沸石摻量對膨潤土類襯墊重金屬吸附特性的影響

劉繼狀,許四法,付亞君,汪 俊,何露艷

(1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院,浙江 杭州 311231;2.浙江工業(yè)大學 土木工程學院,浙江 杭州 310023;3.浙江唐盛房地產(chǎn)有限公司,浙江 杭州 310000)

隨著社會的發(fā)展,城市垃圾數(shù)量不斷增加[1]。生活垃圾無論焚燒或直接填埋,若處理不當,滲濾液滲入地下會對周邊環(huán)境造成威脅[2]。為了防止?jié)B濾液滲入地下,一般在垃圾填埋場下部設(shè)置具有防滲功能的襯墊。由于膨潤土的膨脹性優(yōu)越、滲透性較低、吸附污染物性能較強,經(jīng)常作為填埋場襯墊材料使用[3]。膨潤土遇到重金屬離子后,特別是水中鹽離子,膨脹性能和滲透特性會受到影響[4]。Jo等[5]提出滲透系數(shù)受離子濃度的影響很大。Ruhl等[6]認為Zn2+對膨潤土膨脹量有抑制作用,使GCL土工毯滲透性能下降。Dutta等[7]通過比較Zn2+,Pb2+,Cu2+溶液中膨潤土的滲透性能,發(fā)現(xiàn)離子濃度的增加會導致膨潤土滲透系數(shù)提高。

已有較多學者開展了重金屬吸附特性研究。史明明等[8]以膨潤土和硅藻土作為吸附劑,研究重金屬離子Zn2+的吸附效果,發(fā)現(xiàn)膨潤土能較好地吸附去除重金屬Zn2+,且速度較快。王昱璇等[9]研究了Zn2+初始濃度與溫度對生物炭吸附重金屬Zn2+的影響,發(fā)現(xiàn)吸附量隨溶液初始濃度和溫度升高而增大。陳云敏等[10]研究了反應(yīng)時間與重金屬濃度對粉土-黃土混合土吸附Pb的性能影響,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時間與初始濃度增加,混合土對Pb的吸附量增大,達到一定值后不再增加。陳菲等[11]使用膨潤土提純礦處理垃圾滲濾液,觀察滲濾液中重金屬濃度變化,發(fā)現(xiàn)重金屬離子中Cu最大減少了77%,K最小減小了23%,表明膨潤土對重金屬離子有較強去除能力。目前,有關(guān)離子溶液對混合土滲透特性及污染物吸附特性影響的研究較多,但對沸石與膨潤土摻石屑混合土滲透特性、吸附特性的研究較少,尤其是沸石摻量與離子濃度對滲透和吸附特性的影響。因此,筆者基于目前研究的不足,重點研究沸石摻量對膨潤土金屬吸附特性的影響,以期為垃圾填埋場膨潤土類襯墊的建設(shè)提供參考。

1 試驗材料特性、方案和方法

1.1 材 料

膨潤土:試驗用膨潤土蒙脫石質(zhì)量分數(shù)78.5%,石英質(zhì)量分數(shù)12.3%,長石質(zhì)量分數(shù)5.6%。總陽離子交換量為0.77 meq/g,去離子水(DIW)中膨潤土的膨脹量為8.5 mL/g,屬于鈉基膨潤土。

沸石:沸石外觀為灰白色粉末,比表面積大,孔徑分布廣,具有架狀結(jié)構(gòu),價格低廉,吸附和離子交換能力較強。沸石骨架的主要成分見表1。其中SiO2質(zhì)量分數(shù)為62.9%,Al2O3質(zhì)量分數(shù)為13.6%,灼減量為12.83%。

表1 沸石成分

石屑:用于配制混合土的石屑顆粒粒徑都小于5 mm,其中細粒部分質(zhì)量分數(shù)7.48%,不均勻系數(shù)Cu為11.78,曲率系數(shù)Cc為1.06,最優(yōu)含水量為7%。最大干密度為1.99 g/cm3,滲透系數(shù)為1.76×10-4cm/s。

1.2 試驗方案

試驗方案如表2所示。方案1為膨脹試驗,主要研究膨潤土的膨脹性與沸石摻量和離子溶液濃度之間的關(guān)系,ZnCl2濃度為0,0.01,0.03,0.05,0.10,1.00 mol/L。方案2為滲透試驗,主要研究當ZnCl2濃度為0,0.01,0.03,0.10 mol/L時,沸石摻量對混合土滲透性能的影響,其中膨潤土摻量為石屑質(zhì)量的11%,滲透試驗結(jié)束后檢測滲濾液中Zn2+濃度。所有測試在25 ℃下進行。

表2 試驗方案

1.3 試樣制作、試驗方法和儀器

按試驗方案將材料充分拌勻,制成含水量7.5%的混合土樣,靜置24 h后按重量均勻分為5等份,使用擊實器分5層在直徑為70 mm,高度為140 mm的模具內(nèi)進行擊實,制成壓實度為100%,干密度為1.99 g/cm3的土柱試樣后真空飽和。

本試驗采用進口GDS滲透儀。試驗時圍壓為300 kPa,上水頭與下水頭的值分別為200,100 kPa,滲濾液為去離子水(DIW),ZnCl2溶液濃度分別為0.01,0.03,0.10 mol/L。

采用島津AA-6300原子吸收分光光度計檢測滲透試驗結(jié)束后溶液中Zn2+濃度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沸石摻量對膨潤土膨脹特性的影響

以2 g膨潤土為基礎(chǔ)膨脹物,沸石摻量分別為膨潤土質(zhì)量的12.5%,25.0%,50.0%。在離子水(DIW)及不同濃度的ZnCl2溶液中進行自由膨脹量試驗,得到沸石摻量與膨潤土膨脹量之間的關(guān)系,結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知:在DIW中,純膨潤土的膨脹量最大值可達8.5 mL/g,摻12.5%,25.0%,50.0%沸石后,膨脹量為9.750,8.375,8.125 mL/g,沸石摻入與否對膨潤土膨脹特性整體無顯著影響。當加入ZnCl2溶液后,在無沸石條件下,隨著溶液濃度不斷增大,膨脹量逐漸減小,0.01,0.03,0.05,0.10,1.00 mol/L的ZnCl2溶液濃度對應(yīng)的膨脹量分別為6.75,4.50,3.13,2.50,2.50 mL/g,與DIW最大膨脹量相比最多減小70.59%,這是由于離子濃度增大對膨潤土雙電層膨脹有抑制作用。當沸石摻量為12.5%時,膨脹量分別為9.125,5.500,5.375,4.750,4.250 mL/g,比未摻入沸石時分別增加了2.375,1.000,2.245,2.250,1.750 mL/g,說明沸石的摻入能提高膨潤土的膨脹特性。當沸石摻量上升到25.0%和50.0%,溶液濃度較小時,膨脹量與12.5%摻量相似,這是因為沸石自身也具有較強的吸附性,分擔了一部分離子對膨潤土的消極作用,減弱了膨潤土雙電層的壓縮作用,隨著離子濃度增加到0.10 mol/L,膨潤土與沸石對離子的吸附點位飽和,膨潤土膨脹量不升反降。

2.2 離子濃度對混合土滲透性能的影響

當采用DIW滲透時,膨潤土摻量對混合土滲透性能的影響如圖2所示。由圖2可知:膨潤土摻量越大,混合土的滲透系數(shù)越小,當膨潤土摻量為5%,7%,9%,11%,13%時,混合土滲透系數(shù)分別為7.99×10-5,3.03×10-5,9.8×10-7,3.74×10-7,2.5×10-7cm/s,當摻量超過9%后,滲透系數(shù)達10-7cm/s級,滿足防滲要求。

當膨潤土摻量為11%時,沸石摻量對滲透性能的影響如圖3所示。由圖3可知:混合土在DIW中的滲透系數(shù)為3.74×10-7cm/s,當摻入12.5%的沸石后,滲透系數(shù)降至6.55×10-8cm/s;隨著沸石摻量由25%增加到50%,混合土的滲透系數(shù)由4.65×10-8cm/s提高到5.10×10-8cm/s,表明在純水中沸石能提高混合土防滲性能。當滲透液為0.01 mol/L的ZnCl2溶液時,沸石摻量為0時的滲透系數(shù)為5.73×10-7cm/s,沸石摻量為12.5%,25.0%,50.0%時滲透系數(shù)分別為5.98×10-8,5.80×10-8,5.70×10-8cm/s。當ZnCl2濃度為0.03 mol/L時,沸石摻量0,12.5%,25.0%,50.0%對應(yīng)的滲透系數(shù)分別為9.3×10-6,4.43×10-6,6.59×10-6,2.6×10-6cm/s,當ZnCl2濃度為0.10 mol/L時,沸石摻量0,12.5%,25.0%,50.0%對應(yīng)的滲透系數(shù)分別為1.4×10-5,7.9×10-6,3.27×10-6,1.28×10-6cm/s,滲透系數(shù)均大于10-7cm/s級,不再滿足防滲墊層滲透系數(shù)應(yīng)小于10-7cm/s級的要求。

圖3 沸石摻量與滲透系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between zeolite contentand permeability coefficient

當膨潤土摻量為25%,ZnCl2濃度為0.03 mol/L時,沸石摻量0%,12.5%,25.0%,50.0%對應(yīng)的滲透系數(shù)分別為6.6×10-7,7.13×10-8,5.8×10-8,6.1×10-8cm/s;當膨潤土摻量為25%,ZnCl2濃度為0.1 mol/L時,沸石摻量0%,12.5%,25.0%,50.0%對應(yīng)的滲透系數(shù)分別為7.6×10-7,8.4×10-8,6.7×10-8,6.3×10-8cm/s。總體沸石摻入后混合土滲透系數(shù)平均降低一個數(shù)量級,達到10-8cm/s,表明當ZnCl2溶液濃度大于0.03 mol/L時,膨潤土摻量為25%的混合土才能滿足防滲要求。沸石的加入能有效降低混合土的滲透系數(shù),在去離子水中沸石的加入可填充混合土顆粒間空隙,從而增加水的滲流路徑,增強混合土的防滲性。在不同濃度的離子溶液中,沸石對金屬離子的競爭吸附分擔了膨潤土雙電層面臨的收縮壓力,維持了原有的孔隙結(jié)構(gòu),不會出現(xiàn)顯著的滲流通道,提高了混合土的化學相容性。

2.3 滲濾液離子質(zhì)量濃度變化

在膨潤土摻量為11%的混合土滲透試驗結(jié)束后,取經(jīng)土柱滲濾的滲透液進行離子質(zhì)量濃度檢測,滲透后滲透液中離子質(zhì)量濃度變化結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:滲透前后溶液中離子質(zhì)量濃度差異巨大,如0.01 mol/L的ZnCl2溶液中Zn2+初始質(zhì)量濃度為654 mg/L,當沸石摻量為0時,滲透后滲濾液中Zn2+質(zhì)量濃度減小至42.3 mg/L,摻入12.5%,25.0%,50.0%的沸石后,滲濾液中Zn2+質(zhì)量濃度分別降至3.179,1.143,0.570 mg/L,滲濾液中Zn2+質(zhì)量濃度相較初始質(zhì)量濃度減小了93.53%,而摻入50%沸石后滲透液中Zn2+質(zhì)量濃度相較未摻入時減小了98.65%,表明沸石摻加后,混合土對離子吸附能力增強,能明顯降低滲濾液中Zn2+的質(zhì)量濃度。

圖4 沸石摻量對滲濾液Zn2+質(zhì)量濃度的影響Fig.4 Relationship between zeolite contentand leachate concentrate

3 結(jié) 論

以垃圾填埋場襯墊材料為背景,利用單元體滲透和吸附試驗,分析了在不同Zn2+質(zhì)量濃度條件下沸石摻量對Zn2+離子的吸附特性,得出如下結(jié)論:1) 沸石能有效提高混合土的滲透和吸附性能,摻入12.5%沸石,滲透系數(shù)由10-7cm/s降低至10-8cm/s,沸石摻入可增加膨潤土的吸附性能,使?jié)B濾液中Zn2+質(zhì)量濃度大幅降低;2) 膨潤土中摻加沸石后,膨脹性能得到提升,層間距增大,增加了膨潤土對Zn2+的吸附點位,促進了Zn2+的吸附,也提高了混合土的滲透性能;3) 在沸石摻量一定條件下,隨著ZnCl2濃度增加,膨潤土性能被抑制,導致滲透系數(shù)增大。