滨海含水层胶体絮凝导致地层损害的实验研究

唐晓梦，林奇云，林国庆*，孙静，初慧，苏胜，张丽春

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100；3.烟台市规划设计研究院有限公司，山东 烟台 264000)

0 引言

海水入侵已成为沿海地区严重的环境问题之一。目前，广泛采用“以淡驱咸”技术控制海水入侵[1]。但是在淡水驱替海水的过程中，由于水化学条件的变化，导致场地含水层中的原位黏土颗粒被解吸，释放后的黏土会以胶体形态发生迁移、絮凝沉积，进而堵塞含水介质的孔吼，导致滨海含水层的渗透性降低。此外，用咸水再驱替淡水时，渗透性并不能完全恢复，从而造成了地层损害[2-3]。先前的研究表明，pH、渗流速度、盐浓度及其变化率和钠吸附比等因素影响多孔介质中的黏土颗粒释放，从而导致含水介质的渗透性下降[4]。

当前，国内外对于滨海含水层地层损害的影响因素已有了初步认识，但对于黏土颗粒絮凝沉降作用导致含水介质渗透性降低的机理仍不清楚。在污水处理[5-6]、染料废水处理[7]、河口泥沙絮凝8-9]以及剪切速率对胶体絮体的影响[10]等领域中，絮凝现象已经被大量研究，而针对滨海含水层中颗粒絮凝作用对含水介质渗透性影响的研究还不多[3]。该文通过絮凝沉降试验和定流速砂柱实验，分析了离子强度和阳离子价态对多孔介质中胶体絮凝沉积的影响，探究了咸淡水过渡带中黏粒的絮凝沉降对含水介质渗透性的影响，为海水入侵的防治提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料与装置

实验砂样取自青岛市大沽河下游高家庄受海水入侵危害的潜水含水层。采集砂样后，自然风干，除杂，研碎。利用比重法和筛分法进行粒度分析，具体颗粒级配见表1。通过筛分法，选取粒径为0.5～1mm的砂，将砂样150g置于500mL烧杯中，加水至250mL刻度线，超声波净化器净分散砂样1h，反复洗涤砂样，制取无胶体砂，密封保存备用。

表1 供砂样颗粒级配

实验中氯化钠和氯化钙均购于国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。采用DDS-11a型电导率仪、HH-6型数显恒温水浴锅、SHZ-D型循环水式真空泵、50mL的比色管、1000mL的量筒和Canon A-640型数码相机。

实验中用氯化钠和氯化钙配制钙、钠比为0∶1，1∶9，1∶14和1∶0的悬浊液，依据方程(1)(2)(3)，得出不同电导率溶液的离子强度(表2)。

表2 NaCl和CaCl2溶液中电导率与离子强度关系

摩尔浓度和离子强度关系式：

(1)

式中：I—离子强度(mol/L);m—摩尔浓度(mol/L);z—离子的价数。

方程2和3为NaCl与CaCl2溶液电导率和离子强度的回归方程[11]

NaCl回归方程为

lgI=0.932+1.0281lgEC

(2)

CaCl2回归方程为

lgI=1.101+1.051lgEC

(3)

式中：I—离子强度(mmol/L)；EC—电导率(ms/cm)。

1.2 实验方法

1.2.1 絮凝沉降实验

海水中含有许多不同的阳离子成分，除含大量的Na+外，K+，Ca2+，Mg2+等也不少。该文选取二价Ca2+离子来研究高价阳离子的加入对胶体絮凝的影响。分别配置电导率为8000μs/cm，7000μs/cm，6000μs/cm，5000μs/cm，4000μs/cm，3000μs/cm，2000μs/cm，1500μs/cm，1000μs/cm，500μs/cm的电解质溶液。比色管中所加电解质中钙钠比分别为0∶1，1∶9，1∶14和1∶0。将等质量的黏土加入50mL比色管中，加入蒸馏水至刻度线处，加入电解质调节溶液电导率，得到相应的离子强度，迅速振荡分散，使其均一成胶溶状态，静置记录絮凝时间。

1.2.2 定流速实验

将粒径为0.5～1mm的无胶体砂装入长度为30cm，内径为2.35cm的有机玻璃管中。在密封条件下用Autoscience型真空抽滤机抽真空20min，用配制的离子强度为0.054mol/L的NaCl溶液饱和砂柱。与保定LEAD-1蠕动泵相连接，在给定流速条件下通入离子强度为0.054mol/L的NaCl溶液，直到砂柱流出液的电导率达到稳定值，然后将离子强度为0.054mol/L，浓度为5g/L的黏粒悬浊液通入砂柱。间隔5min取样，连续测定流出液的体积、吸光度，同时记录测压板的读数，最后计算相对渗透系数和砂柱对胶体的截留量。

1.2.3 渗透系数的测定

根据达西定律计算砂柱的渗透系数，即

(4)

式中：k—渗流系数(cm/min)；Q—渗流量(cm3/min)；L—渗透途径长度(cm)；A—过水断面面积(cm2)；Δh—水头损失(cm)。

实验过程中，采用相对渗透系数来表征含水介质渗透性的变化。相对渗透系数是指不同时段含水层介质的渗透系数与初始渗透系数的比值，即：

(5)

式中：kr—相对渗透系数(%)；kt—不同时段含水层介质的渗透系数(cm/min)；k0—含水层介质初始渗透系数(cm/min)

2 结果与讨论

2.1 水化学条件对胶体静水絮凝沉降的影响

2.1.1 离子强度对胶体静水絮凝沉降的影响

NaCl溶液的离子强度对黏土胶体絮凝有显著影响。离子强度愈低，黏土胶体的絮凝时间愈长。图1中，当离子强度由0.091mol/L降低到0.036mol/L时，絮凝时间由22min增加到36min，絮凝时间变化的幅度很小；而离子强度从0.036mol/L减小到0.026mol/L时，絮凝时间由39min增加到82min，当电导率由0.026mol/L降低到0.008mol/L，絮凝完成时间则相对变得很长，达到900min(图1)。

图1 NaCl溶液中黏土胶体的絮凝时间柱状图

为了精确锁定絮凝时间的突变范围，选取离子强度为0.034mol/L和0.032mol/L两个点进行加密实验。在图1中，当离子强度由0.034mol/L降低到0.032mol/L时，絮凝时间由40min增加到70min，这说明发生絮凝时间突变的离子强度约为0.033mol/L。高于上述浓度时，黏土胶体会发生快速的絮凝沉降。这与周晶晶[12]在做电解质对细颗粒泥沙絮凝影响实验以及刘林[13]在做相关实验时的结果相似，即当电解质浓度高于某个值时，细颗粒泥沙会快速絮凝。根据双电层理论，阳离子浓度越高，离子强度越大，黏土颗粒表面的Zeta电势下降越明显，双电层的斥力就越小[14]，从而使颗粒更容易发生絮凝沉降。

2.1.2 阳离子价态对胶体絮凝沉降的影响

当电解质溶液为CaCl2，离子强度高于0.006mol/L时，黏土胶体溶液的絮凝时间几乎相同，11min内同时完成絮凝沉降；而当电解质溶液为NaCl、离子强度为0.008mol/L时，900min才完成絮凝沉降，这说明二价阳离子的絮凝能力远强于一价阳离子，一价阳离子完成絮凝所需时间是二价阳离子的90倍(图2)。

图2 CaCl2溶液中黏土胶体的絮凝时间柱状图

钙离子占比较高的胶体溶液先发生絮凝沉降。例如，在高钙钠比(1∶9)条件下，胶体絮凝所需时间发生突变的离子强度范围在0.006～0.013mol/L之间；在低钙钠比(1∶14)条件下，胶体絮凝所需时间发生突变的离子强度范围在0.013～0.019mol/L之间，因此高价离子的加入可以在较低的离子强度下使黏粒在短时间内絮凝沉积(图3)。

1—低钙比(1∶14)；2—高钙比(1∶9)图3 混合电解质溶液中黏土胶体的絮凝时间柱状图

通过离子强度和阳离子价态对胶体絮凝影响实验得出，溶液离子强度越高，阳离子价态越高，黏土胶粒絮凝沉降也越快，Ye[15]在探究高岭土在多孔介质中的堵塞机理时也出现类似的结果。

2.2 胶体动水絮凝对含水介质渗透性的影响

2.2.1 不同离子强度条件下胶体动水絮凝对含水介质渗透性的影响

随着离子强度的增大，含水介质渗透性降低的也越快，当NaCl溶液的离子强度为0.054mol/L时，仅仅15min渗透性降低了20%；但当离子强度为0.017mol/L时，渗透性降低20%长达50min。当电解质为CaCl2时，含水介质渗透性的变化呈现相同规律，即随着离子强度的增大，渗透性降低的越快。在CaCl2溶液中，离子强度为0.011mol/L，0.007mol/L时，5min后含水介质渗透性就降低为原来的约75%；当离子强度为0.005mol/L时，在25min后，渗透性才降低了约25%。咸淡水过渡带中颗粒释放絮凝对含水介质的渗透性影响实验探究中，Zhou[1]和林国庆[16]实验中也出现了类似的试验结果(图4)。

1—0.054mol/L NaCl；2—0.036mol/L NaCl；3—0.017mol/L NaCl图4 不同离子强度NaCl溶液中砂柱相对渗透系数随时间变化曲线图

2.2.2 不同价态阳离子条件下胶体动水絮凝对含水介质渗透性影响

当电解质为CaCl2溶液时，低离子强度就可以引起含水介质渗透性快速降低，而当电解质为NaCl溶液时，则需要较高的离子强度才可以使含水介质渗透性发生降低。例如，CaCl2溶液的离子强度仅为0.011mol/L时，大约通入胶体悬浊液仅10min后，砂柱的渗透性已经降低20%左右；而在NaCl溶液中，当离子强度为0.017mol/L时，通入胶体悬浊液50min后，砂柱的渗透性才降低约20%。因此，高价态的阳离子可以加快黏粒的絮凝，造成的地质损害也更严重。在研究地下水盐度和黏土含量对含水层渗透性的影响时，Liu[17]也发现随着盐度的增加，含水层渗透性下降的很快(图5)。

1—0.011mol/L CaCl2；2—0.007mol/L CaCl2；3—0.005mol/L CaCl2图5 不同离子强度CaCl2溶液中砂柱相对渗透系数随时间变化曲线图

为了进一步探究离子强度和阳离子价态对含水介质渗透性的影响，将砂柱分割为6段，计算每一段砂柱对胶体的截留量。靠进出水口的一端为第一段，靠进进水口的为第六段。从图6中可以看出，阳离子的价态不同时，第六段(靠近进水口)砂柱中胶体截留量远远高于其他分段，且高价态阳离子条件下的截留量远多于低价态阳离子。而在砂柱的第一段至第五段，低价态阳离子条件下颗粒截留量大于高价态阳离子条件下的颗粒截留量，这也说明了高价态阳离子可以加快絮凝速度[3]，这与静水条件下阳离子价态对絮凝快慢影响的实验结果相一致(图6)。

1—NaCl电解质；2—CaCl2电解质图6 砂柱中胶体颗粒截留量的空间分布柱状图

吴宇帆[18]在探究长江河口细颗粒泥沙絮凝沉降的影响因素中，也出现了随着盐浓度的增加，垂向上表层絮凝沉降更明显。Kang[19]在研究影响高岭石絮凝沉降的因素中发现高价阳离子的存在能够迅速加快其絮凝沉降过程，从而限制黏粒的迁移。周晶晶[12]通过黏性细颗粒泥沙絮凝实验，发现阳离子价态越高，其越容易发生絮凝。根据DLVO理论，黏土颗粒带有负电荷，当溶液中阳离子浓度增加时，静电引力引起的阳离子吸附可以压缩黏土表面的扩散双电层，使扩散层变薄，电位表面更低，引起双电层斥力减小，这样使得原来处于引力和斥力平衡状态的颗粒与吸附微粒间范德华吸引力占优势，颗粒容易聚集在一起，导致黏土颗粒的絮凝[1,20]。因此离子强度越高，阳离子价态越高，絮凝发生的速度也会加快，对含水介质渗透性影响也越显著。

3 结论

通过静水絮凝实验和定流速动水絮凝实验，探究了在不同离子强度和不同价态阳离子条件下黏土颗粒絮凝对砂柱渗透性的影响。

(1)离子强度越大，胶体絮凝沉积速度越快。NaCl作为电解质时，絮凝时间突变发生的离子强度范围在0.034～0.032mol/L之间；电解质为CaCl2，离子强度超过0.006mol/L时，胶体絮凝时间仅需6min。

(2)胶体絮凝沉积速度与溶液中钙钠比有关。钙钠比越高，黏粒絮凝发生的越快；高价阳离子的存在使较低浓度的胶体在短时间内絮凝沉降。

(3)砂柱实验中，离子强度和阳离子价态越高，发生胶体絮凝的速度越短，含水介质渗透性的下降速度越快，地层损害也越严重。