Pu在膨润土层中的反应性迁移模拟研究(1)——地下水-膨润土体系演化的地球化学模拟

在某区含Pu高放废物处置系统的性能评价中,需要分析水-岩相互作用下蒙脱石、孔隙度、pH值等演化过程对膨润土材料性能及Pu反应性迁移的影响,为此,本文以工程屏障系统中厚度为1 m的柯尔碱膨润土回填材料为研究对象,基于地下水入渗景象,采用TOUGHREACT模拟了地下水-膨润土体系的地球化学演化。结果表明:膨润土完全饱和约需20年;膨润土中蒙脱石的伊利石化作用很弱,而去白云石化过程(白云石溶解、方解石形成)相对明显,这使得水中Ca^(2+)浓度减小、Mg^(2+)和HCO_(3)^(-)浓度增大、pH值呈弱碱性且维持在8.1~10.3范围内;膨润土的孔隙度和渗透率变化不明显(变化量不到2%)。这些演化过程将有利于维持膨润土的膨胀性,阻滞核素向外迁移。

高庙子膨润土胶体释放影响因素试验研究

高放废物处置库中缓冲回填材料膨润土与地下水相互作用时会释放出胶体,而胶体会直接影响放射性核素的迁移行为,因此,膨润土遇水释放胶体研究是处置库系统安全评价的重要内容之一。本文以高庙子膨润土为研究对象,通过室内试验,获得了离子种类、离子强度、pH、温度与浊度的关系曲线,并对这些因素影响胶体释放的机理进行了分析。结果表明:阳离子种类抑制膨润土释放胶体排序依次为Li^(+)<Na^(+)<K^(+)<NH_(4)^(+)<Zn^(2+)<Mg^(2+)<H+<Ca^(2+);阴离子中除OH-对胶体释放有显著促进作用外,其他阴离子基本对胶体释放影响不大;溶液离子强度越大,抑制膨润土胶体释放的能力越强;膨润土在中性条件下更容易释放胶体;在20~50℃之间,升高温度有利于膨润土胶体的释放。

Pu在膨润土层中的反应性迁移模拟研究(2)——Pu的种态分布及反应性迁移分析

为评估柯尔碱膨润土工程屏障材料的安全性能,采用考虑渗流扩散、溶解-沉淀、表面配位吸附、放射性衰变等多过程动态耦合的反应性迁移模拟方法,综合运用TOUGHREACT等程序开展了Pu在柯尔碱膨润土层中反应迁移的数值模拟,结合地下水-膨润土体系演化模拟分析了Pu的种态分布特征,叠加表面配位模型预测分析了Pu的长期迁移规律。结果表明:地下水中Pu主要以难迁移的Pu(OH)_(4)(aq)形式存在;由于膨润土的低渗透性和强吸附性,正常情景下Pu的扩散范围很小而将长期滞留于1 m厚膨润土中;在忽略强吸附阻滞作用的保守情景下,Pu在渗流作用下可扩散迁移出膨润土层;考虑到长时间尺度下不可避免存在的不确定性,建议重视渗流扩散为主导的其他过程和情景研究。

危险废物渗滤液阳离子和应力作用下膨润土化学相容性研究

膨润土因其优异的防渗性能被用于危险废物填埋场防渗屏障的构筑,但其防渗性能通常会受到渗滤液和应力的影响。通过渗滤液采样分析设置不同浓度阳离子溶液,系统探究实际渗滤液组分对膨润土防渗性能的影响规律;选用Ca^(2+)作为特征阳离子研究不同应力条件下膨润土渗透系数变化规律;同时结合Zeta电位和DLVO理论计算,阐明渗滤液组分和应力作用对膨润土化学相容性影响规律。结果表明,渗滤液中Al^(3+)、Fe^(3+)、Zn^(2+)、Ni^(2+)、Cu^(2+)、Fe^(2+)、Mn^(2+)浓度为0~0.20 mmol/L时,对膨润土膨胀特性和渗透特性影响较小。Mg^(2+)、Ca^(2+)、K^(+)、Na^(+)浓度为0.20~50 mmol/L时,Ca^(2+)对膨润土膨胀特性和渗透特性影响较大,Ca^(2+)浓度由1 mmol/L上升到50 mmol/L时,渗透系数由1.15×10^(−7)cm/s急速上升到6.34×10^(−6)cm/s。Ca^(2+)浓度和应力通常通过影响水化后膨润土孔隙比进而影响其渗透特性,相同Ca^(2+)浓度条件下,渗透系数随应力增加而逐渐降低。Zeta电位和DLVO理论分析表明,Ca^(2+)浓度增大会导致膨润土表面负电势减弱,引起膨润土双电层厚度减小,使膨润土中蒙脱石的层间距变小,导致膨润土膨胀特性和渗透特性降低。因此,填埋过程中应优化危险废物固化稳定化工艺,从源头减少渗滤液中Ca^(2+)浓度;同时还应研发新型膨润土复合材料,提高膨润土在Ca^(2+)等高浓度盐溶液中的防渗性能,防控危险废物填埋场渗漏风险。

氨氮在膨润土改性黄土衬垫层中的吸附和扩散行为研究

膨润土改性黄土可以用作生活垃圾填埋场底部衬垫层。然而,污染物在膨润土改性黄土衬垫层中的吸附和扩散行为尚不明晰,无法对该类衬垫层的截污性能进行准确评价。研究向黄土中掺入质量占比为15%和30%的膨润土,通过开展批式吸附试验和扩散试验,研究氨氮在改性衬垫层中的吸附和扩散行为。研究结果显示:当膨润土的掺入量为15%时,氨氮在改性衬垫层上的吸附量与纯黄土衬垫层相比没有明显变化,但扩散速率下降了400%;当膨润土的掺入量达到30%时,氨氮在改性衬垫层上的吸附量增加了1.25倍,而扩散速率下降了420%。Pollutev7.0的模拟计算结果表明,在对膨润土改性黄土衬垫层的截污性能进行评价时,如果不考虑污染物的扩散行为,评价结果将产生3.50~4.75倍误差;而不考虑污染物的吸附行为,则将产生334~382倍误差。研究成果可为膨润土改性黄土衬垫层的截污性能评价提供理论依据。

膨润土浆液及其自凝灰浆黏度微观机理研究

不同厂家生产的钠基膨润土在相同配比要求下制备的自凝灰浆黏度差别很大,其本质是材料微观组分、结构不一致。基于SEM、XRD、EDS与NMR等微观试验,对两个厂家生产的同类钠基膨润土(简称湘源土和玉龙土)及其所制自凝灰浆进行试验分析,并据此对其黏度微观机理进行研究。结果如下:湘源土和玉龙土浆液黏度具有触变性,“卡片宫”的建立与Q~4结构的生成会促使其黏度上升,剪切作用会破坏微观结构使其黏度降低;湘源土蒙脱石含量高于玉龙土的,所以其浆液黏度整体高于玉龙土浆液。搅拌与低剪切作用促进蒙脱石颗粒小片层分散,小片层分散越多,停止剪切后膨润土浆液黏度越高。对于膨润土所制自凝灰浆,其黏度的变化主要依赖于内部电荷吸附与水化反应的程度,水化反应生成的C-S-H凝胶会促进浆液黏度提高。自凝灰浆在凝结过程中生成的碳硫硅酸钙不利于C-S-H凝胶生成,湘源土自凝灰浆碳硫硅酸钙含量高于玉龙土自凝灰浆的,所以其整体黏度低于玉龙土自凝灰浆的。

侵蚀性淋滤液作用下HPMC改性膨润土的防渗性能

使用羟丙基甲基纤维素(HPMC)对天然钠基膨润土进行改性,以提高其对侵蚀性淋滤液的防渗性能.开展渗透试验和膨胀指数试验,以5000mg/L的Cu SO_(4)和0.5mol/L的H_(2)SO_(4)模拟侵蚀性淋滤液,研究侵蚀性溶液对HPMC改性膨润土的渗透系数和膨胀指数的影响.渗透试验结果表明:CuSO_(4)溶液作用下,添加2%和5%的HPMC可使膨润土的渗透系数降低32.28%~77.40%;而H_(2)SO_(4)溶液作用下,添加2%和5%的HPMC可使膨润土的渗透系数降低73.42%~92.83%.膨胀指数试验结果显示,添加2%的HPMC无法提高膨润土在侵蚀溶液中的膨胀指数,但添加5%的HPMC可使膨润土在侵蚀性溶液中的膨胀指数增大2倍左右.HPMC改性可以显著增强膨润土对侵蚀性溶液的防渗性能.孔隙填充是膨润土防渗性能增强的主要机制.

碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数演化及微观特征

碱-热条件下膨润土缓冲层材料的导热性能是核废物深地质处置库设计的一个关键因素。对MX80膨润土粉末进行不同碱-热工况预处理,采用热针法探讨碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数的演化规律;选取代表试样分别进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)和热重分析(TGA)等试验,揭示出碱-热作用对膨润土试样矿物成分、微观形貌、孔隙结构和结合水形态等演化特征的影响机制,阐释碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数演化的微观机理。试验结果表明:碱-热条件下,膨润土试样的导热系数λ随碱液p H值的递增而减小,随环境温度T的升高而增大,在高碱性溶液(pH=13.0~14.0)和高温环境(T=60℃~90℃)中这一特性表现得尤为显著;根本原因在于试样中原有矿物成分在碱液作用下发生不同程度的溶蚀现象,表现为蒙脱石和石英含量的减少、方沸石含量的增加,导致试样中固体成分减少、孔隙率增加、表观干密度减小、吸水性能变弱,而环境温度在该过程中起到良好的促进作用。

甘蔗渣/膨润土基复合高吸水性树脂性能及应用研究

采用微波法,以蔗渣和膨润土为基质,与丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)共聚合成甘蔗渣/膨润土复合高吸水性树脂(B/BCSAR)。选取辐射时间、膨润土用量、AM/AA(质量比)及中和度四个因素,利用正交试验得到树脂的最佳制备条件,即AM/AA=0.5,中和度为60%,膨润土用量为6%,辐射时间为3min时,产品的吸水倍数和吸盐水倍数最大,分别为402.65g/g和86.14g/g。通过对B/BCSAR性能研究,结果表明,B/BCSAR吸附速率先快后慢,8h时吸水倍数最大,达到吸附平衡,且保水能力良好,有一定的机械强度,耐热耐寒及耐光照性能良好。B/BCSAR应用实验结果表明,作为土壤掺杂剂,当B/BCSAR的掺杂量为4g时,应用效果最好,发芽率达到80%,平均茎长为6.13cm;作为种子包衣剂,当包衣比为1∶30时,应用效果最好,发芽率为100%,平均茎长为7.58cm。二者相比,后者对植物发芽及前期生长更有利。

膨润土砌体墙受压性能及其本构模型的构建

我国高放地质处置库“三步走”战略稳步推进,研究缓冲/回填材料砌体结构力学性能及其破坏特性,可为缓冲/回填材料砌体结构的设计,以及砌块的地面堆砌储存提供基础数据。本文采用合适的压制路径将高庙子钠基膨润土粉末压制成砌块,并采用干砌方法堆砌成砌体墙,设计并进行了砌块单元间界面性能试验和轴心抗压试验,得到了砌块单元间界面剪切强度与剪切位移关系,分析了砌体墙应力-应变曲线和破坏形态。试验结果表明,砌体墙变形破坏经历特性变形、局部裂纹扩展、竖向裂纹贯通、失稳破坏和残余变形几个阶段。砌体墙的第一条裂隙出现在单个砌块单元内部,反映了砌块单元的压制质量是控制砌体墙工程性能的重要影响因素之一。基于试验数据,通过对比分析施楚贤、朱伯龙、TURNSEK和HODGKINSON及仲继清的本构关系发现,在峰前上升曲线段采用试验数据对仲继清模型参数进行修正,获得的理论应力-应变曲线与试验曲线较为吻合。

不同品位高庙子膨润土用于钻井泥浆的试验研究

钻井泥浆是膨润土应用占比较大的市场之一,通过试验测试,研究不同品位高庙子膨润土用于钻井泥浆的可行性,以便充分开发和利用高庙子膨润土矿床。研究结果表明:不同位置开采的未经处理的高庙子天然钠基膨润土不符合钻井泥浆的使用性能要求,必须对其进行增效处理;通过添加增效剂羧甲基纤维素(CMC),发现高庙子天然钠基膨润土在添加2%的增效剂后,蒙脱石含量为70%左右的膨润土均达到国家标准规范要求的钻井级膨润土的要求。但应综合考虑天然钠基膨润土的开采成本和增效剂的成本,筛选出既满足技术要求,又能控制成本的样品类型。

膨润土胶体在处置库围岩裂隙中的扩散模型研究

为了预测膨润土胶体在甘肃北山高放废物深地质处置库围岩裂隙中的扩散过程,提出了综合考虑膨润土胶体颗粒自重与水化力的扩散模型。研究了钠离子浓度、水化力、胶体颗粒自重以及蒙脱石体积分数对膨润土胶体的扩散过程和扩散系数的影响。研究结果表明:随着钠离子浓度的增加,膨润土胶体的扩散速率与扩散距离均减小。胶体颗粒自重越大,对扩散的影响越大。随着扩散的进行,水化力对扩散的影响逐渐减小,范德华力和扩散双电层力对扩散的影响逐渐增大,膨润土胶体的扩散系数整体表现为先减小后增大。当蒙脱石体积分数较小时(φ<0.45),随着钠离子浓度的增加,扩散系数整体上逐渐增大;当蒙脱石体积分数较大时(φ>0.45),钠离子浓度对扩散系数的影响较小。

膨润土粉体对管网甲烷爆炸的抑制特性及抑爆机理

为了探寻高效的抑爆剂,有效降低甲烷爆炸事故发生率,最大限度地降低事故损失,利用自主搭建的爆炸管网测试系统进行了膨润土粉体抑爆试验。将爆炸超压峰值、爆炸威力指数和爆炸火焰首次到达管网两出口的时刻作为表征抑制剂抑爆性能的参数,探究了不同粒径膨润土粉体对管网甲烷爆炸的抑制性能,利用热解特性分析和分子动力学仿真探究了膨润土粉体的物理和化学抑爆机理。结果表明,粒径为>27~33μm的膨润土粉体对于管网甲烷爆炸的抑制性能最佳。膨润土粉体的物理抑爆机理为通过热解吸收反应热来实现抑爆目的;其化学抑爆机理为膨润土分子能够有效消耗反应体系中的自由电子和活性自由基,减缓甲烷链式反应速率。研究结论可为提高甲烷运输的安全性、有效降低灾害风险提供理论参考。

海藻酸钠/膨润土/活性炭复合微球对亚甲基蓝的吸附性能研究

以海藻酸钠、膨润土、活性炭为原料,氯化钙为交联剂,采用溶胶-凝胶法制备海藻酸钠/膨润土/活性炭复合微球(G1),并考察其对亚甲基蓝的吸附性能及吸附机理。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪对其进行表征分析。探讨了pH、投样量、和亚甲基蓝初始浓度、吸附时间等因素对吸附性能的影响。结果表明:G1在pH=4—11时均有很高的吸附效果,可直接采用自然pH进行研究;投加0.3g材料对初始浓度为100mg/L的亚甲基蓝有优异的吸附能力,吸附600min基本达到平衡;吸附过程符合拟二级动力学方程;Freundlich吸附等温模型能更好地描述MB的吸附行为(R^(2)=0.993);通过计算可知,该复合材料对亚甲基蓝的最大吸附量可达206.404mg/g。经过7次循环使用,吸附量仍达初次使用的90%以上。

膨润土基矿物材料特性与煤矿典型灾害治理(Ⅱ):工程应用实践

为了探索膨润土基系列治灾材料在不同煤矿灾害场景下的应用效果,改性研究实现全周期触变封堵新生裂隙的瓦斯钻孔液相封堵材料,高保水、强隔氧的复合纳基膨润土类防灭火材料,高潮湿环境下分散性好且不易结块的抗团聚-结壳粉体抑爆材料,导热系数低、吸附性强、回弹量小的深井巷道隔热层材料和多孔性增强的改进型吸附井下有毒害气体净化材料,并进行工程应用实践。结果表明:膨润土基改性材料具有良好的治灾效果,在煤矿灾害治理中取得较为突出的应用价值。

膨润土防水毯搭接界面力学性能的影响因素

膨润土防水毯(geosynthetic clay liner,GCL)作为高防渗柔性土工合成材料,被广泛应用于各类防渗阻污工程中.GCL多幅搭接区经过防绕渗措施处理后亦能表现出较强防渗性,但在地下复杂外力作用下GCL搭接存在受拉失效的潜在问题.针对GCL搭接界面处展开室内抗拉试验,综合分析了搭接参数对GCL搭接处抗拉强度的影响.研究结果表明,GCL搭接界面处抗拉强度随搭接时间的延长先增加后趋于稳定,在90 min时搭接处抗拉强度达到最大值;GCL搭接界面处抗拉强度受膨润土膏涂抹量和搭接宽度的影响明显,保持单位面积膨润土膏量不变,随着搭接宽度增加GCL搭接界面处抗拉强度近似呈线性增加;保持搭接宽度不变,随着单位面积膨润土量增加,GCL搭接界面处抗拉强度呈线性增加;增加搭接宽度同时保持搭接区膨润土膏涂抹总量,不同搭接宽度下GCL搭接界面处抗拉强度基本一致;模拟潮湿环境,对GCL搭接界面喷水处理后,GCL搭接界面处抗拉强度略有下降,且单位面积膨润土膏量越多,搭接界面处抗拉强度损失越少.研究成果可以为GCL搭接界面处理提供指导,为GCL搭接区的完整性提供保障,降低因施工导致GCL垂直防渗墙防渗性能下降的风险.

膨润土矿物选矿提纯方法研究

膨润土是我国的一种优势资源,其主要矿物成分为层状结构的蒙脱石,但天然膨润土中蒙脱石的含量不高,一些低质的膨润土蒙脱石含量仅在50%左右,杂质含量较高,必须经过提纯才能用于开发高端产品。膨润土提纯方法及效果一直是行业急需的技术,但不同的膨润土性能及伴生的杂质不同,提纯方法不同,针对膨润土提纯方法的现状,通过综述回顾膨润土提纯的研究进展,为膨润土提纯在实际生产中应用提供指导。

膨润土和腐植酸对猪粪堆肥Zn、Cu钝化和微生物群落的影响

为提高堆肥资源化利用,减少农业面源污染,通过单独添加10%膨润土(BT)、10%腐植酸(HA)以及2.5%膨润土+7.5%腐植酸(BH1)、5.0%膨润土+5.0%腐植酸(BH2)和7.5%膨润土+2.5%腐植酸(BH3)混合添加的方式,开展了其对猪粪堆肥重金属Zn、Cu钝化效果及微生物群落组成影响的研究。结果表明:添加膨润土和腐植酸延长了堆肥高温期,BH3处理的可溶性有机碳(DOC)降解率达40.52%,较对照(CK)显著提高12.46个百分点(P<0.05)。堆肥过程中,BH3处理下的Cu生物有效态占比较堆肥前下降12.17个百分点,而Zn可氧化态占比较堆肥前上升29.74个百分点,降幅和升幅均显著高于其余处理(P<0.05)。与CK和单独添加处理相比,混合添加可显著提高重金属Cu、Zn钝化效率,BH3处理对Cu和Zn的钝化率分别达79.84%和36.97%,较CK分别显著提高47.80个百分点和23.09个百分点(P<0.05)。膨润土和腐植酸混合添加,不同程度地促进了厚壁菌门、梭菌纲等参与纤维降解的有益物种相对丰度的升高。BH3处理下拟杆菌门和拟杆菌纲的相对丰度显著高于同时期的其他各处理。研究表明,膨润土和腐植酸与猪粪共堆肥更有利于堆肥腐熟和重金属钝化,混合添加7.5%膨润土和2.5%腐植酸为最佳推荐比例。

干湿循环与盐溶液作用下红黏土-膨润土混合土体变与渗透特性

针对红黏土-膨润土混合土材料在干湿循环作用及复杂化学环境下的性能演化问题,开展了盐溶液入渗作用下红黏土-膨润土混合土的干湿循环试验研究,分析了干湿循环次数、膨润土掺入比、盐溶液浓度对压实混合土材料体变特征与渗透特性的影响,并结合压汞试验揭示了试样收缩变形与渗透系数变化的微观机制。结果表明:随着干湿循环次数的增加,压实红黏土-膨润土混合土试样累计收缩变形逐渐增大,收缩趋势随入渗盐溶液浓度的增加而增大;干湿循环过程中试样渗透系数呈先增大后减少的趋势,且随着盐溶液浓度增加而逐渐降低;增大混合土中膨润土掺量可以提高试样化学相容性,减少胀缩变形并减小渗透系数。压汞试验表明,盐溶液入渗及干湿循环作用导致土体孔隙“双峰”分布特征减弱,土体中的大孔数量及孔径减小,小孔略有增多;随着入渗的盐溶液浓度增加,小孔变化不明显,而土体总孔隙率及大孔数量减小,进而导致土体收缩变形增大、渗透系数减小。

膨润土和膨润土复合物的抗冲蚀性能研究

作为高放废物深地质处置库的缓冲回填材料,膨润土存在抗冲蚀性能弱和吸附性不够强的缺点。针对这一现状,本文以层状双金属氢氧化物(LDH)、氢氧化铝、氧化石墨烯(GO)为添加剂,制备了不同的膨润土复合材料。在压实状态下测定了膨润土和上述膨润土复合物的抗冲蚀性能,并采用静态批式法测定了膨润土和膨润土复合物对Se(IV)和U(VI)的吸附性能。结果表明:相比于单一膨润土,LDH和氢氧化铝的加入会使得膨润土的吸附性能和抗冲蚀性能得到增强。GO的加入会使得膨润土的抗冲蚀性能下降,但是对于膨润土的导热性、吸附性等能力会有所提升。本论文研究结果为改善膨润土缓冲回填材料的抗冲蚀性和吸附性提供了新的思路与参考依据。