專利名稱：一種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬土木工程、環(huán)境巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊，該土工襯墊可用于防滲工程，包括垃圾填埋場放滲、封頂系統(tǒng)； 儲油罐、油庫底層防滲；人工湖，蓄水池及污水池防水。同時，本發(fā)明還提供一種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)鈉基膨潤土襯墊具有高膨脹性和高吸水能力，主要用于污染物的隔離，鈉基膨潤土具有的半透膜效應(yīng)，使其反滲透和防擴散效果明顯。然而，鈉基膨潤土襯墊的隔離能力依賴于黏土礦物顆粒表面吸附具交換性質(zhì)的綜合體中占主導(dǎo)地位陽離子的價位。當(dāng)交換綜合體被單價陽離子(如鈉離子)控制時，膨潤土組分中的蒙脫石因為吸水而致晶體間膨脹，從而降低滲透性。相反，如果多價陽離子控制交換綜合體，吸附作用則會增加滲透性。舉例說明，離子交換過程中(包括孔隙水溶液)存在鈣離子時，鈉基膨潤土礦物組分中的多價陽離子為單價陽離子替換后，減少或削弱了膨脹性，從而降低膨潤土功能的有效性；與之相似，高濃度單價溶液也會限制滲透膨脹。針對傳統(tǒng)鈉基膨潤土襯墊具有的上述缺陷，尋找一種適應(yīng)性強，價格低廉，無污染，性能穩(wěn)定的新型土工襯墊成為業(yè)內(nèi)人士日益關(guān)注的焦點。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊，該土工襯墊在含多價陽離子礦物的環(huán)境中使用，滲透系數(shù)穩(wěn)定，具有良好的防滲性能。同時，提供一種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的制備方法，該制備方法過程簡單、周期短。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊，該土工襯墊包括第一土工層、第二土工層和納米膨潤土復(fù)合材料，所述的納米膨潤土復(fù)合材料固定連接在第一土工層和第二土工層之間，所述的第一土工層為土工織物或土工膜，第二土工層為土工織物或土工膜。—種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的制備方法，該制備方法包括以下步驟101 制備納米膨潤土復(fù)合材料；該步驟101包括步驟1011-1014 1011.將濃度彡99. 0%的丙烯酸用蒸餾水或去離子水稀釋至20% _25%，并震蕩均勻，形成丙烯酸稀釋液；1012.將研磨到納米級的鈉基膨潤土粉末，緩慢加入步驟1011中的丙烯酸稀釋液中，混合并震蕩均勻，形成膨潤土研磨液；其中，鈉基膨潤土粉末占丙烯酸稀釋液重量的 30% -50% ；1013.在步驟1012的膨潤土研磨液中加入過二硫酸鈉溶液作為誘發(fā)劑，然后再緩
3慢加入氫氧化鈉粉末，中和步驟1012中的膨潤土研磨液，形成復(fù)合膨潤土漿液；其中，過二硫酸鈉溶液占膨潤土研磨液重量的0. 6% -1. 2% ；1014.烘干復(fù)合膨潤土漿液，形成復(fù)合膨潤土凝結(jié)材料，然后研磨復(fù)合膨潤土凝結(jié)材料，過Imm篩，形成納米膨潤土復(fù)合材料；102 將步驟101中制備的納米膨潤土復(fù)合材料固定連接在第一土工層和第二土工層之間。有益效果與現(xiàn)有的土工襯墊相比，本技術(shù)方案的土工襯墊具有以下有益效果1.本技術(shù)方案的土工襯墊具有良好的滲透性能和膨脹性能。本技術(shù)方案提供的土工襯墊中的納米復(fù)合材料中的聚丙烯酸與膨潤土顆粒存在較強的聚合作用，使土工襯墊具有良好的阻水效果和滲透膨脹能力。在不同濃度(10-3mM-103mM)的陽離子溶液浸泡下，本技術(shù)方案提供的土工襯墊的滲透系數(shù)小于3X10_1(lCm/S，而傳統(tǒng)的鈉基土工襯墊的滲透系數(shù)大于1.9X10-9cm/S。本技術(shù)方案提供的土工襯墊的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的鈉基膨潤土土工襯墊的滲透系數(shù)，且本技術(shù)方案提供的土工襯墊的滲透系數(shù)穩(wěn)定，不會受陽離子溶液濃度的變化而發(fā)生大幅變化。同時，在較低的滲透系數(shù)下，本技術(shù)方案提供的土工襯墊的膨脹指數(shù)較高，滲透膨脹性較好。2.適應(yīng)含多價陽離子的礦物環(huán)境。傳統(tǒng)的鈉基膨潤土土工襯墊的隔離能力依賴于黏土礦物顆粒表面吸附具交換性質(zhì)的綜合體中占主導(dǎo)地位陽離子的價位。當(dāng)多價陽離子控制交換綜合體，吸附作用則會增加滲透性。因此，鈉基膨潤土土工襯墊不適用于含多價陽離子的礦物環(huán)境中。而本發(fā)明提供的土工襯墊對多價位金屬液固體侵入具有較強的抵抗和隔離作用。本發(fā)明中的納米膨潤土復(fù)合材料遇水會形成更加致密的膠結(jié)狀結(jié)構(gòu)，隔離能力受此結(jié)構(gòu)特征影響明顯。陽離子的吸附作用與之相比，作用力較小，宏觀表現(xiàn)為穩(wěn)定的低滲透性。因此，本發(fā)明提供的土工襯墊適應(yīng)含多價陽離子的礦物環(huán)境。3.本技術(shù)方案的土工襯墊價格低廉、無污染、性能穩(wěn)定。制備本發(fā)明的土工襯墊過程中，膨潤土市場價格低廉，同時，所用的溶液均為常見化工溶液，容易獲取，且價格較低。 另外，制備本發(fā)明的土工襯墊過程中，不會產(chǎn)生環(huán)境污染。制備的土工襯墊的性能穩(wěn)定。4.制備方法簡單、生產(chǎn)周期短。制備本發(fā)明的土工襯墊中的納米膨潤土復(fù)合材料， 主要過程分為稀釋、中和、烘干和研磨，均為常見試驗和生產(chǎn)方法，易操做，生產(chǎn)周期短。


圖1是本發(fā)明的土工襯墊的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖2是依據(jù)實施例和對比例繪制的傳統(tǒng)鈉基膨潤土土工襯墊和本發(fā)明提供的土工襯墊的滲透系數(shù)隨CaCl2溶液濃度的變化規(guī)律圖。圖3是依據(jù)實施例和對比例繪制的傳統(tǒng)鈉基膨潤土土工襯墊和本發(fā)明提供的土工襯墊的滲透系數(shù)隨膨脹指數(shù)變化規(guī)律圖。圖中有1.第一土工層，2.第二土工層，3.納米膨潤土復(fù)合材料。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明的一種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊，包括第一土工層1、第二土工層2和納米膨潤土復(fù)合材料3。納米膨潤土復(fù)合材料3固定連接在第一土工層1和第二土工層2之間。第一土工層1為土工織物或土工膜，第二土工層2為土工織物或土工膜。上述的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的制備方法，包括以下步驟101 制備納米膨潤土復(fù)合材料；102 將步驟101中制備的納米膨潤土復(fù)合材料3固定連接在第一土工層1和第二土工層2之間。所述的步驟101具體包括下列步驟1011-1014 1011.將濃度彡99.0%的丙烯酸用蒸餾水或去離子水稀釋至20%-25%，并震蕩均勻，形成丙烯酸稀釋液。1012.將研磨到納米級的鈉基膨潤土粉末，緩慢加入步驟1011中的丙烯酸稀釋液中，混合并震蕩均勻，形成膨潤土研磨液；其中，鈉基膨潤土粉末占丙烯酸稀釋液重量的 30% -50%。1013.在步驟1012的膨潤土研磨液中加入過二硫酸鈉溶液作為誘發(fā)劑，然后再緩慢加入氫氧化鈉粉末，中和步驟1012中的膨潤土研磨液，形成復(fù)合膨潤土漿液；其中，過二硫酸鈉溶液占膨潤土研磨液重量的0. 6% -1. 2%。在步驟1013中，當(dāng)膨潤土研磨液形成后，將漿液溫度提升至過二硫酸鈉誘發(fā)劑的分解溫度來促進聚合反應(yīng)發(fā)生。此過程是為了促使誘發(fā)劑分解而形成一到多個自由基。在聚合過程中，自由基與丙烯酸的雙鍵結(jié)合形成新的自由基來形成聚合物鏈。1014.烘干復(fù)合膨潤土漿液，形成復(fù)合膨潤土凝結(jié)材料，然后研磨復(fù)合膨潤土凝結(jié)材料，過Imm篩，形成納米膨潤土復(fù)合材料3。在步驟1014中，最終制成的納米膨潤土復(fù)合材料3可以具有2% 的含水率。本發(fā)明的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊，具有良好的滲透膨脹能力。 傳統(tǒng)鈉基膨潤土土工襯墊的防滲功能是由于膨潤土的存在，具有遇水膨脹，失水收縮的特性。但是，傳統(tǒng)的鈉基膨潤土土工襯墊處于多價陽離子的環(huán)境中，鈉基膨潤土土工襯墊的結(jié)構(gòu)會被多價陽離子破壞，鈉基膨潤土土工襯墊的性能穩(wěn)定性大幅下降。而本發(fā)明提供的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊，在制備過程中，烘干時，過二硫酸鈉發(fā)生分解，從而形成單個或多個自由基；在分解過程中，自由基打破丙烯酸的雙鍵結(jié)構(gòu)形成新的自由基， 新自由基與膨潤土微粒形成多元鏈狀結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯提高。同時，納米膨潤土復(fù)合材料中的丙烯酸與膨潤土顆粒存在較強的聚合作用，使土工襯墊具有良好的阻水效果和滲透膨脹能力。下面通過具體實施例來說明本技術(shù)方案的性能。以下實施例中通過膨脹指數(shù)測試，以膨脹指數(shù)來說明實驗對象的膨脹性能，膨脹指數(shù)越高，膨脹性能越佳；通過滲透性測試，以滲透系數(shù)來說明實驗對象的滲透性能，滲透系數(shù)越高，滲透性能越差。實施例1實驗條件關(guān)于氯化鈣溶液氯化鈣溶液的制備通過溶解二水氯化鈣鹽于去離子水中來制備。氯化鈣溶液中的鈣離子濃度通過電感耦合等離子體光譜儀測試，試驗規(guī)程遵循國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-1999)。
關(guān)于土工襯墊按照本發(fā)明提供的制備方法制取的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊。關(guān)于膨脹指數(shù)測試遵循國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-1999)。材料100%過200目標(biāo)準(zhǔn)篩。關(guān)于滲透性測試通過柔性壁滲透儀進行，遵循國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T19979. 2-2006)。實驗過程在小于0. 05mM濃度的氯化鈣溶液中，加入適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊，浸泡48個小時，然后分別進行膨脹指數(shù)測試和滲透性測試。實驗結(jié)果本技術(shù)方案的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的膨脹指數(shù)是膨脹指數(shù) 73. 0mL/2g，滲透系數(shù)是 1. 9 X 10_lclcm/s。實施例2實施例2的實驗條件和實驗過程與實施例1相同，不同的是實驗過程中氯化鈣溶液的濃度是陽福。實驗結(jié)果本技術(shù)方案的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的膨脹指數(shù)是膨脹指數(shù)46. 55mL/2g，滲透系數(shù)是1. 8 X 10-1(lCm/S。實施3實施例3的實驗條件和實驗過程與實施例1相同，不同的是實驗過程中氯化鈣溶液的濃度是^OmM。實驗結(jié)果本技術(shù)方案的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的膨脹指數(shù)是膨脹指數(shù)19. 0mL/2g，滲透系數(shù)是2. 8X 10-1QCm/S。實施4實施例5的實驗條件和實驗過程與實施例1相同，不同的是實驗過程中氯化鈣溶液的濃度是500mM。實驗結(jié)果本技術(shù)方案的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的膨脹指數(shù)是膨脹指數(shù) . 0mL/2g，滲透系數(shù)是1. 3X 10_1QCm/S。對比例1實驗條件和實施例1相同，不同的是土工襯墊采用傳統(tǒng)的鈉基膨潤土土工襯墊， 通過購買市場上銷售的上海盈帆環(huán)保材料有限公司生產(chǎn)的鈉基膨潤土土工襯墊。實驗過程在小于0. 055mM濃度的氯化鈣溶液中，加入鈉基膨潤土土工襯墊，浸泡48小時，然后分別進行膨脹指數(shù)測試和滲透性測試。實驗結(jié)果傳統(tǒng)的鈉基膨潤土土工襯墊的膨脹指數(shù)是膨脹指數(shù)30. 5mL/2g，滲透系數(shù)是 1. 7Xl(T9cm/s。對比例2對比例2的實驗條件和實驗過程與對比例1相同，不同的是實驗過程中氯化鈣溶液的濃度是5mM。實驗結(jié)果傳統(tǒng)的鈉基膨潤土土工襯墊的膨脹指數(shù)是膨脹指數(shù)28. 5mL/2g,滲透系數(shù)是 1.8Xl(T9cm/s。
對比例3對比例3的實驗條件和實驗過程與對比例1相同，不同的是實驗過程中氯化鈣溶液的濃度是50mM。實驗結(jié)果傳統(tǒng)的鈉基膨潤土土工襯墊的膨脹指數(shù)是膨脹指數(shù)10. 0mL/2g,滲透系數(shù)是 2. 4Xl(T5cm/s。對比例4對比例4的實驗條件和實驗過程與對比例1相同，不同的是實驗過程中氯化鈣溶液的濃度是500mM。實驗結(jié)果傳統(tǒng)的鈉基膨潤土土工襯墊的膨脹指數(shù)是膨脹指數(shù)8. 5mL/2g,滲透系數(shù)是 4. 5X10_5cm/s。結(jié)合表1、圖1和圖2，以及上述四個實施例和四個對比例，可以看出與傳統(tǒng)鈉基膨潤土土工襯墊相比，本發(fā)明提供的土工襯墊的膨脹性能和滲透性能更佳，適應(yīng)性更強，性能更穩(wěn)定。表1是傳統(tǒng)鈉基膨潤土土工襯墊和本發(fā)明提供的土工襯墊通過膨脹指數(shù)測試和滲透性測試的結(jié)果。圖2是依據(jù)表1繪制的滲透系數(shù)隨CaCl2溶液濃度的變化規(guī)律圖，其中，橫坐標(biāo)表示氯化鈣溶液的濃度，單位mM，縱坐標(biāo)表示滲透系數(shù)，單位cm/s。圖2中，帶有空心圓的實線表示傳統(tǒng)鈉基膨潤土土工襯墊的滲透系數(shù)隨氯化鈣溶液的濃度變化的情況， 帶有實心矩形的實線表示本發(fā)明提供的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的滲透系數(shù)隨氯化鈣溶液的濃度變化的情況。圖3是依據(jù)表1繪制的滲透系數(shù)隨膨脹指數(shù)變化規(guī)律圖，其中，橫坐標(biāo)表示膨脹指數(shù)，單位mM，縱坐標(biāo)表示滲透系數(shù)，單位cm/s。圖3中，帶有空心圓的實線表示傳統(tǒng)鈉基膨潤土土工襯墊的滲透系數(shù)隨膨脹指數(shù)的變化的情況，帶有實心矩形的實線表示本發(fā)明提供的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的滲透系數(shù)隨膨脹指數(shù)變化的情況。在圖2中，隨著氯化鈣溶液的濃度的增加，傳統(tǒng)的鈉基膨潤土土工襯墊的滲透系數(shù)也增加，在氯化鈣溶液濃度高于IOOmM時，鈉基膨潤土土工襯墊的滲透系數(shù)大于2X10_5cm/s，滲透性差；而本發(fā)明提供的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的滲透系數(shù)滲透系數(shù)較低，小于3X 10_1(lCm/S，且不隨氯化鈣溶液濃度的增加而大幅增加，滲透性佳，阻水效果顯著。圖3中，在穩(wěn)定的低滲透性(滲透系數(shù)較低)條件下，本發(fā)明提供的土工襯墊可以達(dá)到較高的膨脹量。表權(quán)利要求
1.一種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊，其特征在于，該土工襯墊包括第一土工層(1)、第二土工層( 和納米膨潤土復(fù)合材料(3)，所述的納米膨潤土復(fù)合材料(3) 固定連接在第一土工層(1)和第二土工層( 之間，所述的第一土工層(1)為土工織物或土工膜，第二土工層O)為土工織物或土工膜。
2.—種權(quán)利要求1所述的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟101制備納米膨潤土復(fù)合材料；該步驟101包括步驟1011-1014 1011.將濃度>99. 0%的丙烯酸用蒸餾水或去離子水稀釋至20% _25%，并震蕩均勻， 形成丙烯酸稀釋液；1012.將研磨到納米級的鈉基膨潤土粉末，緩慢加入步驟1011中的丙烯酸稀釋液中，混合并震蕩均勻，形成膨潤土研磨液；其中，鈉基膨潤土粉末占丙烯酸稀釋液重量的 30% -50% ；1013.在步驟1012的膨潤土研磨液中加入過二硫酸鈉溶液作為誘發(fā)劑，然后再緩慢加入氫氧化鈉粉末，中和步驟1012中的膨潤土研磨液，形成復(fù)合膨潤土漿液；其中，過二硫酸鈉溶液占膨潤土研磨液重量的0. 6% -1. 2% ；1014.烘干復(fù)合膨潤土漿液，形成復(fù)合膨潤土凝結(jié)材料，然后研磨復(fù)合膨潤土凝結(jié)材料，過Imm篩，形成納米膨潤土復(fù)合材料(3)；102將步驟101中制備的納米膨潤土復(fù)合材料C3)固定連接在第一土工層(1)和第二土工層⑵之間。
3.按照權(quán)利要求2所述的適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊的制備方法，其特征在于，所述的步驟102中，納米膨潤土復(fù)合材料C3)通過針刺、縫合或黏合固定連接在第一土工層(1)和第二土工層( 之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于含多價陽離子礦物環(huán)境的土工襯墊及制備方法，該土工襯墊采用納米膨潤土復(fù)合材料固定連接在第一土工層和第二土工層之間。該土工襯墊的制備方法，包括以下步驟101制備納米膨潤土復(fù)合材料；該步驟包括將丙烯酸稀釋，形成丙烯酸稀釋液；將鈉基膨潤土粉末加入丙烯酸稀釋液中，形成膨潤土研磨液；在膨潤土研磨液中加入過二硫酸鈉溶液，再加入氫氧化鈉粉末，形成復(fù)合膨潤土漿液；烘干復(fù)合膨潤土漿液，然后研磨，形成納米膨潤土復(fù)合材料；102將納米膨潤土復(fù)合材料連接在第一土工層和第二土工層之間。該土工襯墊在含多價陽離子礦物的環(huán)境中使用，滲透系數(shù)穩(wěn)定，具有良好的防滲性能。該制備方法過程簡單、周期短。
文檔編號B28C1/00GK102518151SQ20111038355
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月26日
發(fā)明者杜延軍, 魏明俐 申請人:東南大學(xué)