具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障及其制备与应用的制作方法

本发明涉及地下水防渗及环境修复领域，具体涉及一种具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障及其制备与应用。

背景技术：

随着我国工业的快速发展，致使环境污染也日趋严重。一些化工、矿山企业的堆场、堆浸场、尾矿库等缺乏有效的防渗措施，导致工业废物(液)、化工产品、矿渣等对土壤及地下水体造成了污染，严重危害了人们赖以生存的环境。

基于纳米零价铁填充的渗透反应墙技术已经广泛用于含有重金属、石油烃、硝基芳香化合物的地下水修复处理。渗透反应墙修复技术具有操作简单，布置灵活，运行费用低，环境副作用小的优点，是一种具有吸引力的地下水修复技术。但是大量的试验表明：由于纳米零价铁的特殊结构使其表面易被氧化及容易发生团聚，使其反应活性降低。其次，长期的地下水冲刷作用也会导致零价铁的流失，使其难以达到理想的修复效果。因此，基于渗透反应墙技术难易有效实现对污染物的垂直阻隔。

垂直防渗可以有效实现对污染物的垂直阻隔，控制污染物的水平迁移与扩散。中国专利CN104499510A与CN104805871A公开了复合型垂直防渗屏障，采用HDPE土工膜为主体防渗材料，通过垂直开槽工艺对污染场地铺设垂直防渗屏障以实现对污染物的垂直阻隔。该垂直防渗屏障具有防渗效果好、适应性广等优点，其渗透系数k≤1.0×10^-7cm/s。但是，该垂直防渗屏障只是以物理的方式将污染物垂直阻隔于污染场地，并不能实现对污染物的修复降解。

技术实现要素：

本发明要解决的关键技术问题是现有渗透反应墙不具备有效垂直阻隔功能，垂直阻隔墙无法实现修复功能。

本发明提供的一种具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障，包括：

修复功能部，其包括：两层无纺土工布以及夹设于两层无妨土工布之间的修复功能材料层；

垂直阻隔部，其由HDPE土工膜构成，所述垂直阻隔部固定于所述修复功能部的其中一无纺土工布的外侧。

优选地，所述无纺土工布为聚酯型或聚丙烯型无纺土工布的一种或其组合，所述无纺土工布的克重规格300g/m²~600g/m²。更优选地，所述无纺土工布为高强粗旦聚丙烯纺粘针刺土工布。

所述修复功能材料层的厚度为3-5cm，所述修复功能材料层含有膨润土、凹土和纳米零价铁负载介孔材料。

优选地，所述修复功能材料层中膨润土、凹土和纳米零价铁负载介孔材料的质量比为1~2:1~2:7。

纳米零价铁负载介孔材料为介孔材料Al-SBA-15对纳米零价铁进行负载得到的材料Fe⁽⁰⁾/Al-SBA-15，其中纳米零价铁的负载量为10-20wt%。

所述修复功能材料层的修复功能材料的制备方法包括如下步骤：取膨润土、凹土和纳米零价铁负载介孔材料混合，造粒，即得。优选地，所述修复功能材料层中膨润土粒度为200目，凹土粒度为400目，修复功能材料的颗粒粒径为0.5-2mm。

所述垂直阻隔部和所述修复功能部之间设有粘合层，粘合层将垂直阻隔部粘合固定于所述修复功能部的其中一无纺土工布的外侧。

所述粘合层为橡化沥青非固化防水涂料层。

所述垂直阻隔部为2mm~3mm厚的HDPE土工膜。

本发明还提供上述的具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障的制备方法，包括如下步骤：

1）修复功能材料的制备：取膨润土、凹土和纳米零价铁负载介孔材料混合，造粒，即得；

2）修复功能部的制备：在第一层无纺土工布上铺设修复功能材料形成修复功能材料层，然后在其上方再铺设第二层无纺土工布，然后利用无纺土工布的纤维通过针刺工艺使得第一层无纺土工布和第二层无纺土工布固定一起，而第一层无纺土工布和第二层无纺土工布中间夹设修复功能材料层；

3）垂直阻隔部的固定：首先将修复功能部平铺，然后在其一面喷涂粘结剂形成粘合层，将垂直阻隔部覆盖在粘合层上以固定。

具体地，首先将修复功能部平铺，然后将橡化沥青非固化防水涂料倒入料灌中加热，待涂料整体温度达到可喷涂状态时，用喷涂机将橡化沥青非固化防水涂料均匀地喷涂在无纺布上，喷涂完后30s内及时铺盖HDPE土工膜，确保修复功能部与HDPE土工膜的粘结性。

本发明还提供上述具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障的应用方法，包括如下步骤:

1）开槽：沿污染场地外围的位置垂直开槽，槽底开挖至地下不透水层，在垂直开槽的过程中采用泥浆护壁；

2）将具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障在所述垂直开槽的护壁泥浆中插入到所述垂直开槽中至槽底，其中修复功能部靠近受污染的一侧；

3）注浆：采用泵送方式将土和膨润土构成塑性泥浆注入槽底，覆盖至距所述具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障的底部1-2m处；

4）回填：向槽中回填砂土和粘土的其中之一或其混合物以移除护壁泥浆。

进一步优选地，所述修复功能材料的制备方法如下：(1)、Fe⁽⁰⁾/Al-SBA-15的制备包括如下步骤：、Al-SBA-15介孔材料制备。首先取P123和聚乙二醇4000溶解到的去离子水中，在40°C的水浴中搅拌溶解均匀，然后称取硝酸铝加入到上述溶液中溶解均匀，保持稳定不变，向上述溶液中加入正硅酸乙酯，在40°C的水浴中继续搅拌48h，然后将反应产物转移至反应釜，在一定温度下水热反应24h，最后抽滤、洗涤、烘干，并于650°C下以2°C/min的升温速率煅烧6h，获得Al-SBA-15介孔材料，其中P123、聚乙二醇4000、硝酸铝、正硅酸乙酯的质量比为：40:20:1:40。、Fe⁽⁰⁾/Al-SBA-15制备。首先将硫酸亚铁充分溶解到100mL乙醇水溶液，然后加入Al-SBA-15粉体于上述溶液中超声分散5min，完成后继续搅拌20h，然后转移至500mL的三口烧瓶中，通入氮气15min除去溶解氧；然后向上述溶液中加入聚乙二醇-4000，搅拌30min，用1M NaOH溶液将pH值调为6；最后，在不断揽拌下，用分液漏斗逐滴加入(1滴/秒)50mL硼氢化钾的水溶液，滴加完后再持续反应40min。其中硫酸亚铁、Al-SBA-15粉体、聚乙二醇-4000、硼氢化钾的质量比为4:4:1:2。反应后，待混合物沉到瓶底离心分离沉淀物，所得的沉淀物用脱氧去离子水和脱氧无水乙醇交替洗涤3次，于70°C在真空干燥箱烘干冷却得到Fe⁽⁰⁾/Al-SBA-15粉体。

本发明的具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障及制备方法具有如下积极效果：

(1)、采用介孔材料Al-SBA-15对纳米零价铁进行负载，利用介孔材料的纳米孔道限制效应避免纳米零价铁的团聚，降低纳米零价铁的表面能和表面氧化，提高反应活性；此外通过粉体造粒，可以有效减少纳米零价铁的流失。

(2)、采用修复功能部于HDPE土工膜复合，构建兼具修复和垂直阻隔功能的柔性屏障，可以较好的解决传统垂直防渗墙不具有修复功能，渗透反应墙不具备垂直阻隔功能的问题。

(3)、本发明具有施工简单，防渗效果好、修复功能好等优点。

附图说明

图1是本发明的一种具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障的横截面剖面示意图。

图2是本发明的一种具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障的修复功能部横截面剖面示意图。

具体实施例

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

结合图1、2所示，本发明的一种具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障，包括：

修复功能部1，如图1和图2所示，其由两层无纺土工布101、103夹设在两层无纺土工布之间的修复功能材料102构成；

垂直阻隔部3，如图1所示，其由HDPE土工膜构成，垂直阻隔部3固定于修复功能部1的其中一无纺土工布的外侧；

其中，修复功能部1与垂直阻隔部3通过橡化沥青非固化防水涂料2进行粘结，粘结的施工工艺为喷涂工艺。

具体地，本发明中所述无纺土工布为克重规格300g/m²或600g/m²的一种或其组合，聚酯型或聚丙烯型无纺土工布的一种或其组合；

具体地，本发明中所述修复功能材料是由膨润土、凹土、纳米零价铁负载介孔材料(Fe(0)/Al-SBA-15)组成。其中膨润土、凹土、纳米零价铁负载介孔材料的质量比为1~2:1~2:7，修复效果主要决定于米零价铁负载介孔材料的比例，质量份数为7时达到最优，份数太少修复效果太低，份数太大不能较好的造粒。膨润土和凹土的份数之和为3，通过片状膨润土和针状凹土复配，可以使颗粒具有较好的粘结强度。（优选为膨润土、凹土、纳米零价铁负载介孔材料的质量比为2:1:7，此时阻隔和修复功能达到最优），膨润土粒度为200目、凹土粒度为400目，通过粉体造粒而成，颗粒粒径为0.5-2mm。

具体地，本发明中所述土工膜为2mm或3mm厚的HDPE土工膜。

以下，具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障的具体制备方法对本发明进行说明：

(1)、制备Fe⁽⁰⁾/Al-SBA-15粉体。、首先制备Al-SBA-15介孔材料。称取50g 的P123和25g聚乙二醇4000溶解到100mL的去离子水中，在40°C的水浴中搅拌溶解均匀，然后称取1.25g硝酸铝加入到上述溶液中溶解均匀，保持稳定不变，向上述溶液中加入50g正硅酸乙酯，在40°C的水浴中继续搅拌48h，然后将反应产物转移至反应釜，在110℃下水热反应24h，最后抽滤、洗涤、烘干，并于650°C下以2°C/min的升温速率煅烧6h，获得Al-SBA-15介孔材料，其中P123、聚乙二醇4000、硝酸铝、正硅酸乙酯的质量比为：40:20:1:40。、制备Fe⁽⁰⁾/Al-SBA-15。将20g硫酸亚铁充分溶解到100mL乙醇水溶液，然后加入20g Al-SBA-15粉体于上述溶液中超声分散5min，完成后继续搅拌20h，然后转移至500mL的三口烧瓶中，通入氮气15min除去溶解氧；然后向上述溶液中加入5g聚乙二醇-4000，搅拌30min，用1M NaOH溶液将pH值调为6；最后，在不断揽拌下，用分液漏斗逐滴加入(1滴/秒)50mL硼氢化钾的水溶液(含10g硼氢化钾)，滴加完后再持续反应40min。其中硫酸亚铁、Al-SBA-15粉体、聚乙二醇-4000、硼氢化钾的质量比为4:4:1:2。反应后，待混合物沉到瓶底离心分离沉淀物，所得的沉淀物用脱氧去离子水和脱氧无水乙醇交替洗涤3次，于70°C在真空干燥箱烘干冷却得到Fe⁽⁰⁾/Al-SBA-15粉体，其中纳米零价铁的负载量为18%。

(2)、制备修复功能材料。按照膨润土、凹土、纳米零价铁负载介孔材料(Fe⁽⁰⁾/Al-SBA-15)的质量为1~2:1~2:7的比例称取各组分，其中膨润土粒度为200目、凹土粒度为400目。将各组分通过粉体造粒机制备修复功能材料颗粒，颗粒粒径为0.5-2mm。

(3)、制备修复功能部。在第一层无纺土工布上101铺设修复功能材料102，然后在其上方再铺设第二层无纺土工布103，然后针刺利用无纺布层的纤维使各层固定一起。本发明的第一层无纺土工布上101和第二层无纺土工布103优选为高强粗旦聚丙烯纺粘针刺土工布，其特点：具有强度高、耐酸碱腐蚀性强等优点，在污染场地中可以保持较高的强度。

(4)、制备具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障。首先将修复功能部1平铺，然后将橡化沥青非固化防水涂料2倒入料灌中加热，待涂料整体温度达到可喷涂状态时（150℃），用专用喷涂机将橡化沥青非固化防水涂料均匀地喷涂在无纺布上，喷涂完后30s内及时铺盖HDPE土工膜3，确保修复功能部于HDPE土工膜的粘结性。

以下，以一种具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障的一具体应用过程对本发明进行说明，应用方法包括如下步骤：

1）开槽：沿污染场地外围的位置垂直开槽（槽的一侧为污染区域10，另一侧为未污染区域20），槽底开挖至地下不透水层，在垂直开槽的过程中采用泥浆护壁；

2）用橡化沥青非固化防水涂料2将HDPE土工膜3与修复功能部1进行喷涂粘结，得到兼具修复与垂直阻隔功能的柔性屏障；

3）将步骤2）所得的兼具修复与垂直阻隔功能的柔性屏障在所述垂直开槽的护壁泥浆中插入到所述垂直开槽中至槽底，其中修复功能部靠近受污染的一侧；屏障安装时垂直阻隔部在污染区域外侧，内侧为修复功能部，污染物与修复功能部接触进行修复后，再由垂直阻隔部进行阻隔。

4）注浆：采用泵送方式将土和膨润土构成塑性泥浆4注入槽底覆盖至距所述具有修复与垂直阻隔功能的柔性屏障的底部1-2m处；

5）回填：向槽中回填砂土和粘土的其中之一或其混合物以移除护壁泥浆。

本发明与传统的方法相比，本发明采用介孔材料Al-SBA-15对纳米零价铁进行负载，利用介孔材料的纳米孔道限制效应避免纳米零价铁的团聚，降低纳米零价铁的表面能和表面氧化，提高反应活性；此外通过粉体造粒，可以有效减少纳米零价铁的流失。同时采用修复功能部于HDPE土工膜复合，构建兼具修复和垂直阻隔功能的柔性屏障，可以较好的解决传统垂直防渗墙不具有修复功能，渗透反应墙不具备垂直阻隔功能的问题。本发明具有施工简单，防渗效果好、修复功能好等优点。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。