填埋場(chǎng)HDPE膜漏洞靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)影響因素

朱銘珠,姚光遠(yuǎn),劉玉強(qiáng)*,徐 亞,劉景財(cái),黃啟飛,楊延梅 (.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所,北京 000；.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074)

危險(xiǎn)廢物具有種類(lèi)多、成分復(fù)雜、危害性極大的特點(diǎn),危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)中的滲濾液一旦泄露,后果將極其嚴(yán)重[1-2].填埋作為危險(xiǎn)廢物集中處置及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制的主要手段,為減少滲濾液滲漏風(fēng)險(xiǎn),目前國(guó)內(nèi)外填埋場(chǎng)多采用以高密度聚乙烯(HDPE)膜為核心構(gòu)建的防滲系統(tǒng)[3-4].然而,國(guó)內(nèi)填埋場(chǎng)HDPE膜破損現(xiàn)象普遍,環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)顯著[5-6].HDPE膜漏洞修補(bǔ)技術(shù)主要包含 2種類(lèi)型,即前期預(yù)防技術(shù)和后期定位修補(bǔ)技術(shù)(開(kāi)挖修補(bǔ)、灌漿修補(bǔ)、靶向電動(dòng)修補(bǔ)等)[7-12].前期預(yù)防技術(shù)的工程案例較少,且須在填埋場(chǎng)建造前鋪設(shè)自修復(fù)材料,無(wú)法應(yīng)用于已建設(shè)完畢的填埋場(chǎng)[9].后期定位修補(bǔ)技術(shù)則多難以精準(zhǔn)定位高堆體下漏洞位置,存在施工安全隱患、易導(dǎo)致HDPE膜二次損傷、施工困難且成本高的問(wèn)題.靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)則通過(guò)電場(chǎng)力使修復(fù)材料定向遷移至漏洞處,封堵HDPE膜上漏洞[12],不僅能突破其余技術(shù)存在的問(wèn)題,無(wú)需開(kāi)挖堆體,即可安全、無(wú)損、精準(zhǔn)的修補(bǔ)漏洞,還能填補(bǔ)填埋膜與填埋介質(zhì)間的接觸孔隙,提升防滲系統(tǒng)的防滲性能,大幅減少滲漏量,有望成為修復(fù)技術(shù)的熱點(diǎn).目前已開(kāi)展了靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)的可行性研究,如Darilek等[12]對(duì)去離子水環(huán)境中的漏洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小尺寸試驗(yàn)和室外模擬試驗(yàn),證明了靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)的可行性.此外,也有研究者開(kāi)始關(guān)注去離子水環(huán)境中工藝影響因素,大多采用數(shù)值模擬的形式,如 Kambham 等[13]采用半解析的方法提出數(shù)學(xué)模型,模擬了去離子水中的膨潤(rùn)土堆積物形態(tài)隨時(shí)間與電壓的變化規(guī)律.Corapcioglu等[14]對(duì)去離子水環(huán)境中膨潤(rùn)土堆積體的形成進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果顯示,膨潤(rùn)土堆積體厚度隨電壓、陰極尺寸增大而增大.Han等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了電極位置對(duì)修補(bǔ)效果的影響,結(jié)果顯示,在漏洞下方埋入陽(yáng)極的布置方法更有效.

但目前靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)僅停留在可行性分析與數(shù)值模擬階段,對(duì)于修補(bǔ)技術(shù)的關(guān)鍵影響因素以及調(diào)控機(jī)制尚未開(kāi)展系統(tǒng)研究;同時(shí)當(dāng)前研究的修補(bǔ)環(huán)境多限于去離子水,而實(shí)際填埋場(chǎng)滲濾液與去離子水存在明顯差異[16-17],缺乏陽(yáng)離子環(huán)境下各工藝因素對(duì)靶向電動(dòng)修補(bǔ)效果的影響研究.

本研究通過(guò)鈣離子溶液模擬滲濾液,以滲透系數(shù)表征電動(dòng)修補(bǔ)效果,系統(tǒng)研究電極類(lèi)型、電壓大小、運(yùn)行時(shí)間、膨潤(rùn)土濃度、分散劑/膨潤(rùn)土投加比例等各種工藝因素對(duì)膨潤(rùn)土顆粒靶向電動(dòng)修補(bǔ)HDPE膜漏洞過(guò)程的影響,闡明膨潤(rùn)土對(duì)HDPE膜漏洞靶向電動(dòng)修補(bǔ)過(guò)程的調(diào)控機(jī)制,為運(yùn)行和封場(chǎng)期填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)HDPE膜漏洞的靶向電動(dòng)修補(bǔ)的實(shí)際應(yīng)用提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

修補(bǔ)實(shí)驗(yàn)裝置由2個(gè)不同直徑的有機(jī)玻璃柱組成(見(jiàn)圖1),外部有機(jī)玻璃柱尺寸為70cm×28cm(高×直徑),內(nèi)部有機(jī)玻璃柱尺寸為60cm×25cm(高×直徑),外部有機(jī)玻璃柱底部從下到上依次鋪設(shè)厚度為10cm、平均粒徑為20mm的卵石層模擬導(dǎo)排介質(zhì),以及 400g/cm2的土工布,柱底部設(shè)有排水閥.內(nèi)部有機(jī)玻璃柱以厚度為2mm的HDPE膜作為底部,膜與玻璃柱通過(guò)法蘭連接.

圖1 靶向電動(dòng)修補(bǔ)實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Experimental device of targeted electrophoretic repair

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 修補(bǔ)材料 修補(bǔ)實(shí)驗(yàn)采用市售鈉基膨潤(rùn)土,主要理化特性如下:蒙脫石含量 75%,膨脹容19.8mL/g,膠質(zhì)價(jià)100.2mL/15g.

1.2.2 模擬滲濾液 本文對(duì) 8家危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)滲濾液進(jìn)行采樣[18-19],其特性匯總?cè)绫?所示.滲濾液中陽(yáng)離子主要包括 Ca2+、Mg2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等,除 Ca2+外其他各種離子濃度在 0.0005～0.2mmol/L,此濃度梯度下不同陽(yáng)離子價(jià)態(tài)對(duì)膨潤(rùn)土理化性質(zhì)影響較小且差別不大,可由 Ca2+進(jìn)行模擬[20].檢測(cè)得到各危廢填埋場(chǎng)滲濾液的離子總量范圍為0.0047～38.4667mmol/L,在此范圍內(nèi)參考 Han等[15]的研究,本文采用 2.5mmol/L的氯化鈣模擬危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)的滲濾液.

表1 不同危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)滲濾液陽(yáng)離子組分匯總(mmol/L)Table 1 Summary of cation components in leachate from different hazardous waste landfills(mmol/L)

1.2.3 HDPE膜漏洞大小選擇 本文對(duì)全國(guó)20余個(gè)省市的100多家填埋場(chǎng)防滲層HDPE膜的破損情況開(kāi)展檢測(cè)工作,檢測(cè)得到填埋場(chǎng)防滲層 HDPE膜漏洞面積＜0.01,0.01～1,1～5,5～20, 20～200, 200～2000,2000～19500cm2的漏洞數(shù)量分別為203, 618, 133,121, 98, 77, 48個(gè).其中面積小于1cm2的漏洞數(shù)量最多,共計(jì) 821個(gè),占漏洞總數(shù)的 63.3%,因此本文選擇漏洞直徑為0.5cm.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置搭建 將陽(yáng)極片、鵝卵石、土工布以及內(nèi)部有機(jī)玻璃柱依次裝入外部有機(jī)玻璃柱.確保內(nèi)部有機(jī)玻璃柱與土工布和鵝卵石接觸良好,以及HDPE膜與內(nèi)柱法蘭連接處完全密閉.

1.3.2 修補(bǔ)溶液添加 將水化后含有膨潤(rùn)土的氯化鈣溶液以及等濃度的氯化鈉溶液分別加入內(nèi)部和外部有機(jī)玻璃柱中,為避免干擾流的發(fā)生,保證添加過(guò)程中內(nèi)外部有機(jī)玻璃柱的液位相同.

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)控制變量為電極類(lèi)型、電壓、運(yùn)行時(shí)間、膨潤(rùn)土濃度與分散劑/膨潤(rùn)土比例.電極類(lèi)型選擇耐腐蝕性強(qiáng)的不銹鋼電極與惰性石墨電極;電壓選取 25,50,75V;運(yùn)行時(shí)間選取1,2,3d;膨潤(rùn)土濃度選取 6,10,14g/L;分散劑/膨潤(rùn)土比例選取 10%、20%、30%,本文所用分散劑為六偏磷酸鈉.

1.3.4 修補(bǔ)實(shí)驗(yàn)效果測(cè)定 將陰極片浸沒(méi)在內(nèi)部有機(jī)玻璃柱的修補(bǔ)溶液中,接通直流電源開(kāi)始實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)束后:①在一定時(shí)間內(nèi)觀察并記錄內(nèi)、外柱的液位差;②打開(kāi)外柱排水閥排干外柱中溶液后,記錄2d內(nèi)內(nèi)柱中溶液流出體積,并根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算滲透系數(shù);③抽出內(nèi)柱中溶液后觀察并測(cè)量漏洞處膨潤(rùn)土堆積物的形態(tài)和尺寸.

1.4 修補(bǔ)效果的表征

采用漏洞處膨潤(rùn)土堆積物的滲透系數(shù)來(lái)定量描述膨潤(rùn)土的靶向電動(dòng)修補(bǔ)效果.漏洞處堆積物的滲透系數(shù)越大,修補(bǔ)效果越差,滲透系數(shù)越小,修補(bǔ)效果越好.滲透系數(shù)可以根據(jù)達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算:

式中:k為滲透系數(shù),cm/s;q為滲漏量,cm3/s; L為滲徑長(zhǎng)度,cm;A為垂直于滲流方向的土樣橫截面積,cm3;ΔH為總水頭損失,cm.

2 結(jié)果與討論

2.1 電極類(lèi)型對(duì)修補(bǔ)效果的影響

在氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、通電電壓為50V、運(yùn)行時(shí)間為2d、膨潤(rùn)土濃度 10g/L、分散劑/膨潤(rùn)土比例為30%的條件下,研究電極類(lèi)型對(duì)修補(bǔ)效果的影響.由圖2可知,電極類(lèi)型對(duì)修補(bǔ)效果的影響較大,當(dāng)電極為不銹鋼時(shí),HDPE膜上漏洞直徑由5mm擴(kuò)大為約25mm,增大至原來(lái)的5倍(圖2a),同時(shí)電極發(fā)生明顯腐蝕(圖2b),無(wú)修補(bǔ)效果;當(dāng)電極為石墨電極時(shí),膨潤(rùn)土定向遷移現(xiàn)象明顯,修補(bǔ)效果顯著,修補(bǔ)后漏洞處的滲透系數(shù)為9.41×10-6cm/s,電極與HDPE膜都完好無(wú)變化(圖2c、d).其原因?yàn)?當(dāng)電極為不銹鋼時(shí),電極表面的鉻、鐵等金屬陽(yáng)離子與其附近的氯離子結(jié)合,電極失去防腐蝕性能發(fā)生點(diǎn)蝕且該電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生巨大的熱量,使膜被熱熔損傷[21];而當(dāng)電極為石墨時(shí),石墨作為惰性材料不易被氧化腐蝕,避免 HDPE膜的二次損傷.石墨電極是目前靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)的理想電極材料.

圖2 修補(bǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的HDPE膜和電極Fig.2 HDPE film and electrode condition after repair experiments

2.2 電壓大小對(duì)修補(bǔ)效果的影響

電壓大小可以影響膨潤(rùn)土顆粒的遷移速率,從而對(duì)修補(bǔ)效果產(chǎn)生較大影響,Corapcioglu等[14]數(shù)值模擬表明,膨潤(rùn)土靶向電動(dòng)修補(bǔ)效果隨電壓增大而改善.本實(shí)驗(yàn)在氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、電極為石墨、運(yùn)行時(shí)間為2d、膨潤(rùn)土濃度 10g/L,分散劑/膨潤(rùn)土比例為30%的條件下,研究電壓大小(25,50,75V)對(duì)修補(bǔ)效果的影響.當(dāng)電壓從25V增加到 50V時(shí)漏洞處滲透系數(shù)從 6.107×10-5cm/s下降至 9.41×10-6cm/s,下降了 84.61%;而電壓增加到 75V時(shí),滲透系數(shù)增加了 10.63%至1.98×10-5cm/s,修補(bǔ)效果減弱.

在電滲作用下水會(huì)通過(guò)漏洞向陰極流動(dòng),故隨運(yùn)行時(shí)間增加內(nèi)柱液位會(huì)逐漸高于外柱中的液位,形成液位差,因此液位差的變化也是評(píng)價(jià)修補(bǔ)效果的指標(biāo)[22-23],由圖3可知,當(dāng)電壓為25與50V時(shí),液位差隨運(yùn)行時(shí)間增大而增大,當(dāng)電壓為75V時(shí),2000min前的液位差增長(zhǎng)較快且遠(yuǎn)高于其它電壓的液位差,但運(yùn)行時(shí)間到2000min時(shí),液位差開(kāi)始下降,即修補(bǔ)效果變差.

圖3 不同電壓下液位差隨運(yùn)行時(shí)間變化Fig.3 Variation of level difference with time at different voltages

這一修補(bǔ)效果的變化規(guī)律與 Corapcioglu等[14]研究不同,其原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)電壓超出電滲加固的最優(yōu)臨界電壓以及銅絲與石墨的連接處出現(xiàn)電偶腐蝕.首先,研究表明電滲加固存在最優(yōu)臨界電壓[23],當(dāng)電壓高于最優(yōu)臨界電壓時(shí),電滲效率下降,從而導(dǎo)致修補(bǔ)效果降低.其次,石墨為惰性電極,其自腐蝕電位高于銅絲,兩者連接處會(huì)發(fā)生電偶腐蝕[24],即連接處銅絲發(fā)生陽(yáng)極極化,從而被氧化,導(dǎo)電性下降,膨潤(rùn)土顆粒受到的電場(chǎng)力減小,無(wú)法抵消液位差的水頭作用,堆體被水流沖散,修補(bǔ)效果變差.

綜上所述,合適的電壓大小對(duì)修補(bǔ)效果十分關(guān)鍵,低于或者超過(guò)最優(yōu)臨界電壓均會(huì)對(duì)修補(bǔ)效果產(chǎn)生負(fù)面影響,故本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)臨界電壓為50V.

2.3 運(yùn)行時(shí)間對(duì)修補(bǔ)效果的影響

電泳遷移與電滲加固均需要一定的運(yùn)行時(shí)間.在氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、電極為石墨、電壓為50V、膨潤(rùn)土濃度 10g/L、分散劑/膨潤(rùn)土比例為30%的條件下,研究不同運(yùn)行時(shí)間(1,2,3d)對(duì)修補(bǔ)效果的影響.由圖4可知,運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為1d時(shí)漏洞處滲透系數(shù)為7.05×10-3cm/s,此時(shí)漏洞處膨潤(rùn)土堆積物未成形,修補(bǔ)材料溶液從漏洞處滲漏,無(wú)修補(bǔ)效果;運(yùn)行時(shí)間 2d時(shí),漏洞處滲透系數(shù)減小至 9.41×10-6cm/s,且膨潤(rùn)土在漏洞處聚集成鼓包;運(yùn)行時(shí)間增加到 3d時(shí),滲透系數(shù)下降至 5.70×10-6cm/s,膨潤(rùn)土在漏洞處的堆積物體積更大,修補(bǔ)效果更佳(圖4).因此,靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)的最低運(yùn)行時(shí)間為2d.

圖4 不同運(yùn)行時(shí)間的膨潤(rùn)土堆積Fig.4 Pile-up diagram of bentonite with different running time

2.4 膨潤(rùn)土濃度對(duì)修補(bǔ)效果的影響

膨潤(rùn)土濃度可通過(guò)改變膨潤(rùn)土-水懸浮體系的分散性改變顆粒的受力情況,從而對(duì)修補(bǔ)效果產(chǎn)生較大的影響.因此在電極為石墨、電壓50V、氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、運(yùn)行時(shí)間為2d、分散劑/膨潤(rùn)土比例 30%的條件下,研究膨潤(rùn)土濃度(6,10,14g/L)對(duì)修補(bǔ)效果的影響.當(dāng)膨潤(rùn)土濃度由 6g/L增加到 10g/L,滲透系數(shù)由 2.21×10-3cm/s下降到9.41×10-6cm/s;膨潤(rùn)土濃度增加到14g/L,滲透系數(shù)回升至1.16×10-5cm/s.表明膨潤(rùn)土濃度存在最佳值為10g/L,低于或超過(guò)此濃度均會(huì)對(duì)修補(bǔ)效果產(chǎn)生負(fù)面影響.

2.5 分散劑濃度對(duì)修補(bǔ)效果的影響

分散劑/膨潤(rùn)土比例也可通過(guò)改變膨潤(rùn)土-水懸浮體系的分散性改變顆粒的受力情況,對(duì)修補(bǔ)效果產(chǎn)生較大的影響.因此在氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、電極為石墨、電壓50V、運(yùn)行時(shí)間為2d、膨潤(rùn)土濃度10g/L的條件下,研究分散劑/膨潤(rùn)土比例(10%,20%,30%)對(duì)修補(bǔ)效果的影響.分散劑/膨潤(rùn)土比例為10%、20%與 30%,修補(bǔ)后漏洞處的滲透系數(shù)依次為4.34×10-4,3.05×10-5,9.41×10-6cm/s,滲透系數(shù)隨分散劑投加量的增加而減小.表明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)投加分散劑有利于靶向電動(dòng)修補(bǔ)的進(jìn)行.

2.6 電動(dòng)修補(bǔ)調(diào)控機(jī)制

2.6.1 電動(dòng)修補(bǔ)機(jī)理 本文將運(yùn)行及封場(chǎng)階段填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)HDPE膜漏洞靶向電動(dòng)修補(bǔ)過(guò)程分為以下兩個(gè)步驟:膨潤(rùn)土在液相介質(zhì)中的靶向電動(dòng)遷移過(guò)程,即電泳作用;膨潤(rùn)土在漏洞處形成低滲透系數(shù)堆積物的過(guò)程,即電滲加固作用.其中,膨潤(rùn)土在液相介質(zhì)中的靶向電泳遷移是HDPE膜漏洞修補(bǔ)的首要步驟,而膨潤(rùn)土顆粒在漏洞處形成低滲透系數(shù)堆積物是HDPE膜電動(dòng)修補(bǔ)的關(guān)鍵.

首先,電泳遷移作用機(jī)理是指懸浮或溶解在電解液中的微小帶電粒子在外加電場(chǎng)作用下向著與其電性相反的電極移動(dòng)的現(xiàn)象[25].在靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)中的表現(xiàn)為:帶負(fù)電的膨潤(rùn)土顆粒在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下向漏洞處進(jìn)行定向遷移.

其次,電滲加固作用機(jī)理是膨潤(rùn)土與水接觸后,顆粒表面及附近液體內(nèi)存在電性相反、電荷量相等的雙電層[26],直流電場(chǎng)打破雙電層中擴(kuò)散層原有的靜電平衡,陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)拖拽極性水分子向陰極定向流動(dòng),擴(kuò)散層的厚度減小,孔隙水排出土體[27].在靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)中的表現(xiàn)為:孔隙水以電滲流的形式排出堆積物,使堆積物在短時(shí)間內(nèi)迅速固結(jié)提高防滲性能[23].

2.6.2 電動(dòng)修補(bǔ)調(diào)控機(jī)制 膨潤(rùn)土顆粒間的相互作用力與雙電層靜電斥力、范德華引力有關(guān),這兩種力間的大小關(guān)系表現(xiàn)為膨潤(rùn)土顆粒的凝聚或是分散狀態(tài)[28-29].若引力大于斥力,顆粒快速聚集沉降,電場(chǎng)力無(wú)法起到主導(dǎo)作用,膨潤(rùn)土顆粒無(wú)法有針對(duì)性的在漏洞處聚集成堆體,因此良好的修補(bǔ)效果要求膨潤(rùn)土顆粒在初始狀態(tài)下應(yīng)具有良好的分散特性.

通常情況下,懸浮液Zeta電位的絕對(duì)值越大,顆粒間斥力越大,分散性越好[30-31].其中,Zeta電位絕對(duì)值大于 30mV時(shí)懸浮體系的分散特性良好[32].而Zeta電位可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得電泳遷移率,并根據(jù)Henry方程換算而來(lái),不同溶液中帶電粒子有不同的遷移速率,故 Zeta電位也直接表征了溶液中顆粒在電場(chǎng)力作用下的遷移能力.

為此,測(cè)定了不同分散劑和膨潤(rùn)土濃度條件下的Zeta電位與滲透系數(shù)(表2).Zeta電位受到膨潤(rùn)土濃度和分散劑/膨潤(rùn)土比例的影響.膨潤(rùn)土濃度從6g/L 增加到 10g/L時(shí),Zeta電位負(fù)電性增強(qiáng),由-37.13mV增強(qiáng)到-44.07mV,這是因?yàn)榕驖?rùn)土溶液濃度的提高會(huì)增加膨潤(rùn)土顆粒與顆粒之間的靜電斥力,靜電斥力大于范德華引力,懸浮體系變得越來(lái)越穩(wěn)定;但膨潤(rùn)土濃度從 10g/L增加大 14g/L時(shí),Zeta電位負(fù)電性減弱,由-44.07mV減弱到-40.67mV顆粒間距減小,碰撞機(jī)會(huì)增大,顆粒之間的靜電斥力小于范德華引力,顆粒易發(fā)生聚集,體系的穩(wěn)定性降低,因而膨潤(rùn)土濃度為10g/L時(shí)分散性能最佳,這與萬(wàn)江等[30]研究規(guī)律相一致.分散劑/膨潤(rùn)土比例為10%、20%、25%與 30%的修補(bǔ)溶液的 Zeta電位依次為-26.67,-38.10,-41.90,-44.07mV,負(fù)電性逐步增強(qiáng).這是因?yàn)榉稚┑氖褂迷黾恿伺驖?rùn)土雙電層厚度,使得顆粒間斥力增大,分散效果變好[33-35].

表2 不同分散劑和膨潤(rùn)土濃度條件下的Zeta電位與形成堆積物的滲透系數(shù)Table 2 Zeta potential and permeability coefficient under different dispersant and bentonite concentrations

將Zeta電位與滲透系數(shù)k進(jìn)行擬合(圖5)得到Zeta電位與滲透系數(shù)的數(shù)學(xué)表征模型:

圖5 Zeta電位與滲透系數(shù)關(guān)系擬合曲線Fig.5 Relationship between Zeta potential and permeability coefficient

式中:k為滲透系數(shù),cm/s;|ζ|為Zeta電位的絕對(duì)值,mV(相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.975).

當(dāng)膨潤(rùn)土濃度≥10g/L、運(yùn)行時(shí)間為2d時(shí),Zeta電位的絕對(duì)值越大,滲透系數(shù)越小,修補(bǔ)效果越好,當(dāng)Zeta電位絕對(duì)值達(dá)到一定值(約 34mV)后,修補(bǔ)效果趨于穩(wěn)定.

2.6.3 局限性分析 目前電動(dòng)修補(bǔ)效果沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的填埋場(chǎng)防滲層滲透系數(shù)(1×10-7cm/s).但實(shí)際工程中針對(duì)污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)管控措施(如垂直防污隔離墻等)的滲透系數(shù)常只能達(dá)到 5×10-6cm/s[36];同時(shí)滲濾液滲漏量不僅與漏洞大小有關(guān),還受HDPE膜與下層介質(zhì)接觸情況以及下層介質(zhì)滲透系數(shù)等影響[37],使用 HELP模型進(jìn)行計(jì)算,在漏洞密度為20個(gè)/hm2、漏洞直徑為5mm時(shí),假設(shè)HDPE膜下介質(zhì)的滲透系數(shù)為1×10-4cm/s(本文下層介質(zhì)使用鵝卵石,為最不利情況),年滲漏量達(dá)到 11.54m3,經(jīng)修補(bǔ)后漏洞處滲透系數(shù)減小到1×10-6cm/s時(shí)滲漏量?jī)H為0.03m3(膜下介質(zhì)仍為最不利情況,滲透系數(shù)為1×10-4cm/s),減小 300多倍;同時(shí)電動(dòng)修補(bǔ)還填補(bǔ)了HDPE膜與介質(zhì)的空隙,改善膜與介質(zhì)的接觸情況,當(dāng)接觸達(dá)到優(yōu)秀時(shí),年滲漏量進(jìn)一步減少到 9.9×10-4m3(膜下介質(zhì)滲透系數(shù)為1×10-6cm/s),減小約1000倍.因此,本文認(rèn)為修補(bǔ)后漏洞處的滲透系數(shù)達(dá)到1×10-6cm/s即是有效的修補(bǔ).此時(shí),溶液的Zeta電位需達(dá)-42.11mV.

由上述分析可知,若進(jìn)一步改善修補(bǔ)效果,可在以下方面進(jìn)行深入研究:增加運(yùn)行時(shí)間;研發(fā)與選用其他不易被滲濾液抑制分散性能的新型材料等.

3 結(jié)論

3.1 靶向電動(dòng)修補(bǔ)過(guò)程主要包含電泳遷移作用與電滲加固兩個(gè)步驟.即修補(bǔ)材料通過(guò)電泳作用定向遷移至漏洞處形成堆積物;堆體內(nèi)部的孔隙水通過(guò)電滲作用排出,最終形成低滲透系數(shù)的堆積物.

3.2 靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)在 HDPE膜漏洞直徑為5mm,氯化鈣濃度 2.5mmol/L的情況下,達(dá)到修補(bǔ)效果的最低工藝參數(shù)為:石墨電極,電壓 50V,最低運(yùn)行時(shí)間2d,膨潤(rùn)土濃度10g/L,分散劑/膨潤(rùn)土比例30%.此條件下,漏洞處滲透系數(shù)可達(dá)到9.41×10-6cm/s.

3.3 各工藝參數(shù)對(duì)修補(bǔ)效果的影響為:非惰性電極易對(duì) HDPE膜造成二次損傷;修補(bǔ)效果隨運(yùn)行時(shí)間的增加而改善,且改善幅度逐漸平緩;電壓、膨潤(rùn)土濃度的增加均會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響;在本文研究范圍內(nèi),分散劑/膨潤(rùn)土比例的增加將提高修補(bǔ)效果.

3.4 修補(bǔ)溶液的分散性能是靶向電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象.表征分散性能的Zeta電位則是修補(bǔ)效果控制的關(guān)鍵,為實(shí)際情況中分散劑/膨潤(rùn)土比例提供依據(jù).修補(bǔ)后 HDPE膜漏洞處滲透系數(shù)達(dá)到1×10-6cm/s所對(duì)應(yīng)修補(bǔ)溶液的Zeta電位至少為-42.11mV.