸石掺量分别为膨润土质量的12.5%,25.0%,50.0%。在离子水(DIW)及不同浓度的ZnCl2溶液中进行自由膨胀量试验,得到沸石掺量与膨润土膨胀量之间的关系,结果如图1所示。

由图1可知:在DIW中,纯膨润土的膨胀量最大值可达8.5 mL/g,掺12.5%,25.0%,50.0%沸石后,膨胀量为9.750,8.375,8.125 mL/g,沸石掺入与否对膨润土膨胀特性整体无显著影响。当加入ZnCl2溶液后,在无沸石条件下,随着溶液浓度不断增大,膨胀量逐渐减小,0.01,0.03,0.05,0.10,1.00 mol/L的ZnCl2溶液浓度对应的膨胀量分别为6.75,4.50,3.13,2.50,2.50 mL/g,与DIW最大膨胀量相比最多减小70.59%,这是由于离子浓度增大对膨润土双电层膨胀有抑制作用。当沸石掺量为12.5%时,膨胀量分别为9.125,5.500,5.375,4.750,4.250 mL/g,比未掺入沸石时分别增加了2.375,1.000,2.245,2.250,1.750 mL/g,说明沸石的掺入能提高膨润土的膨胀特性。当沸石掺量上升到25.0%和50.0%,溶液浓度较小时,膨胀量与12.5%掺量相似,这是因为沸石自身也具有较强的吸附性,分担了一部分离子对膨润土的消极作用,减弱了膨润土双电层的压缩作用,随着离子浓度增加到0.10 mol/L,膨润土与沸石对离子的吸附点位饱和,膨润土膨胀量不升反降。

2.2 离子浓度对混合土渗透性能的影响

当采用DIW渗透时,膨润土掺量对混合土渗透性能的影响如图2所示。由图2可知:膨润土掺量越大,混合土的渗透系数越小,当膨润土掺量为5%,7%,9%,11%,13%时,混合土渗透系数分别为7.99×10-5,3.03×10-5,9.8×10-7,3.74×10-7,2.5×10-7cm/s,当掺量超过9%后,渗透系数达10-7cm/s级,满足防渗要求。

当膨润土掺量为11%时,沸石掺量对渗透性能的影响如图3所示。由图3可知:混合土在DIW中的渗透系数为3.74×10-7cm/s,当掺入12.5%的沸石后,渗透系数降至6.55×10-8cm/s;随着沸石掺量由25%增加到50%,混合土的渗透系数由4.65×10-8cm/s提高到5.10×10-8cm/s,表明在纯水中沸石能提高混合土防渗性能。当渗透液为0.01 mol/L的ZnCl2溶液时,沸石掺量为0时的渗透系数为5.73×10-7cm/s,沸石掺量为12.5%,25.0%,50.0%时渗透系数分别为5.98×10-8,5.80×10-8,5.70×10-8cm/s。当ZnCl2浓度为0.03 mol/L时,沸石掺量0,12.5%,25.0%,50.0%对应的渗透系数分别为9.3×10-6,4.43×10-6,6.59×10-6,2.6×10-6cm/s,当ZnCl2浓度为0.10 mol/L时,沸石掺量0,12.5%,25.0%,50.0%对应的渗透系数分别为1.4×10-5,7.9×10-6,3.27×10-6,1.28×10-6cm/s,渗透系数均大于10-7cm/s级,不再满足防渗垫层渗透系数应小于10-7cm/s级的要求。

图3 沸石掺量与渗透系数的关系Fig.3 Relationship between zeolite contentand permeability coefficient

当膨润土掺量为25%,ZnCl2浓度为0.03 mol/L时,沸石掺量0%,12.5%,25.0%,50.0%对应的渗透系数分别为6.6×10-7,7.13×10-8,5.8×10-8,6.1×10-8cm/s;当膨润土掺量为25%,ZnCl2浓度为0.1 mol/L时,沸石掺量0%,12.5%,25.0%,50.0%对应的渗透系数分别为7.6×10-7,8.4×10-8,6.7×10-8,6.3×10-8cm/s。总体沸石掺入后混合土渗透系数平均降低一个数量级,达到10-8cm/s,表明当ZnCl2溶液浓度大于0.03 mol/L时,膨润土掺量为25%的混合土才能满足防渗要求。沸石的加入能有效降低混合土的渗透系数,在去离子水中沸石的加入可填充混合土颗粒间空隙,从而增加水的渗流路径,增强混合土的防渗性。在不同浓度的离子溶液中,沸石对金属离子的竞争吸附分担了膨润土双电层面临的收缩压力,维持了原有的孔隙结构,不会出现显著的渗流通道,提高了混合土的化学相容性。

2.3 渗滤液离子质量浓度变化

在膨润土掺量为11%的混合土渗透试验结束后,取经土柱渗滤的渗透液进行离子质量浓度检测,渗透后渗透液中离子质量浓度变化结果如图4所示。由图4可知:渗透前后溶液中离子质量浓度差异巨大,如0.01 mol/L的ZnCl2溶液中Zn2+初始质量浓度为654 mg/L,当沸石掺量为0时,渗透后渗滤液中Zn2+质量浓度减小至42.3 mg/L,掺入12.5%,25.0%,50.0%的沸石后,渗滤液中Zn2+质量浓度分别降至3.179,1.143,0.570 mg/L,渗滤液中Zn2+质量浓度相较初始质量浓度减小了93.53%,而掺入50%沸石后渗透液中Zn2+质量浓度相较未掺入时减小了98.65%,表明沸石掺加后,混合土对离子吸附能力增强,能明显降低渗滤液中Zn2+的质量浓度。

图4 沸石掺量对渗滤液Zn2+质量浓度的影响Fig.4 Relationship between zeolite contentand leachate concentrate

3 结 论

以垃圾填埋场衬垫材料为背景,利用单元体渗透和吸附试验,分析了在不同Zn2+质量浓度条件下沸石掺量对Zn2+离子的吸附特性,得出如下结论:1) 沸石能有效提高混合土的渗透和吸附性能,掺入12.5%沸石,渗透系数由10-7cm/s降低至10-8cm/s,沸石掺入可增加膨润土的吸附性能,使渗滤液中Zn2+质量浓度大幅降低;2) 膨润土中掺加沸石后,膨胀性能得到提升,层间距增大,增加了膨润土对Zn2+的吸附点位,促进了Zn2+的吸附,也提高了混合土的渗透性能;3) 在沸石掺量一定条件下,随着ZnCl2浓度增加,膨润土性能被抑制,导致渗透系数增大。