赤泥在多孔介质中渗透迁移过程的规律研究

2020-05-31王国辉张卜今陈军红刘双晨王庆军李友东

水利与建筑工程学报 2020年2期

王国辉，张卜今，陈军红，刘双晨，王庆军，李友东

(1.河北建设勘察研究院有限公司，河北石家庄 050031；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；3.内蒙古大学交通学院，内蒙古呼和浩特 010070)

赤泥是一种以铝土矿为原料生产氧化铝时产生的颗粒极细、碱度强的固体废弃物。研究表明，赤泥中的主要污染物包括钠、铝、碱以及氟化物等，含量远远超出《有色金属工业固体废物污染控制标准》[1](GB 5085—85)中规定的排放要求。目前，对赤泥等固体废弃物的处置方式一般采用堆存覆土[2-4]。在堆放过程中，赤泥中所含的各种化学成分若随雨水径流渗入土层，易造成土壤碱化和地下水污染[5-6]。根据文献数据[7]，赤泥矿物中粒径在5 μm～75 μm之间的颗粒含量约占90%。这一粒径的颗粒易以悬浮态分散于水中，而悬浮的赤泥颗粒可以随孔隙水沿着渗流通道快速运移，从而扩大污染范围。因此，研究赤泥滤液在多孔介质中的渗透迁移规律，有助于认识赤泥污染物在环境中的扩散演化过程，有助于进一步制定控制赤泥污染影响的针对性解决方案。

关于悬浮颗粒在多孔介质中的运移方面已有一定的实验和理论研究基础。Massei等[8]进行了10μm淤泥悬浮颗粒短脉冲注入高渗透性碎石基质的实验，发现穿透曲线可以采用一阶对流-扩散-沉积模型的解析解描述。Wang等[9]研究了在不同pH值、盐度和温度条件下土壤和海洋沉积物对四环素的吸附效果，研究表明，随着pH值和盐度的增加，四环素的吸附量减少。Bai等[10]采用3种不同注入浓度的硅粉悬浮液在3种渗透速率下进行了土柱渗透试验。结果表明，当颗粒注入浓度一定时，渗透曲线的相对浓度峰值随着渗流速度的增加而增大；当渗流速度一定时，颗粒注入浓度存在所谓临界浓度。当超出临界浓度时，穿透曲线的相对浓度将随渗流速度的增加而减小。该临界浓度随渗流速度增加而逐渐增大。Bai等[11-12]进一步考虑了温度和碱度的影响，通过采用不同pH值和温度的硅粉溶液和外部渗流液进行了多孔介质穿透实验，结果表明，在相同的渗流速度下，相同的粒径，温度越高，渗透曲线对应浓度峰值越小，峰值对应的孔隙体积数越大；颗粒回收率随着粒径的增大而减小，直至达到一个临界值，超过该临界值后几乎保持不变，当有碱存在时，颗粒回收率增大。

本文以赤泥滤液的渗流迁移为研究背景，研究赤泥滤液的穿透特性。选用一种典型赤泥进行室内土柱穿透试验，分析其穿透多孔介质的规律和影响因素。

1 赤泥的物理化学性质

本文所研究的赤泥土样选自山西赤泥处置库，采用冷场发射扫描电子显微镜(日本日立，型号S4800)对试验进行微观观察，观测图像见图1。图像显示，赤泥颗粒基本成粒状结构，粒径偏小，颗粒分布较为松散，集合体间的相互联系不十分紧密，因此，赤泥颗粒随孔隙水流动而发生运移的潜在可能较大。

图1 赤泥试样微观结构图像及测点

赤泥的物理化学性质与其矿物组成密切相关，而赤泥的矿物组成则取决于铝矿原土的组分，以及生产过程中所采用的方法。采用X 射线能谱(EDX)仪分析该赤泥试样的化学成分，测点位置已在图1中标出，能谱分析图如图2所示，赤泥试样的元素构成情况汇总于表1。从赤泥的代表性成分看，钙、铝、钠、镁等金属氧化物含量较高，遇水易形成碱性化合物，因此赤泥滤液呈碱性。

图2 山西交口赤泥试样能谱分析图

表1 赤泥试样的元素构成

赤泥的理化性质强弱主要通过比表面积和阳离子交换量两个指标体现。总体上，赤泥中阳离子交换量偏大且变化幅度较大，单位千克赤泥的交换量一般可达250 mEq～300 mEq，该值高于高岭土和膨胀土，低于蒙脱石和伊利石。此外，赤泥颗粒粒径较细，故赤泥比表面积普遍较高，一般可达60 m2/g～180 m2/g。不同赤泥产物的矿物分散度和晶格构造存在显著差异，因此比表面积变化幅度较大。总体而言，赤泥的理化性质普遍较活跃，这与赤泥中所含金属氧化物较多和粒径较细的特点密切相关。

2 实验方法

本实验的目的是给出不同流速、不同浓度和不同pH值下赤泥滤液的穿透曲线。参考以往研究[10,13]，实验容器采用高300 mm、内径80 mm的有机玻璃圆柱筒，内部填充酸洗后的石英砂，上下两端均设口，上端进水口用于连接蠕动泵，下端出水口用于接取出流液。试验用石英砂的粒度分布为：1.0 mm～2.0 mm，约占26%，2.0 mm～3.5 mm，约占74%。该石英砂孔隙大小相对均匀，可以保证粒度为3 μm～50 μm的颗粒在石英砂中不引起严重的堵塞。土柱分10层填装，每层约174 g砂，每次填装时水面高于试样顶面1 cm～2 cm以确保填装的土柱为饱和土柱，同时对每层捣实相同的次数以保证土柱整体的均匀性。在重力的作用下，垂直方向的水流可以均匀地流过土柱的整个截面。因此，可以认为该试验中的渗流类似于一维稳定流。饱和土柱的孔隙率n=0.45。

制备赤泥滤液时，首先需将干燥的赤泥土样碾碎后通过0.075 mm孔径的筛网，过筛后的赤泥样品经激光衍射测得其中位粒径为D50=5.9 μm。再加入去离子水，制备得到颗粒浓度分别为0.2 mg/ml、0.8 mg/ml和2.0 mg/ml的赤泥悬浊液。经过测定，在此浓度下赤泥滤液的pH值为在8.0～8.6之间，为弱碱性。鉴于不同生产工艺得到的赤泥成分不同，有些赤泥滤液甚至可达强碱性，实验中增设强碱性对照组，通过加入NaOH溶液可将上述赤泥悬浊液调整至pH=12.3±0.3。

赤泥滤液浓度采用浊度仪检测，OH-离子浓度采用pH计检测。土柱穿透实验前，需完成上述两个检测仪器的率定。通过配置若干组预设浓度的溶液，依次进行测试，对实验结果采用曲线拟合方式即可确定浓度与浊度的率定关系。

实验时，通过调节蠕动泵控制流速至高速档位，将土柱充分冲洗3 min，保证溶液为饱和状态。然后调节蠕动泵流速至某一指定渗流速度，待出水口流出速度稳定后，瞬间注入(2.5 s左右)赤泥溶液(30 ml)，并及时开始接取渗滤液(采用不间断方式接取，即接完一小瓶后立即接取下一瓶，并以此记号为1、2、3…，每一小瓶的容量为30 ml)。土柱穿透实验完成后，利用浊度仪和pH计分别测定各组中每小瓶渗透液的浊度及OH-离子的浓度。数据处理中，定义无量纲时间因数Pv，Pv等于排出水体积与总孔隙体积的比值，Pv=1对应的时刻整个土柱内孔隙水已被完全更新1次。Pv大于2时可认为穿透实验结束。

3 实验结果

分别用3种注入速度(120 ml/min、200 ml/min 和 400 ml/min)和3种注入浓度(0.2 mg/ml、0.8 mg/ml和2.0 mg/ml)完成弱碱性和强碱性赤泥悬浊液共计18组实验，得到的穿透曲线如图3所示。图中纵坐标为出流液的赤泥浓度；横坐标采用无量纲时间因数Pv。赤泥悬浊液穿透曲线与OH-离子穿透曲线的对比如图4所示。

3.1 碱性对穿透曲线的影响

在实验前配置赤泥溶液的过程中发现，弱碱性赤泥溶液在搅拌充分后静置一会儿上清液逐渐澄清，而加入NaOH溶液的强碱性赤泥滤液静置后上清液仍然较为浑浊。此外，对比图3中强碱和弱碱性赤泥的穿透曲线发现，在相同注入速度和相同注入浓度下，强碱性赤泥滤液穿透曲线的峰值始终高于弱碱性，强碱性赤泥悬浊液在穿透多孔介质过程中出流的悬浮颗粒较多，说明碱性对赤泥滤液的浑浊程度和渗出量有较大影响。

Bai等[14]得到了相同的现象，认为OH-离子可以增强赤泥颗粒之间、赤泥颗粒与基质之间的排斥作用，促进赤泥颗粒的迁移。本文将从赤泥水化机理的角度分析碱性对赤泥悬浮液浑浊程度产生影响的原因。赤泥中几种典型金属氧化物水化的离子方程式可写为:

CaO+H2OCa2++2OH-

MgO+H2OMg2++2OH-

(1)

Al2O3+3H2OAl3++6OH-

向赤泥溶液加碱后，溶液中OH-离子浓度升高，上述碱性氧化物的水化反应将逆向进行，因此溶液中固体颗粒增多，从而使得赤泥悬浮液更为浑浊，渗出量增多，出流液整体峰值偏高。另一种可能的原因是OH-离子的存在改变了颗粒的表面物理结构和双电层厚度[15]，这些变化将使颗粒的吸附性发生改变[16]。

图3 注入赤泥悬浊液的穿透曲线

3.2 渗流速度对穿透曲线的影响

图3和图4结果还显示当渗流速度较大时，赤泥穿透曲线的峰值普遍较高，而OH-离子的穿透曲线则未显示出这一规律。Bai等[10]通过研究硅粉颗粒的穿透实验得出以下结论，对于一定浓度的颗粒，当渗流速度越大时，水动力越显著，因而沉积下来的颗粒越少，因此渗透曲线中峰值的相对浓度也将越大；其次，由于孔隙水的冲刷作用，较大的渗流速度容易造成沉积粒子再次迁移移动。这也解释了为什么渗流速度较大时，赤泥穿透曲线的峰值普遍较高。与赤泥颗粒的运移受制于物理作用不同，OH-离子为纳米尺度的微小颗粒，渗透迁移过程受物理沉积和冲刷作用影响较小，因此其穿透曲线峰值大小与渗流速度关系不十分明显。

图4 强碱赤泥悬浊液穿透曲线与OH-离子穿透曲线对比

3.3 赤泥颗粒迁移规律与OH-离子迁移规律的对比

通过图4中的对比还可发现，OH-离子pH值的上升速度较快，持续时间也较长，pH值在达到峰值后逐渐平缓地下降到初始状态。相比之下，赤泥悬浮颗粒浓度值则上升和下降均较快，呈现较尖锐的峰值特征，颗粒穿透的持续过程较短。实际上，从弥散和对流这两个影响对迁移过程的因素看，OH-离子穿透过程较长，与离子类物质的弥散效应占主导作用密切相关；而对于赤泥颗粒而言，由于所谓的“颗粒排除效应”，其对流效应起主导作用，即颗粒主要随着水流的运动而运动。