專利名稱：一種用于垃圾填埋場襯層材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用于生產(chǎn)層狀制品的粘土材料，更具體地說是一種用于垃圾填埋場襯層和墻體結(jié)構(gòu)的改性膨潤土材料。
近年來隨著人口的高度集中和城市化的迅速發(fā)展，世界各國的垃圾正以快于其經(jīng)濟增長速度三倍的平均速度增長，數(shù)量龐大的垃圾正在愈來愈嚴(yán)重地影響著人類的生存，使得城市垃圾的處置問題變得日益突出。如今無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家都不可避免地面臨著自然資源垃圾化和垃圾危害化的嚴(yán)重威脅。國內(nèi)外都曾發(fā)生過垃圾堆放場污染飲用水的事故。目前城市垃圾處置方法一般為衛(wèi)生填埋、露天堆放、焚燒、熱解、生物降解、堆肥和投海等。發(fā)達國家以衛(wèi)生填埋和焚燒為主，尤其是衛(wèi)生填埋法具有成本較低、處理量大、終極化處置程度高等優(yōu)點，已成為國外城市垃圾處置的主要方法之一，我國業(yè)已正式提出近期城市垃圾處理技術(shù)政策，衛(wèi)生填埋法成為垃圾處置的首選技術(shù)，預(yù)計在21世紀(jì)我國大中城市都會建有垃圾填埋場。
垃圾填埋場滲濾液是地表水和地下水有機污染物主要來源之一。垃圾滲濾液中的有機污染物主要來自生活垃圾中有機物質(zhì)的分解，其次來源于工業(yè)或商業(yè)垃圾。當(dāng)填埋場地下的粘土層對大部分有機污染物吸附達到飽和而有機物來不及降解時，這些污染物就會污染地下水。經(jīng)垃圾填埋場導(dǎo)流管引流出來的滲濾液往往未經(jīng)無害化處理就直接排放到河流、水庫，有的用于農(nóng)田灌溉，嚴(yán)重污染了農(nóng)作物和水生生物，并通過食物鏈和生態(tài)環(huán)境對人體健康產(chǎn)生危害。在此探索垃圾滲濾液中有機污染物的有效處理方法已成為國內(nèi)外重要的研究課題。
垃圾填埋場工程的主要功能是封閉廢物，達到避免廢物對大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境和人的生存環(huán)境的污染的效果。盡管不同國家和地區(qū)根據(jù)經(jīng)濟與科技發(fā)展水平，制定了不同的填埋技術(shù)規(guī)范，但都具有類似的結(jié)構(gòu)。通常在天然巖土體不能滿足防滲要求的狀況下，需要在填埋場底部與周邊設(shè)置防滲襯里，有條件的還在底部襯里之上堆置排泄層和安埋滲濾液收集系統(tǒng)，其中的關(guān)鍵技術(shù)是選址和密封，而理論上來講，利用含有一些天然粘土礦物的軟層作為垃圾填埋襯層，可有效阻止場外水體向場內(nèi)滲透，又可防止場內(nèi)污染物向外泄露，若遇有地殼運動引起場地變形甚至斷裂時，這些軟層可發(fā)生塑性變形而不導(dǎo)致斷裂，并能快速填堵裂縫。但事實上過去在利用天然軟層建造的某些垃圾填埋場，已發(fā)現(xiàn)場內(nèi)有機質(zhì)污染物有外滲現(xiàn)象的發(fā)生，這與城市生活垃圾中有機質(zhì)成分過多關(guān)系密切。因為無機的粘土礦物軟層具有強裂的親水性，不能有效吸附疏水性的有機污染物，故達不到阻止有機質(zhì)污染物遷移、防治有機質(zhì)污染物滲漏的目的。
我國城市生活垃圾以食品垃圾和灰渣垃圾為主，大大高于發(fā)達國家城市生活垃圾中有機物含量，再加上工業(yè)排放的有機污染物，造成我國城市垃圾滲濾液化學(xué)成分極為復(fù)雜，除無機性三氮化物和重金屬污染物之外，主要含有大量有機污染物，包括低分子的脂肪酸、腐植質(zhì)類和高分子的灰黃酸類物質(zhì)等，可檢測出有機污染物達77種，是一種高濃度、強污染、組成復(fù)雜的綜合有機污水。使得我國城市垃圾滲濾液中有機性污染物防治問題十分突出和迫切。
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有天然粘土用作垃圾填埋場襯層和墻體結(jié)構(gòu)材料的缺點，提供一種可限制有機污染物在土壤環(huán)境中遷移擴散，以阻止對地下水進一步污染的垃圾填埋場襯層新型材料。
實現(xiàn)本發(fā)明的主要技術(shù)方案將有機膨潤土、金屬膨潤土和傳統(tǒng)的天然粘土混合使用。
本發(fā)明的材料具體構(gòu)成由內(nèi)到外依次為金屬膨潤土、天然膨潤土、有機膨潤土、天然膨潤土，其每層厚度比為金屬膨潤土層天然膨潤土層有機膨潤土層天然膨潤土層=1-2∶3-4∶1-2∶3-4或者將有機膨潤土和兩層天然膨潤土混合組成一層混合層。
本發(fā)明的具體應(yīng)用方法，將本發(fā)明的層狀材料下層即天然膨潤土層或有機膨潤土和天然膨潤土混合層與天然土壤層相連接并壓實，構(gòu)成填埋場襯層作業(yè)層，使填埋場作業(yè)層的壓實密度最低為1t/m3，密實度為97％，滲透系數(shù)小于1×10-9M/S，透氣系數(shù)小于1×10-7M/S，所述的作業(yè)層的襯層層狀材料層與天然土壤層厚度高比為1∶1，所述的天然土壤是指垃圾填埋場現(xiàn)場的土壤。
本發(fā)明所述的有機膨潤土是按常規(guī)方法用季胺鹽改性劑對天然膨潤土進行有機化改性(陳濟美，1994，有機膨潤土的合成與特性研究，地質(zhì)實驗室，第10卷，第4-5期，第292-297頁)。
本發(fā)明所述的金屬膨潤土的制備富含Na+、Ca2+、Cu2+、Al3+和Cr3+的膨潤土通過吸附各種金屬的氯化物溶液制備，多余的Cl-用去離子水洗掉，然后將得到的含各種金屬離子的膨潤土干燥，粉碎后過100目篩，利用天然膨潤土處理各種重金屬廢水，飽和吸附后也可得到相應(yīng)的金屬膨潤土(何宏平、郭九皋、謝先德、彭金蓮，1999，蒙脫石等粘土礦物對重金屬離子吸附選擇性實驗研究，礦物學(xué)報，第19卷，第231-235頁)。
下面結(jié)合


本發(fā)明材料的結(jié)構(gòu)。
圖1為垃圾填埋場作業(yè)層斷面示意圖。
由圖1所示，垃圾填埋場作業(yè)層是由本發(fā)明的襯層層狀材料和天然土壤層4所構(gòu)成，本發(fā)明的襯層層狀材料由上至下依次為與垃圾接觸層即金屬膨潤土層1、天然膨潤土層2-1、有機膨潤土層3、天然膨潤土層2-2所構(gòu)成，其中天然膨潤土層2-2與天然土壤層相連接。按上述材料結(jié)構(gòu)可建造不同形狀和大小的垃圾填埋場。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明的材料由于在襯層存在有機膨潤土和金屬膨潤土，因此，可有效截住或固定有機污染物，限制有機污染物在土壤環(huán)境中遷移擴散。有機污染物在土壤乃至地下水中的遷移能力，依賴于土壤對污染物的吸附程度。在垃圾填埋場襯層和墻體防滲材料中添加少量的有機粘土礦物，將增加防滲材料對有機污染物的吸附能力，明顯延緩有機污染物穿透防滲材料的速度。由于在垃圾填埋場中防滲層附近，滲濾液與無機的粘土礦物和有機的微生物及生物能組成一個較完整的生態(tài)系統(tǒng)，一些有機性污染物又可成為微生物生長的碳源，故防滲層中微生物還能降解被有機粘土礦物所吸附的有機物污染物。如將有機粘土礦物和傳統(tǒng)的可阻止水的流動的粘土礦物混合使用，更是解決生活垃圾衛(wèi)生填埋場襯層和墻體防滲防漏的最佳選擇。
天然粘土礦物存在著大量可交換的親水性無機陽離子，使天然粘土礦物表面通常有一層薄薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性有機污染物。當(dāng)以季銨鹽陽離子改性天然粘土礦物，制成有機粘土后，有機陽離子的N端被交換吸附在帶負(fù)電荷的粘土表面上，烷基鏈相互擠在一起形成有機相，可以提高粘土表面的疏水性，從而有效吸附疏水性有機污染物。
由于有機陽離子的水合作用明顯小于無機陽離子，通常沒有水膜存在于有機粘土礦物表面，能大大提高除去水中有機污染物的能力，有效地阻止有機污染物在環(huán)境中的遷移。
有機粘土層間域由于大量的有機陽離子的存在形成了憎水相(有機相)，該憎水相可成為有機污染物的有機分配相，即有機污染物在水相和有機相分配。有機污染物主要在有機陽離子和粘土表面溶解，當(dāng)有機物溶解度增大后，有機陽離子鏈脫離表面，形成有機相。當(dāng)吸附的有機污染物越來越多時，有機相的溶解力會增大，從而產(chǎn)生溶劑化效應(yīng)。溶劑化效應(yīng)和分配效應(yīng)共同作用，能夠提高對有機物的吸附能力；本發(fā)明的材料使用的金屬膨潤土是用Na+,Cu3+,Al3+和Cr3+飽和膨潤土對其進行金屬化改性，可提高其對有機物吸附能力，而且可利用天然膨潤土作吸附劑用于對工業(yè)重金屬廢水處理，然后將吸附有毒高價金屬陽離子的膨潤土，用于對有機物的吸附，可以以廢治廢，解決了以往膨潤土回收利用的問題，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
總之，由于采用有機膨潤土和金屬膨潤土作襯層材料，對垃圾滲濾液中有機污染物有強的吸附能力，再加上襯層具有足夠的厚度和壓實度，完全能夠防止有機污染物的滲漏，阻止有機污染物對地下水的污染，因此本發(fā)明具有重要的環(huán)境效益和社會意義。
下面通過具體實例進一步說明本發(fā)明的特點。
實例1本實例是制備有機膨潤土。
實驗用的天然膨潤土為河北宣化的天然鈣基膨潤土，主要礦物成分膨潤土87.4 ％、石英3.6％、α-方石英7.3％、鉀長石0.7％，其它1.0％，陽離子交換容量為83.87mlg/100g土，其化學(xué)成份見表1；所用的改性劑為化學(xué)純溴化十六烷基三甲胺(CTMAB)。
制備方法將原樣干燥后過100目篩置于廣口瓶中備用。每次實驗時稱取40g原樣，倒入200ml一定濃度的CTMAB溶液中，搖勻后放入恒溫振蕩器中恒溫振蕩2.5h，溫度50℃，振速170r·min-1。取出后抽濾洗滌至無溴離子，在90℃左右烘干，研磨后過100篩。
改性膨潤土有X射線結(jié)果列于表2。由表2可知，隨改性劑用量的增加，有機膨潤土d001值增大。
原樣和有機膨潤土的差熱分析曲線顯示，原樣在172℃左右失去層間水，在695℃和889℃失去結(jié)構(gòu)水，改性膨潤土在121℃左右失去層間水，在455℃有一有機物分解的強放熱峰，在320℃和733℃各有一弱的放熱峰，而原樣中失去結(jié)構(gòu)水的兩個吸熱谷，一個被覆蓋，一個變得非常弱。
與原樣相比，有機膨潤土的紅外光譜譜圖上增加了2921cm-1和2851cm-1兩個烷烴C-H鍵伸縮振動的特征吸收峰。
這些都證明改性劑已成功進入膨潤土的層間。
實例2本實例是制備金屬膨潤土。
經(jīng)過Na+、Ca2+、Cu3+和Cr3+飽和的膨潤土(原料同實例1？)進行X射線分析，其底面反射d(001)面網(wǎng)間距的值如表3所示，即這幾種膨潤土的層間距由小到大的順序為Na+＜Ca3+＜Cu2+Al3+＜Cr3+膨潤土。較大的層間距有利于有機物分子進入膨潤土層間。
對含Na+、Ca3+、Cu3+Al3+和Cr3+的膨潤土化學(xué)分析，其分別含有的CaO、Na2O、CuO、Al2O3、Cr2O3和吸附水的質(zhì)量百分含量見表4。由表4可知，高價態(tài)的陽離子周圍環(huán)繞著更多的水分子，這些水分子可以和羥基有機物分子形成氫鍵，從而可吸附更大量的有機物。
實例3本實例為有機膨潤土對苯酚、苯胺和苯系列、三氯甲烷的吸附實驗。
1．有機膨潤土吸附苯酚實驗實驗條件選用苯酚初始濃度為10mg/l，膨潤土用量2.5g，進行吸附實驗，實驗過程是在室溫150r/min的振速下恒溫振蕩10min后，離心、過膜、用紫外分光光度儀測定剩余濃度。下同。結(jié)果見表5，由表5顯示，隨改性劑用量增加，有機膨潤土對苯酚吸附能力增強。
2．有機膨潤土吸附苯胺實驗實驗條件有機膨潤土用量2.0g，溶液體積25ml苯胺初始濃度20mg/l，pH值中性，對苯胺的去除率達90％，平衡濃度達到國家工業(yè)廢水第二類污染物二級排放標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果如表6。
3．有機膨潤土吸附包括苯、甲苯、乙苯、鄰、間、對位的二甲苯、異丙苯及苯乙系在內(nèi)的苯系列，在垃圾滲濾液中含有多種苯系列物、多環(huán)芳烴和鹵代烴，其中以二甲苯含量最大，可達31.2mg/l。
實驗條件苯、甲苯、二甲苯的初始濃度分別為22.585mg/l、24/086mg/l、18.330mg/l，試樣用量均選用1.0g。溶液體積25ml,PH值近中性，振蕩反應(yīng)時間30min，靜置后取上清液，用氣相色譜儀測定剩余液度。下同。試驗結(jié)果見圖2。由圖2可知，在相同試樣用量下，隨著改性劑用量的增加，苯系物去除率明顯增加，特別對二甲苯具有很好的吸附效果。而天然膨潤土對苯系物幾乎沒有吸附能力。
4．有機膨潤土吸附三氯甲烷實驗實驗條件三氯甲烷初始濃度為10.84mg/l，試樣用量為2.0g。試驗結(jié)果有機膨潤土對三氯甲烷去除率接近50％，而天然膨潤土對三氯甲烷的去除率為3.14％。
實例4本實例為金屬膨潤土吸附苯酚和降低COD的實驗。
1．吸附苯酚實驗分別加入0.1g經(jīng)Na+、Ca2+、Cu2+、Al3+、Cr3+飽和的溶液體積20ml，濃度分別為10mg/l和20mg/l，振蕩反應(yīng)30min后，離心取出上層清液，用紫外分光光度計測定濾液中苯酚濃度。實驗結(jié)果見表7。
從表7可以看出，在各種苯酚初始濃度條件下，吸附苯酚的量均按照下列順序增加Na+＜Ca2+＜Cu2+Al3+＜Cr3+膨潤土，即含有高價陽離子的膨潤土對于苯酚的吸附量要高于含低價陽離子膨潤土的吸附量。
2．降低COD實驗實驗條件苯酚和二甲苯的初始濃度均為10mg/l、COD初始值為160.8mg/l。實驗方法同上述吸附苯酚實驗條件，只是二甲苯用氣相色譜儀測定，COD用重鉻酸鉀法測定。不同類型的金屬膨潤±對苯酚，二甲苯和垃圾滲濾液中有機物的吸附結(jié)果見表8。
由表8可以看出，4種膨潤土對苯酚和COD的吸附率均按照下列順序增加Na+＜Ca2+＜Cu2+Al3+＜Cr3+膨潤土，即含有高價陽離子的膨潤土對于苯酚和COD的吸附量高于含低價陽離子膨潤土的吸附量，而且Al3+、Cr3+膨潤土對苯酚的吸附能力要遠大于Na+、Ca2+膨潤土。在實驗條件下，富含Cr3+蒙脫石對苯酚的吸附率達到67.5％，對于COD的吸附率達到60.3％。而各種膨潤土對二甲苯的吸附量均相對較小。
實例5
本實例是對有機膨潤土和金屬膨潤土的具體應(yīng)用。
按圖1結(jié)構(gòu)建造垃圾填埋場作業(yè)層自然土壤層1米；本發(fā)明的襯層的層狀材料層厚1米，其中金屬膨潤地層0.2米厚、有機膨潤土層0.2米厚，有機膨潤土層的上下天然膨潤土層均為0.3米厚，然后夯實，以使實密度和密實度達到規(guī)定的要求。
表1天然膨潤土的化學(xué)成分(wt％)
表2有機膨潤土d001值
表3金屬膨潤土d001值
表4各種膨潤土中CaO、Na2、CuO、Al2O3、Cr2O3和吸附水的質(zhì)量百分含量(％)
表5幾種改性膨潤土對苯酚吸附效果
表6幾種改性膨潤土對苯胺吸附效果
表7不同類型的膨潤土對苯酚溶液的吸附
表8不同類型的膨潤土對各類有機物吸附率
權(quán)利要求
1．一種用于垃圾填埋場襯層材料，其特征在于有機膨潤土、金屬膨潤土和天然膨潤土構(gòu)成層狀鋪墊結(jié)構(gòu)，具體構(gòu)成依次為金屬膨潤土、天然膨潤土、有機膨潤土、天然膨潤土，其每層厚度比為1-2∶3-4∶1-2∶3-4或者將有機膨潤土和兩層天然膨潤土混合組成一層混合層。
2．按照權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于所述的金屬膨潤土用氯化物處理得到的金屬膨潤土或利用天然膨潤土作吸附劑對工業(yè)重金屬廢水處理后的吸附有毒的高價金屬離子的飽和后膨潤土。
3．權(quán)利要求1所述的材料應(yīng)用方法，其特征在于將層狀材料的天然膨潤土層或有機膨潤土和天然膨潤土混合層與天然土壤層相連接并壓實，構(gòu)成垃圾填埋場作業(yè)層，其壓實密度最低為1t/m3，密實度為97％，滲透系數(shù)小于1×10-9M/S，襯層透氣系數(shù)小于1×10-7M/S，所述的作業(yè)層的襯層的層狀材料鋪墊層與天然土壤層厚度之比為1∶1。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于垃圾填埋場襯層材料,其特點是將有機膨潤土和金屬膨潤土與天然膨潤土混合使用,構(gòu)成層狀鋪墊材料。本發(fā)明的材料對垃圾滲濾中典型有機污染物如苯酚、苯胺、苯系列物、鹵代烴等有強的吸附能力,完全能夠防止垃圾滲濾液中有機污染物的滲漏,阻止它們對地下水的污染,因此本發(fā)明具有重大的環(huán)境效益和社會效益。
文檔編號E02D31/00GK1318675SQ0111032
公開日2001年10月24日 申請日期2001年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月3日
發(fā)明者魯安懷, 韓麗榮, 張僉, 鄭紅 申請人:魯安懷