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（集團）有限公司， 北京 100102；2.中國礦業大學（北京） 能源與礦業學院， 北京 100083)

0 引言

哈密大南湖電廠是國家“疆電外送”首批配套電源項目，是特高壓真流輸電線路的重要支撐電源。電廠在生產過程中，會產生大量危害環境及人體健康的固體廢物，電廠灰渣作為電廠產生的主要固體廢物，如何對其進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程中，一些可溶性的污染物會進入雨水或地表水形成滲濾液，并向下流動，進而污染土壤及地下水，對環境造成危害，形成二次危害[4]。一般的處理方式為在垃圾填埋場底部埋設一層防滲襯墊以防止滲濾液造成二次危害，根據一般工業固體廢物貯存處置場污染控制標準，防滲襯墊的滲透系數應小于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境的一個重要因素，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，國內很多專家學者對黏土及粉煤灰進行了改性研究，李隋[6]等用沸石、粉煤灰、石英對黏土加膨潤土進行了改性，使其防滲性能及對污染物的去除能力大大提升；董軍[7]等對天然黏土分別進行了有機、無機和有機-無機混合改性，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合防滲層，其防滲性能達到了國家規定的標準。

納米材料作為新型材料，已廣泛應用于防滲領域，可采用納米材料對混凝土材料進行改性，優化其微觀結構，提高其力學性能及防滲性能[9-10]；對納米防水涂料進行改性，可提高其力學性能，且賦予防水涂料一些新的性能[11-12]；在垃圾填埋場中也有納米高分子技術的應用[13-14]。因其粒徑小、比表面能高、穩定的特點，納米材料已應用到海洋工程、水利工程、公路[15-17]等多領域，但在電廠灰渣填埋場防滲襯墊的應用比較少，故有必要研究納米材料對天然防滲材料的影響，并評估其是否可以應用到貯灰場防滲襯墊的材料中。

本文對大南湖二礦排棄物物料性質進行分析，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，測試其納米材料改性后的滲透系數，這種天然剝離物加納米材料的復合防滲方法既可節省成本，又可消耗相當數量的工業廢渣，具有明顯的經濟效益和環境保護效益。

1 地質概況

大南湖二礦位于哈密市西南部，屬低山丘陵區，海拔高度+420～+567 m，地勢南、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，工作區內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。自下而上地層層序為：下侏羅統三工河組、中侏羅統西山窯組、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、砂質泥巖、粉質泥巖、粉砂巖、細砂巖、礫巖等。礦區范圍內無地表徑流及其他水體，地下水經抽水孔采樣化驗，礦化度 16.5～48.1 g/L，為鹽水，水質類型為 Cl-Na型水。

2 試驗方案

2.1 試驗材料及目的

本試驗主要測試大南湖露天礦三種剝離物的滲透系數，尋找剝離物中是否存在滲透系數達到作為防滲層要求的天然材料，并用納米SiO2對這些天然剝離物進行改性，測試其改性過后能否達到防滲涂層的要求。本試驗三種剝離物為黏土、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，呈塊狀，結構致密，有一定的強度，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，粉煤灰顆粒細小，部分膠結成塊狀，顏色為灰色，脫硫土也有部分膠結在一起，但強度不高，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

因在露天礦坑內所取黏土均為塊狀，故需先對黏土樣品進行破碎，破碎之后再對樣品進行研磨，使其成為粉末狀，樣品編號為N-1，N-2。粉煤灰及脫硫土為粉末狀，故無需進行處理，粉煤灰樣品編號為F-1，F-2，脫硫土樣品編號為S-1，S-2。三種天然樣品每組種測試兩個樣品，再用納米SiO2對黏土及粉煤灰進行改性，每種混合樣品測試一個，編號分別為C-2，C-3。共計8個樣品，見圖2。

圖2 樣品照片

2.3 試驗儀器及步驟

本次試驗參照《巖心常規分析方法》SY/T5336-2006。主要儀器為 Quzix驅替泵、ISCO 圍壓泵、壓力傳感器等。根據大南湖二礦地質資料，本試驗飽和用水為實驗室配制的礦化為 30 g/L的標準鹽水，室溫為 28℃，填砂管軸向壓實壓力為 3 MPa。

因所測樣品為土樣，故采用圓柱體活塞式巖心夾持器進行試驗，試驗步驟如下：

① 采用圓柱體活塞式填砂模型夾持器進行試驗，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 根據樣品滲透率特征，選擇合適的壓力測試水相滲透率；

⑤ 記錄穩定條件下壓力和流量，按公式（1）計算水測滲透率。

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

3 滲透試驗結果及數據分析

在圓柱體活塞式巖心夾持器中對各樣品進行試驗，各樣品長度為 30 cm，橫截面積為 4.917 cm2，均在巖芯夾持器中被盡量壓實，通過滲透性測試來測定各樣品的滲透性能，經過一段時間后巖芯夾持器中的樣品已被水飽和，達到穩定后，記錄其壓力和流量，如圖3和圖4所示，計算其水測滲透率，結果見表1。根據計算所得到的水測滲透率，通過式（2）可求得各樣品的滲透系數（見表2）。

圖3 各樣品流量隨時間變化規律

圖4 各樣品壓力隨時間變化規律

表1 試驗結果

式中，K為滲透系數；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。

根據表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最小，兩個黏土樣品的滲透系數均在10-8數量級，其次為粉煤灰樣品，兩個粉煤灰樣品所測得滲透系數均在10-5數量級，脫硫土樣品所測得的滲透系數最大，均在10-4數量級；在這三種剝離物中，只有黏土樣品的滲透系數滿足固體防滲材料的要求，其余兩種樣品的滲透系數均大于1×10-7。從混合樣品的對比結果來看，C-2是對黏土樣品進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其滲透系數有一定的影響，改性之后的黏土樣品的滲透系數較天然黏土樣品的滲透系數有所增加，但其滲透系數仍然小于1×10-7，導致樣品滲透系數增大的原因可能是由于混合比例不是最優或者納米材料團聚而沒有發揮其填充效應；C-3是對粉煤灰材料進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從10-5數量級降低到了10-6數量級，此結果說明納米材料的填充效應對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已經可以滿足固體廢物填埋場防滲材料的要求。

4 結論

本文對大南湖二礦排棄物物料性質進行調查分析，尋找具有防滲特性的天然物料，然后對其滲透系數進行測試，同時進行適當改性測試其防滲效果。通過調查研究及試驗測試獲得以下結論：

（1）對黏土、粉煤灰、脫硫土三種剝離物的滲透系數進行測定，得出黏土材料的滲透系數最小，粉煤灰次之，脫硫土滲透系數最大；

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

（3）在粉煤灰樣品中加入納米材料進行改性，其滲透系數從10-5降低到了10-6數量級，表明納米材料的填充效應對防滲材料的滲透性改善較為明顯；但對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聚未充分攪拌導致無法發揮其填充作用。