呂淑清，宋 亮 ，馬友良，劉 宵，田雙超

(1.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012；2.吉林中油石化企業(yè) 調(diào)整管理中心，吉林 吉林 132022)

苯酚在Soil-Bentonite Slurry walls中的傳輸研究

呂淑清1，宋 亮1，馬友良2，劉 宵1，田雙超1

(1.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012；2.吉林中油石化企業(yè) 調(diào)整管理中心，吉林 吉林 132022)

實驗室研究了SB(Soil Bentonite)材料對苯酚的阻截性能，以及無機離子對苯酚在SB Slurry wall 中傳輸?shù)挠绊?。實驗結(jié)果顯示，苯酚在SB Slurry wall材料中的滲透速度與水在材料中的滲透的速度相同。無機離子的加入，改變了墻體材料的滲透系數(shù)，使得苯酚在墻體材料中的遷移速度加快。遷移速度變化與無機離子的加入量有關(guān)，加入量越大，苯酚在墻體中的遷移速度越快。

滲透;吸附;土壤;膨潤土;苯酚

為防止工廠產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物對周邊環(huán)境產(chǎn)生污染，不少國家已廣泛采用Slurry Wall工程技術(shù)，即在填埋場或污染源周圍設(shè)置人工屏障(Barrier System)來阻止有害物質(zhì)的遷移[1]。美國以SB(Soil Bentonite)為主要材料，而在歐洲大多采用CB(Cement-Bentonite)作為屏障材料[2]。目前研究的對象主要針對的污染物質(zhì)有重金屬離子和有機污染物質(zhì)。多數(shù)研究集中在改性劑對污染物質(zhì)的吸附性能[3-4]，而研究污染物質(zhì)與墻體的相互作用，污染物質(zhì)在墻體中的分布，穿透方式和模型研究較少。

SB(Soil Bentonite)作為屏障材料，由于其價格低廉，取材方便等在美國得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)污染場地的污染物質(zhì)為有機物染物，這些物質(zhì)會隨地下水流動，使污染范圍會不斷擴大。利用土壤-膨潤土水力傳導系數(shù)低、吸附性能強的特性，阻截或吸附水中的有機污染物質(zhì)，可使其擴散的速度得到控制，但由于金屬離子的存在會對其滲透系數(shù)的影響[5]，會改變墻體的阻截特性[6-7]，降低使用壽命。因此研究無機鹽類對有機污染物質(zhì)在墻體材料中的遷移機理及過程，對于有機污染場地控制的墻體設(shè)計具有重要意義。

苯酚是焦化、煉油、造紙、塑料、農(nóng)藥等行業(yè)的生產(chǎn)原料或中間體。這些工業(yè)生產(chǎn)廠如鋼鐵焦化廠、石油化工廠、農(nóng)藥廠和電鍍廠等均排出含苯酚廢水。含酚廢水是一種來源廣泛而危害嚴重的污染物[8-10]，本文實驗研究利用SB屏障材料對苯酚污染場地進行阻截模擬，以得出對苯酚污染場地的控制具有重要意義的結(jié)論。

1 實驗材料儀器和實驗方法

1.1 實驗材料

實驗用土壤膨潤土：Soil-Bentonite配制時先將膨潤土水化24小時。取56 g膨潤土用400 g水水化，然后取57 g水化后的膨潤土，然后加入如表1所示的不同粒徑的各種顆粒，攪拌均勻，待用。

表1 Soil-Bentonite的成分

實驗試劑濃度：金屬離子溶液KCl，CaCl2，F(xiàn)eCl3，F(xiàn)e2(SO4)2濃度均為10 mmol/L。

1.2 實驗儀器設(shè)備

實驗儀器：752紫外可見分光光度計；TST-55型土工滲透儀；HJ-4型恒溫電磁攪拌器；GUOHUA80-2離心分離機；容量分析玻璃儀器；自制的實驗設(shè)備，40 cm×20 cm×20 cm箱體。

1.3 實驗方法

(1)材料對苯酚的吸附實驗：稱取10.71 g土壤-膨潤土材料5份，置于5個100 ml的三角燒瓶中；加入100 ml不同濃度的苯酚溶液(2 g/L、4 g/L、6 g/L、8 g/L、10 g/L)；置于恒溫電磁攪拌器上，調(diào)節(jié)溫度為20 ℃，攪拌；待攪拌均勻后，用膠帶封閉燒瓶上口；每天都進行一次定時20分鐘攪拌，12天后測定苯酚濃度。取上清液放入離心分離機中進行離心分離(轉(zhuǎn)速4 000 r/min)，過濾上清液，利用752紫外分光光度計測量溶液中苯酚濃度。土壤-膨潤土對苯酚的單位吸附量s按式(1)計算。

s=(c0-ct)×V/m，

(1)

式中：s為土壤-膨潤土單位吸附量，mg/g；c0為苯酚的初始濃度，mg/L；ct為任意時刻t時溶液中苯酚濃度，mg/L；V為溶液體積，L；m為土壤-膨潤土質(zhì)量，g。

(2)苯酚在SB材料中的滲透系數(shù)測定：將配制好的土壤-膨潤土放入3套變水頭滲透儀的環(huán)刀中，裝配好滲透系統(tǒng)；在滲透系統(tǒng)的計量管中，加入蒸餾水，待到滲透穩(wěn)定后，測定蒸餾水在土壤-膨潤土中的滲透系數(shù)，連續(xù)測量6次；測定完成后，更換計量管中的溶液為2 g/L、5 g/L、8 g/L的苯酚溶液，測定其在土壤-膨潤土中的滲透系數(shù)，按式(2)計算。

(2)

式中：k為滲透系數(shù)，cm/s；a為計量管面積，cm2；L為環(huán)刀厚度，cm；A為環(huán)刀面積，cm2；t2為滲透結(jié)束時間，s；t1為滲透開始時間，s；h1滲透開始讀數(shù)，cm；h2滲透結(jié)束讀數(shù)，cm。

(3)苯酚在SB材料中的穿透性能：依照滲透系數(shù)實驗的操作方法，在滲透系統(tǒng)的計量管中加入苯酚溶液后，在測定滲透系數(shù)的同時，定時收集滲透系統(tǒng)流出液；對流出液進行離心分離，過濾后用紫外分光光度法測定流出液中苯酚濃度。

(4)苯酚在SB材料中傳輸分布實驗：配制大量的土壤-膨潤土材料并自然裝填，放入自制40 cm×20 cm×20 cm的箱體，為保證裝填均勻性，對箱體稍做震動，在距離箱體邊緣5 cm處的泥漿里插入一短節(jié)DE50塑料管，在塑料管上端加入石英砂，壓入到塑料管下端，保持壓力，然后緩慢地將塑料管從材料中抽出。慢慢地將配制好的5g/L苯酚溶液(加入金屬離子溶液)倒入石英砂里，直到與石英砂平齊。將箱體上部用塑料紙覆蓋，放置7天，然后進行取樣測試。取樣點距離石英砂外端3 cm，6 cm和9 cm處，用小勺先刮去一小薄層上部土壤-膨潤土材料，取1 g左右泥漿樣品(計算時折算成1 g)放入到燒杯里，加入少量蒸餾水進行清洗樣品，離心分離后倒入到1 L容量瓶中，反復操作清洗5次，定容到1 L后測試其中苯酚含量。取樣周期為7天，總共測試7次。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤-膨潤土材料對苯酚吸附性能

根據(jù)1.3中實驗步驟考察土壤-膨潤土材料對不同濃度苯酚溶液的吸附性能，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 土壤-膨潤土對不同初始濃度苯酚吸附性能

圖1為不同苯酚濃度情況下土壤-膨潤土對苯酚吸附的效果。隨著初始濃度的增加，土壤-膨潤土的吸附量也隨之增加；但苯酚濃度過大時，吸附量不在增大。分析原因主要是受溶液中苯酚的數(shù)量和土壤-膨潤土表面吸附位點兩個因素的影響。開始階段隨著溶液中苯酚濃度的增加，苯酚與土壤-膨潤土表面吸附位點的碰撞幾率上升，使得吸附量快速增大；隨著濃度的增大，溶液中苯酚的數(shù)量逐漸大于土壤-膨潤土的吸附點位，隨后吸附量不再增加；當苯酚的濃度超過6 g/L時，吸附量隨著濃度的增加減少，說明過量的苯酚并不增加吸附的數(shù)量。

由此可見，土壤-膨潤土材料對苯酚的吸附量非常小，吸附率很低，這與Khandelwal，A[11]，Mott，Henry V[3，12]等的研究結(jié)果一致。

將土壤-膨潤土對苯酚的吸附量和初始濃度之間的關(guān)系進行Langmuir 、Freundlich等溫方程擬合，吸附等溫方程如式(3)、式(4)所示。

c/s=1/(kLB)+c/B，

(3)

lns=lnc/n+lnkF，

(4)

其中：s為平衡時被吸附的苯酚的單位質(zhì)量(mg/g)；B為吸附苯酚的最大吸附量(mg/g)；c為液相中苯酚濃度(mg/L)；kL為一定溫度下的Langmuir常數(shù)，與表面吸附強度有關(guān)；n、lnkF為Freundlich常數(shù)。

表2 苯酚在土壤-膨潤土吸附等溫模型的擬合參數(shù)

由吸附模型參數(shù)(表2)可見，苯酚在土壤-膨潤土中的吸附更符合Freundlich等溫吸附。

2.2 苯酚在土壤-膨潤土材料中滲透系數(shù)研究

苯酚溶液在土壤-膨潤土材料中滲透時，滲透系數(shù)大小基本與水在土壤-膨潤土材料中的滲透系數(shù)接近，都在10-9cm/s左右。水在材料中的滲透系數(shù)為7.366×10-9cm/s，2 g/L的苯酚溶液在材料中的滲透系數(shù)為5.366×10-9cm/s，5 g/L時滲透系數(shù)為8.562 4×10-8cm/s，8 g/L時的滲透系數(shù)為8.965 4×10-9cm/s。實驗中不同濃度的苯酚在材料中滲透時，其滲透系數(shù)不隨濃度變化，也不隨時間的變化而變化。由此可知，苯酚在土壤-膨潤土材料中滲透時，雖然有吸附作用發(fā)生，但吸附量很小，屬于粘附作用，并且這種吸附不改變土壤-膨潤土的孔隙特點，不改變凝膠體系的外邊特征，也不改變孔隙的聯(lián)通特性，導致其在材料中的滲透系數(shù)沒有發(fā)生變化。

圖2 苯酚在土壤-膨潤土材料中的穿透

2.3 苯酚在土壤-膨潤土材料中穿透行為研究

分別采用2 g/L、5 g/L和8 g/L的苯酚溶液，在滲透系數(shù)測定裝置中進行滲透系數(shù)測定的同時收集流出液，測定流出液中的苯酚濃度，實驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出苯酚在土壤-膨潤土材料中傳輸時流出液的濃度隨時間慢慢增大，直到完全穿透。流出液中苯酚的濃度與流入的苯酚濃度有關(guān)。但在開始的100小時內(nèi)由于土壤-膨潤土材料對苯酚的吸附以及苯酚溶液對材料中的游離水的置換，雖然流入濃度差別很大，但流出液濃度很??；之后隨著時間的增加，材料中的游離水置換逐漸結(jié)束，吸附也慢慢接近飽和，致使大部分苯酚溶質(zhì)隨著水溶液一起流動并穿透泥漿墻；流出液濃度隨著時間的增加而增大，直至達到流入液濃度。實驗還發(fā)現(xiàn)流入液濃度越高，流出液濃度也越高。

圖3 苯酚在墻體材料中的濃度分布

2.4 苯酚在土壤-膨潤土材料中傳輸時濃度分布

根據(jù)箱體實驗步驟，在污染源位置加入5 g/L的苯酚，經(jīng)過一定時間的傳輸后，測得苯酚在土壤-膨潤土材料中的濃度分布數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3中可以看出，在3 cm位置處苯酚濃度增加很快，7天時為0.402 8 mg/L，49天時為1.652 7 mg/L；由圖上的線性斜率可以看出這種濃度的增加速度很快，說明在靠近污染源處，污染物質(zhì)濃度增大快。在6 cm位置處，苯酚濃度也隨著時間在不斷增大，但濃度增加的速度較慢。9 cm位置處苯酚的濃度也隨著時間在增大，但增加的速度明顯沒有3 cm和6 cm處快。

2.5 金屬離子的加入強度對苯酚在土壤-膨潤土材料中傳輸?shù)挠绊?/p>

取200 ml配制好的苯酚溶液，分別置于3個燒杯中，編號為#1，#2，#3，在#1中不加金屬離子，在#2、#3中分別加入分別10 ml、20 ml由 KCl，CaCl2，F(xiàn)eCl3，F(xiàn)e2(SO4)2配制的混合溶液，混合溶液中K+、Ca2+、Fe3+、Cl-、SO42-濃度分別為2.5 mmol/L、2.5 mmol/L、7.5 mmol/L、15 mmol/L、7.5 mmol/L。苯酚加入混合液在墻體中經(jīng)過49天傳輸后，測定苯酚濃度，討論金屬離子的加入量(0 ml，10 ml，20 ml)對苯酚在墻體材料中各位置處傳輸濃度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 離子加入量對苯酚在土-膨潤土材料中傳輸?shù)挠绊?/p>

實驗數(shù)據(jù)如圖4(a)所示，在3 cm位置處，隨著時間的增加，離子加入量會導致苯酚在墻體中該位置處的傳輸量增大，從圖上看離子加入量越大，這種影響也越大。圖4(b)在6 cm位置處，離子加入量為10 ml時，該位置處苯酚濃度隨著時間變化最大，說明不是離子的加入量越大，對苯酚的傳輸影響越大，而存在最大值。由圖4(c)可以看出，在9 cm位置處，由于距離污染源的位置較遠，在實驗時間內(nèi)，溶液中的離子和苯酚只有少量擴散到了該位置，所以實驗數(shù)據(jù)的改變不明顯。

由此可以得出金屬離子的加入會影響阻截墻體的滲透系數(shù)，增加苯酚在墻體材料中的傳輸速度，從而降低墻體材料的對污染物苯酚的阻截效率；在污染場地控制時要盡量減少金屬離子的含量，避免墻體被快速穿透。

3 結(jié) 論

(1)墻體材料對苯酚的吸附量較低，吸附過程符合Freundlich等溫吸附模型。

(2)苯酚在墻體材料中滲透時，滲透速度與水相同。苯酚穿透墻體材料時，其流出曲線與濃度大小有關(guān)。

(3)苯酚在墻體材料中的分布，與其傳輸距離有關(guān)，距離越大濃度越小。

(4)金屬離子會影響墻體的滲透系數(shù)，增加苯酚在墻體材料中的傳輸速度。

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Abstract：Laboratory study was conducted on SB material blocking properties for phenol，and the influence of inorganic ions on the migration of phenol in SB Slurry walls.experimental results show that permeability coefficients of phenol in the walls materials remain unchanged and are the same as water.The addition of inorganic ions changes the permeability of wall materials，speeds up migration of phenol in wall materials.The change of migration velocity of phenol depends on the addition amount of inorganic ions，adding more，migration velocity of phenol will faster.The more the addition amount is，the higher the speed of migration of phenol in wall materials is.

Keywords：Permeability;Adsorption;Soil;Bentonite;Phenol

ResearchonTheTransmissionofPhenolinSoil-BentoniteSlurryWalls

LvShuqing1，SongLiang1，MaYouliang2，LiuXiao1，TianShuangchao1

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.CPC Jilin Petrochemical Enterprises，The Adjust Management Center，Jilin Jilin 132022)

X53

A

2017-05-12

呂淑清(1975-)，男，博士，副教授，主要研究方向：工業(yè)水處理.

電子郵箱：23423116@qq.com(呂淑清)；513588090qq.com(宋亮)；YL-ma@126.com(馬友良)；462067856(劉宵)；2238592818@qq.com(田雙超)

1005-2992(2017)05-0056-05