膨润土在污染场地土壤修复和地下水污染防治中的应用（下）

鞠建英 向俐云

 

四、天然钠基膨润土防水毯及膨润土在治理土壤和地下水污染的作用

 

被污染的水及其他有害物质渗到地下以及核辐射等，唯有膨润土可以吸收转换，这在中国古人的风水书里也提到过上等土中能生出真菌，初冬折树枝插在地里，来年春天能发芽的就是风水宝地，其土非常细腻，带点天然芬香，舌尝有甜丝味，有各种颜色，传说大禹治水必找息壤——膨润土。古人之所以这么说是因为膨润土的主要特性之一是能大量吸水膨胀成致密的无机凝胶体，以低层电位的天然钠基膨润土的性能最佳，是高等级的纳米无机防水防污材料，其本身含有的几十种微量元素对生物十分有益。天然钠基膨润土防水毯中的天然钠基膨润土在吸水前已经压实，吸水膨胀时体积受到约束，外界的水分子及溶于水中的污物，难以再进行动态平衡交换，从而阻止水分子及污物穿过，再扩散污染。能起防渗防污，自密环保，抗老化作用。膨润土由于带电性和较大的比表面积(大于100m2/g)具有较强的吸附性和离子交换能力等—系列独特性能，可用于去除污水中的某些污染物，如地下空间，水库，池塘，废水处置等的不透水层，保护地下水等不受污染，或减少库水损耗，也可作为过滤材料。膨润土层间阳离子与结构单元层间的作用力较弱，从而保持着可交换性。经过处理交换性更好，如①高温改性——增大吸附容量，②酸改性——活性白土，③有机改性——季铵盐插层复合成阳离子有机膨润土，层间距增大，层间域成为疏水环境，表面电荷增加，从而吸附性能大大改善，去除水中有机物的能力比原土高几十到几百倍，但成本很高。

 

沸石分子筛是一类具有奇妙孔道结构和独特晶体化学性质的含水架构状硅铝酸盐多孔矿物晶体材料，不仅具有可预测的高效分子筛功能，还具有基于离子交换下的吸附性和催化性等多种优异性能。可作为控制环境污染，海水淡化，改良土壤和化工生产等的经济高效环境友好材料。著名矿物学家F·穆普顿指出：由于全球性环境调节及环保需要，20世纪70年代人类进入“沸石世纪”——环境友好的工业矿物——主要用途是洗涤剂和催化剂，可作阳离子交换剂去除重金属离子。能同时去除Fe3+、Ni2+、Co2+ 、Ca2+、Pb2+、Hg2+等。降低氟含量，氨氮等有机污染物，可作污水滤料，消除放射性物质、除臭等。

 

五、天然钠基膨润土毯的特性及质量控制方法

 

1. 天然钠基膨润土的形成及主要成份

 

作为天然钠基膨润土防水毯的主要构成材料就是天然钠基膨润土，它的矿物学名叫钠蒙脱石(蒙脱石是膨润土的标志性矿物成分，其含量多的质量好)，属天然纳米材料，万用粘土，是亿万年前火山喷发后火山灰经过高温高压形成的。处于矿山深部的天然钠基膨润土具有高度稳定的水密性、保水性、粘结性、耐久性和自我修复能力。主要成分是Si、Al、Fe、Mg、K、Na、Ca、Mn等氧化物，并含有人体所需几十种微量元素。目前中国已开采的膨润土所含微量元素中的铅、砷、汞等有害微量元素的含量都在食品、药品、饲料标准允许的范围之内。因此，天然钠基膨润土是国内外公认的环保型永久防水防污材料。而膨润土矿的浅层部分大多为天然的钙基膨润土，它的膨胀性能差，防渗性能也较差(除非铺几十公分厚天然钙基膨润土，也不能用人工钠化膨润土)，人工钠化后防渗性能更差。用人工钠化膨润土制成的GCL寿命仅半年，最多3年。

 

地质部门按蒙脱石(膨润土)与其他二八面体黏土矿物构成特殊的间层结构的间层矿物进行分类，即按用蒙脱石晶层间交换性阳离子的碱性系数(ENa++EK+)/(ECa+++EMg++)来划分膨润土属性、属型。钠基膨润土碱性系数>1，Na2O含量>1%;钙基膨润土碱性系数<1，Na2O含量<1%。定义为钠基膨润土和钙基膨润土两大类。

 

2. 天然钠基膨润土在我国的地理分布情况

 

我国的膨润土储量世界第一，我国的天然钠基膨润土储量也是世界第一。我国的钙基膨润土储量也是世界第一。据地矿部门已勘探的膨润土资源，分布面广，资源十分丰富，大型矿床多，属性属型齐全。据统计全国有29个省(自治区)都有矿床，已勘探的资源总量有上百亿吨以上，其中天然钠基膨润土储量占一半以上，居世界之首。估计尚未详勘的膨润土资源还有很多。

 

3. 目前我国膨润土的开采使用情况

 

迄今已探明的天然钠基膨润土的矿藏储量很大，但由于开采成本较高，目前市场上常用的膨润土矿大多属于经风化，蚀变的钙基膨润土，它位于矿的表层或浅层，大多是露天开采，代价很低，市场容易购到。这种钙基膨润土的水密性和稳定性很低，不适合制成较薄的防水毯直接用于防水防渗。但可直接用钙基膨润土(不能用人工钠化膨润土)铺设50cm以上经夯实做防渗层，或将其大比例地与当地土拌匀夯实得更厚做防渗层。其防渗等级由设计确定，比例、厚度需经试验确定。

 

很多企业为使产品达到标准《钠基膨润土防水毯》JG/T193-2006中的材料指标要求，采用了将钙基膨润土进行人工钠化的简单方法，达到短时间的高膨胀指数和低渗透性，即通过直接加碱经陈化法、挤压法等制成人工钠化膨润土，有的甚至只是在钙基膨润土中加点工业碱面就算钠化了，或加点碱面后堆放几天就算陈化了。最复杂的，也只是经过多道或多锟挤压而成。这些加工工艺都无法使碱中的钠离子进入膨润土晶格结构中，最多只附着在表面，碱经短时间溶于水并随水流失，重新又变回原来的钙基膨润土，根本无法持久防水防渗。原因是钙基膨润土加碱进行人工钠化后，会使膨润土含钠量太高，多余Na离子会压缩双电子层，造成无机凝胶体性能受损，水透过来，膨润土防渗防污层失效。人工钠化膨润土主要用于时效要求短的铁球团、铸造、钻井泥浆等。

 

由于天然钠基膨润土均在地下80～100m深以下，采挖难度大，成本高，约为钙基膨润土的5～6倍，埋的越深采挖成本越高。目前国内只有个别大型企业具有开采天然钠基膨润土的能力。地区以吉林和新疆为主。新疆天然钠基膨润土的储量很大，分布面广，但由于受到交通条件制约还没有被大量使用，不久将在大西北防渗防污治污和荒漠化治中得到广泛应用。

 

吉林预计储量超亿吨，现开采的吉林刘房子天然钠基膨润土储量大，品质好，利用原有200多米深的采煤巷道可大量开挖，仅一个巷道即可采2000多万吨，以前基本是出口原矿，由国外企业加工成防渗产品在香港、东南亚、日本、韩国等地应用，并返销中国。现在企业自已进行深加工，形成大型永久性天然钠基膨润土系列防水产品生产基地。辽宁的膨润土与广西的膨润土资源丰富，在治污防污上有区位优势。

 

天然钠基膨润土其综合矿样的膨胀指数大多只有15～18ml/2g,包括已挖到380m深的美国怀俄明的天然钠基膨润土矿。比这高的仅是个别矿层和矿点，再通过耗能、耗水、费时地提纯，可以达到≥24ml/2g，甚至更高，对于防水防渗防污和应对混凝土的干缩，15～18ml/2g也足够了。美国和韩国等防渗膨润土的膨胀指数也规定是≥15～16ml/2g。膨胀指数≥24ml/2g是德国、美国一些对膨润土缺乏研究的人误传到我国的。目前中国市场上供应的大多是人工钠化(所谓钠基)膨润土防水毯，其所谓的防水颗粒大多是用辽宁建平露天开挖的钙基膨润土加4%左右的碱(Na2CO3)制成。维坊、南京等地也有部分生产。有些企业怕供送检样品不合格，就又在样品上喷浓度高的碱水。实际上这样检出的膨胀指数越高的产品耐久性越差，使污染继续。

 

4. 天然钠基膨润土防水毯(垫)的最大用途是有效隔离污染源

 

(1)膨润土用于防渗防污的历史与国内外使用天然钠基膨润土防水毯(垫)的情况

 

使用膨润土做防水防污材料在我国古代就有案例，如马王堆汉墓防渗(深60m，墓室六面全铺了很厚的膨润土、高岭土，其黏粒分子占55%以上，夯实成很厚的粘土防渗层。除此以外还有古罗马建筑中也采用了大量的膨润土。上世纪20年代初英国利用其膨胀性，将颗粒、粉料加入池、坝作防渗层，其后，特别是50年代末美国、意大利、日本、德国、俄罗斯、韩国等也都有过大量做垃圾填埋场隔绝水土污染的案例。60年代中期最初的防水板是采用瓦楞纸板装天然钠基膨润土的形式，后在80年代中期美国、德国先后改为用上下两层土工织物固定天然钠基膨润土即形成钠基膨润土防水毯、垫(GCL)，这种材料一经推出就在美、日、德、韩、澳大利亚、香港等国家和地区大量使用，并取得了良好的效果。90年代为适于施工环境较差(地下水压力大，有化学污染等)又在GCL的无纺布一侧加烫了一层高密度聚乙烯膜(HDPE)。

 

据2000年统计，世界范围内膨润土占防水防污材料比例，美国占67%，欧洲占60%，中国仅占1.3%。我国上世纪80年代初首先由国外独资企业将该产品带入国内自行使用，后由香港商人将其做为新型防渗防污材料从国外直接引入到中国市场，初期使用的都是进口材料防渗防污效果也很好。本世纪初由美国、韩国在中国建厂开始生产钠基膨润土防水毯，当时他们采用的膨润土也都是国外进口和国内现有的天然钠基膨润土，市场使用情况也不错。国内一些厂家看到防水毯市场较大也相继建厂开始大量生产，由于天然钠基膨润土的价格偏高(是人工钠化土的5～10倍)，国内绝大部分厂家都采用人工钠化膨润土做防水毯的主要防渗材料，加之行业标准JG/T193-2006、国标GB/T20973—2007的误导，即将人工钠化膨润土列入钠基膨润土，把一些企业不良行为标准化，中介方又吹说它是环保、透气、微渗、环境友好的防渗材料，致使许多工程防渗防污失效，造成难以挽回的损失。

 

(2)天然钠基膨润土防水毯(垫)的防渗机理及特点

 

天然钠基膨润土防水毯(垫)是一种新型环保生态复合防渗防污材料，它由两层土工合成材料间夹封优质防渗天然钠基膨润土，通过每平米15～20万针刺纤维束将上中下三层拉紧辊压复合而成的。说明该产品是很有智慧的人设计制作的。

 

天然钠基膨润土粉粒在遇水后形成密实不透水的凝胶体，其包装的土工合成材料能与主体结构形成机械结合力，使基础与防水层形成整体，共同抵御各种外力和环境影响。天然钠基膨润土具有很强的膨胀性能，颗粒在实验室的条件下，遇水能膨胀15-17倍甚至30倍。钠基膨润土防水毯不会因为干湿和冻融反复循环影响而降低防渗防污效果,它的自愈性好，能有效地隔绝污水的入侵。

 

天然钠基膨润土是天然矿物质，遇水反应为物理过程，因此不会污染环境。天然钠基膨润土是无机材料不会老化，长期使用其防水防污性能不会减弱。它的寿命远大于建筑物的设计年限。

 

天然钠基膨润土性能稳定，遇水膨胀能形成不透水的凝胶层，且能长久地追迹细微空隙。除此之外，天然钠基膨润土防水毯和防水粉(粒)还有以下优点：1)自我修复能力。天然钠基膨润土因其独有的膨胀力，具有渗透到防水施工结束后所必然发生的裂纹内部的能力，和其他防水方法对施工完成以后发生的缺陷无能为力相比，有其独特的优势。2)能永久的发挥其防水能力。天然钠基膨润土为天然无机矿物，时间的变化和周围物质的影响对其化学性质的影响很小，并且不会发生老化腐蚀现象，因此可以永久地保持其防渗防污能力。3)施工相对比较简单。和其他防渗防污方法相比工期较短，对施工人员的专业技术要求不高。一般的民工在技术人员指导下就可以完成。4)对人体无害。因施工的简便性和材料的环保特性，在施工时对人体没有影响，特别是没有加热和粘贴等作业，减少了施工事故的发生。5)容易检测和确认。防渗防污施工结束后的检测和确定较容易，可以立即检查出施工不足的地方或者施工上有问题的地方，以及防渗材料的损伤等，修补也很容易，所以可以减少防渗防污施工中可能发生的失误。

 

(3)人工钠化(所谓的钠基)膨润土防水毯存在的问题

 

膨润土防水毯(垫)及其辅助防水制品不是一次性商品，其耐久性和稳定性是其质量的关键。然而目前在国内市场上大部分企业为降低产品成本，实现低价中标，在膨润土防水产品中大量使用人工钠化膨润土代替天然钠基膨润土，有的只在人工钠化膨润土中掺加20%左右的天然钠基膨润土，也诈称天然钠基膨润土。而人工钠化膨润土(也有很多人误称其为钠基膨润土)则是由处于矿山表浅层受到亿万年风蚀风化的钙基膨润土经人工加碱(Na2CO3)制成，密实性、耐久性差，遇水能比原体积膨胀很多倍，但寿命短，很易随水流失，用其做防水材料，会使混凝土主体结构和岩土之间形成孔隙、漏水通道，不可能产生共同作用，使结构防渗能力和抵御外力的能力大大降低。因为大量进入市场的防水毯中的人工钠化(所谓的钠基)膨润土都含有4%左右的Na2CO3，Na2CO3易溶于水，并随水流失带走部分钙基膨润土，使防渗防污失效。

 

2010年12月中旬在成都审查工信部标准JC/T2054-2011《天然钠基膨润土防水垫》(2012年7月1日实施)的会议上，有人问美国生产防水毯企业的负责人莫尔斯(Morris)先生，你们在中国生产的人工钠化膨润土防水毯能不能拿到美国去用?他说“美国只用天然钠基膨润土防水毯，不允许使用人工钠化膨润土防水毯，因为人工钠化膨润土寿命很短。”实际上美国国家标准规定防渗材料产品只能用怀俄明和科罗拉多的两个矿天然钠基膨润土。经查美国有十几个州都有膨润土矿，但他们的环保、地下工程、农垦、水利工程部门都强调必须使用天然钠基膨润土产品，不用人工钠化膨润土产品，天然钠基膨润土膨胀指数要求为≥16ml/2g，而不是≥24ml/2g。我国新颁布的《天然钠基膨润土防渗衬垫》JC/T2054-2011规定天然钠基膨润土膨胀指数≥22ml/2g是很高的，大多数矿经提纯可以达到这一要求。

 

5.隔离层质量控制方法。请参考笔者发表于《中国非金属工业导刊》2013年第1期 膨润土防水毯特性及质量控制。

 

六、结束语

 

对于严重的危害大的多年积累的土壤和地下水污染，采用膨润土等黏土矿物进行处理是有效的，但代价太高，只能在最必要处做局部处理，并通过试验、实施，逐步积累经验，探寻经济、耐久处理方法。而现在和以后应杜绝进一步污染发生，就必须正确使用防渗防污隔离材料。重视垃圾填埋工程防渗中存在的部分问题，并特别重视防水毯的优劣问题和膨润土的品质问题。目的是希望在今后的重点工程中更多使用耐久性好的天然钠基膨润土防水毯，杜绝使用短效的人工钠化(所谓钠基)膨润土防水毯。离天然钙基膨润土产地近的地块也可以用夯实厚层钙基膨润土(绝对不能使用人工钠化膨润土)作防渗防污隔离层。同时建议在工程过程中严把产品质量关，做到科学施工与科学管理相结合，从而做出更多的防渗防污成功的案例。也建议尽快制订出相应的行业规定，强制性地禁止污染物迁移，要阻止垃圾对环境的破坏就必须对垃圾填埋场渗滤液及各种污水进入人类赖以生存的河湖大地，就必须做耐久性防渗隔离层，目前使用天然钠基膨润土防水毯或厚层压实天然钙基膨润土防渗防污隔离应是较好的选择，要求特别高的隔离层可用双层防水毯(其中一层可带覆膜)。使用抗渗抗腐的混凝土地下连续墙作防污隔离层也是很好的选择。