耐重金屬污染的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬土木工程、環(huán)境巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，具體說來，涉及一種耐重金屬污染的 聚合物膨潤土納米復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，大中城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也隨之調(diào)整升級，原有大型 重工業(yè)企業(yè)逐漸向小城市、西部地區(qū)迀移，原有工業(yè)場地存在的重金屬、有機(jī)物污染等問題 嚴(yán)重制約城市的發(fā)展，威脅到人類的健康，因此工業(yè)污染場地問題成為迫切需要解決的問 題。
[0003] 膨潤土因其高膨脹性、極低滲透性被廣泛應(yīng)用在防污隔離設(shè)施中。包括填埋場復(fù) 合粘土襯墊、膨潤土改性壓實粘土襯墊、土-膨潤土系豎向隔離墻、核廢料處置庫封層等設(shè) 施。然而，當(dāng)膨潤土在溶液離子強(qiáng)度（IonicStrength)較高、極端pH(extremelypH)環(huán)境 下，化學(xué)相容性急劇降低，大大減弱了土-膨潤土系隔離墻、土工合成材料膨潤土毯、膨潤 土改性的壓實粘土襯墊等設(shè)施的防滲特性。而膨潤土的極低滲透性來自于膨潤土中的主 要成分蒙脫石，蒙脫石是一種遇水膨脹礦物，遇水后其雙電層厚度增大，膨潤土顆粒體積膨 脹，顆粒間孔隙致密曲折，因而滲透性極低。根據(jù)雙電層理論，雙電層的厚度取決于孔隙水 中離子價位及離子濃度，二者可分別用離子相對豐度（Relativeabundanceofions，RMD) 和離子強(qiáng)度高時（IonicStrength，IS)表示，RMD越低（一價離子占多數(shù)）、IS越高（離子 濃度高），膨潤土雙電層厚度越薄，即吸水能力越低，滲透路徑越通暢，從而引起滲透系數(shù)的 增大。膨潤土在溶液中滲透系數(shù)、自由膨脹指數(shù)等物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的特性稱為膨潤 土的化學(xué)相容性。在某一溶液中，膨潤土液限、滲透系數(shù)等性質(zhì)沒有較大變化，說明化學(xué)相 容性良好，反之，化學(xué)相容性差。膨潤土在鹽溶液、酸溶液、重金屬污染液等作用下滲透系數(shù) 急劇增大的現(xiàn)象是膨潤土化學(xué)相容性差的主要表現(xiàn)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種耐重金屬污染的聚合物膨潤 土納米復(fù)合材料及其制備方法，該材料可有效提高膨潤土化學(xué)相容性，提高耐鹽、耐酸、耐 重金屬離子污染的能力，在上述污染液作用下仍能維持極低的滲透系數(shù)，大大提高了膨潤 土系隔離設(shè)施的防滲性能，延長了隔離設(shè)施的有效使用壽命，降低了工程成本。
[0005] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例采用如下技術(shù)方案：
[0006] -方面，本發(fā)明實施例提供一種耐重金屬污染的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料，所 述的膨潤土納米復(fù)合材料包括膨潤土和羥丙基甲基纖維素，其中，羥丙基甲基纖維素質(zhì)量 是膨潤土質(zhì)量的1~30%。
[0007] 作為一種優(yōu)選例，所述的羥丙基甲基纖維素的分子量為8000~106。
[0008] 作為一種優(yōu)選例，所述的膨潤土的粒徑小于或等于0. 15_。
[0009] 另一方面，本發(fā)明實施例提供一種耐重金屬污染的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料的 制備方法，該制備方法包括以下步驟：
[0010] 步驟10)將膨潤土和水混合，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，制得膨潤土泥漿；
[0011] 步驟20)向膨潤土泥漿中添加羥丙基甲基纖維素溶液，并攪拌，形成羥丙基甲基 纖維素和膨潤土混合漿液；
[0012] 步驟30)將羥丙基甲基纖維素和膨潤土混合漿液置于恒溫水浴箱中，攪拌羥丙基 甲基纖維素和膨潤土混合漿液，使羥丙基甲基纖維素在膨潤土層間發(fā)生納米插層反應(yīng)，形 成反應(yīng)后的膨潤土漿液；
[0013] 步驟40)對反應(yīng)后的膨潤土漿液進(jìn)行離心處理，得到離心出的固相，對固相烘干 后進(jìn)行研磨，制成聚合物膨潤土納米復(fù)合材料。
[0014] 作為一種優(yōu)選例，所述的步驟10)中，膨潤土和水按照質(zhì)量比0. 1~0. 2:1進(jìn)行配 制；所述的膨潤土與水混合之前，過200目篩，去除雜質(zhì)。
[0015] 作為一種優(yōu)選例，所述的步驟10)中，攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為500~3000r/min，攪拌機(jī)的 攪拌時間為5~15min。
[0016] 作為一種優(yōu)選例，所述的步驟20)中，羥丙基甲基纖維素溶液中羥丙基甲基纖維 素質(zhì)量占膨潤土泥漿中膨潤土質(zhì)量的1~30%。
[0017] 作為一種優(yōu)選例，所述的步驟30)中，恒溫水浴箱中的水溫為55~70°C，攪拌器械 的轉(zhuǎn)速為200~3000r/min，攪拌時間為3~6h。
[0018] 作為一種優(yōu)選例，所述的步驟40)中，利用離心機(jī)對反應(yīng)后的膨潤土漿液進(jìn)行離 心處理，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2000~15000r/min，離心時間10~120min。
[0019] 作為一種優(yōu)選例，所述的步驟40)中，利用烘箱對固相烘干，烘箱內(nèi)溫度為100~ 110°C，烘干時間為5~8h;研磨后過80~200目篩，制得聚合物膨潤土納米復(fù)合材料。
[0020] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例具有以下有益效果：本發(fā)明實施例提 供的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料，在鹽溶液、酸溶液、重金屬污染液等作用下仍能維持極低 的滲透系數(shù)，大大提高了膨潤土系隔離設(shè)施的防滲效果，提高膨潤土系隔離設(shè)施的有效使 用壽命，降低工程成本。同時，本發(fā)明實施例提供的制備方法簡單易操作，對生產(chǎn)設(shè)備無特 殊要求。另外，制備聚合物膨潤土納米復(fù)合材料的主要成分之一羥丙基甲基纖維素多用在 食品、化妝品等領(lǐng)域，無毒無害，生產(chǎn)原料來源廣泛，屬環(huán)境友好型材料。膨潤土多用作凈水 材料、防污設(shè)施材料，同樣無毒無害，同時能吸附有害物質(zhì)，屬于環(huán)境友好型材料。本發(fā)明實 施例的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。因此，本發(fā)明實施例的聚 合物膨潤土納米復(fù)合材料具有廣闊的應(yīng)用前景及環(huán)境保護(hù)意義。
【具體實施方式】
[0021] 下面通過實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0022] 本發(fā)明實施例提供一種耐重金屬污染的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料，包括膨潤土 和羥丙基甲基纖維素，其中，羥丙基甲基纖維素質(zhì)量是膨潤土質(zhì)量的1~30%。
[0023] 作為優(yōu)選，該聚合物膨潤土納米復(fù)合材料中，羥丙基甲基纖維素的分子量為 8000~10 6。羥丙基甲基纖維素的分子量過低，羥丙基甲基纖維素呈分散性。分子量過大， 羥丙基甲基纖維素呈絮凝性。本實施例優(yōu)選分子量在8000-10 6范圍內(nèi)，羥丙基甲基纖維 素呈吸水性，與膨潤土結(jié)合后，才能最大限度發(fā)揮防滲功效，提高化學(xué)相容性。作為優(yōu)選，膨 潤土的粒徑小于或等于0. 15mm。
[0024] 上述耐重金屬污染的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
[0025] 步驟10)將膨潤土和水混合，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，制得膨潤土泥漿。
[0026] 在步驟10)中，作為優(yōu)選，膨潤土和水按照質(zhì)量比0.1~0.2:1進(jìn)行配制。膨潤土 與水混合之前，過200目篩，去除雜質(zhì)。膨潤土過200目篩，使其粒徑不大于0.15mm。攪拌 機(jī)的轉(zhuǎn)速為500~3000r/min，攪拌機(jī)的攪拌時間為5~15min。
[0027] 步驟20)向膨潤土泥漿中添加羥丙基甲基纖維素溶液，并攪拌，形成羥丙基甲基 纖維素和膨潤土混合漿液。
[0028] 在步驟20)中，作為優(yōu)選，羥丙基甲基纖維素溶液中羥丙基甲基纖維素質(zhì)量占膨 潤土泥漿中膨潤土質(zhì)量的1~30%。將羥丙基甲基纖維素制成溶液，使其更容易與膨潤土 泥漿混合。當(dāng)然，直接添加羥丙基甲基纖維素也是可以的。
[0029] 步驟30)將羥丙基甲基纖維素和膨潤土混合漿液置于恒溫水浴箱中，攪拌羥丙基 甲基纖維素和膨潤土混合漿液，使羥丙基甲基纖維素在膨潤土層間發(fā)生納米插層反應(yīng)，形 成反應(yīng)后的膨潤土漿液。
[0030] 在步驟30)中，作為優(yōu)選，恒溫水浴箱中的水溫為55~70°C，攪拌器械的轉(zhuǎn)速為 200~3000r/min，攪拌時間為3~6h。
[0031] 步驟40)對反應(yīng)后的膨潤土漿液進(jìn)行離心處理，得到離心出的固相，對固相烘干 后進(jìn)行研磨，制成聚合物膨潤土納米復(fù)合材料。
[0032] 在步驟40)中，作為優(yōu)選，利用離心機(jī)對反應(yīng)后的膨潤土漿液進(jìn)行離心處理，離心 機(jī)轉(zhuǎn)速為2000~15000r/min，離心時間10~120min。利用烘箱對固相烘干，烘箱內(nèi)溫度 為100~110°C，烘干時間為5~8h;研磨后過80~200目篩，制得聚合物膨潤土納米復(fù)合 材料。
[0033] 在上述聚合物膨潤土納米復(fù)合材料中，羥丙基甲基纖維素通過插層反應(yīng)插入到膨 潤土層間，形成的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料，解決了傳統(tǒng)膨潤土在所述鹽溶液、重金屬溶 液中化學(xué)相容性降低、滲透系數(shù)增大等多方面問題。當(dāng)聚合物膨潤土納米復(fù)合材料遇到鹽 溶液、重金屬陽離子時，膨潤土雙電層厚度減小后，孔隙通道變大，但由于羥丙基甲基纖維 素的存在，堵住了大部分孔隙通道，使?jié)B透通道變得曲折，因此維持了低滲透系數(shù)，提高了 化學(xué)相容性。同時插層反應(yīng)使得羥丙基甲基纖維素不易被流體洗脫，使得聚合物膨潤土納 米復(fù)合材料性能更加穩(wěn)定。
[0034] 納米復(fù)合材料合成反應(yīng)發(fā)生在納米級別，由羥丙基甲基纖維素和鈉化膨潤土經(jīng)溶 液插層制備而成。本發(fā)明實施例所制得的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料，具有抗重金屬、抗鹽 溶液的良好特性，在重金屬污染場地中可維持極低的滲透系數(shù)，大大提高了膨潤土的化學(xué) 相容性，彌補(bǔ)了商用鈉化膨潤土在污染場地中隔離設(shè)施中防滲性能急劇下降的不足。
[0035] 下面通過試驗驗證上述實施例的聚合物膨潤土納米復(fù)合材料所具有良好性能。
[0036] 實施例1
[0037] 步驟10)將鈣基膨潤土過200目篩，鈣基膨潤土和水混合，鈣基膨潤土和水按照質(zhì) 量比0. 1:1進(jìn)行配制，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為2000r/min，攪拌時間為lOmin， 制得膨潤土泥漿。
[0038] 步驟20)向膨潤土泥漿中添加羥丙基甲基纖維素溶液，并攪拌，羥丙基甲基纖維 素質(zhì)量占膨潤土泥漿中膨潤土質(zhì)量的1%，形成羥丙基甲基纖維素和膨潤土混合漿液。其 中，羥丙基甲基纖維素的分子量為8000。
[0039] 步驟30)將羥丙基甲基纖維素和膨潤土混合漿液置于恒溫水浴箱中，恒溫水浴箱 中的水溫為55°C，按照轉(zhuǎn)速為200r/min攪拌輕丙基甲基纖維素和膨潤土混合衆(zhòng)液，攪拌時 間為4h，使羥丙基甲基纖維素在鈣基膨潤土層間發(fā)生納米插層反應(yīng)，形成反應(yīng)后的膨潤土 漿液。
[0040] 步驟40)對反應(yīng)后的膨潤土漿液進(jìn)行離心處理，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，離心時 間120min，得到離心出的固相，對固相烘干，烘箱內(nèi)溫度為110°C，烘干時間為5h，然后進(jìn)行 研磨，研磨后過200目篩，制成聚合物膨潤土納米復(fù)合材料。
[0041] 實施例2
[0042] 步驟10)將鈣基膨潤土過200目篩，鈣基膨潤土和水混合，鈣基膨潤土和水按照質(zhì) 量比0. 2:1進(jìn)行配制，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為500r/min，攪拌時間為15min，制 得膨潤土泥漿。
[0043] 步驟20)向膨潤土泥漿中添加羥丙基甲基纖維素溶液，并攪拌，羥丙基甲基纖維 素質(zhì)量占膨潤土泥漿中膨潤土