考虑温度和固定电荷密度影响的膨润土缓冲屏障半透膜特性研究

水利、环境和公共设施管理业

（1）研制了温控膨润土半透膜特性测试系统，开展了不同固定电荷密度、不同温度、不同离子混合比条件下的半透膜特性试验。揭示了不同固定电荷密度、不同温度、不同离子混合比条件下膨润土的半透膜特性演化规律。（2）考虑了温度和黏土固定电荷密度的影响，推导得到了黏土屏障真实离子浓度，建立了考虑温度和固定电荷密度影响的黏土屏障半透膜特性理论模型。（3）应用研究内容（2）建立的理论表达式，对黏土缓冲屏障的化-水-力耦合特性进行了数值分析，揭示了温度和固定电荷密度对黏土缓冲屏障性能的影响。数值分析结果表明，更大固定电荷密度的膨润土阻隔屏障具有更强的离子阻隔能力，温度也是影响膨润土缓冲屏障的一个重要影响因素。

（1）期望与岩土工程实验设备生产商合作，将本项目成果中的黏土半透膜特性测试仪量产并实现商业化；（2）期望与岩土工程有限元软件开发企业合作，将本研究成果中的半透膜理论表达式和黏土屏障化-水-力耦合数值分析程序商业化；（3）期待与环境岩土相关工程企业合作，将研究成果应用于环境岩土工程中。

可国（境）内外转让

所研制的半透膜特性仪器已经申请国家发明专利，可实现商业化生产并推广至环境岩土工程领域应用。所建立的膨润土缓冲屏障化-水-力耦合数值分析模型也可推广至环境岩土工程领域应用，如填埋场阻隔屏障、污染阻隔屏障、核废料处置库膨润土缓冲屏障设计。即，研究成果能够为解决环境污染问题提供理论支撑与技术支持。因此，本研究成果具有一定的经济价值。

北京市自然科学基金青年项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

垃圾填埋场、核废料深部地质处置库等环境岩土工程中，需要设置膨润土缓冲屏障来阻滞溶液中离子的通过。击实膨润土对溶液中离子通过的阻滞作用，称之为“半透膜”特性。膨润土阻隔屏障在运行过程中，会受到外荷载作用的影响，导致其矿物表面的固定负电荷密度增大；环境的温度也会对击实膨润土的半透膜特性产生影响。本项目对考虑温度和固定电荷密度的膨润土的半透膜特性进行了研究，主要研究成果如下： （1）温控黏土半透膜特性测试系统的研制与半透膜特性演化规律研究 研制了温控膨润土半透膜特性测试系统，开展了不同固定电荷密度、不同温度、不同离子混合比条件下的半透膜特性试验。揭示了不同固定电荷密度、不同温度、不同离子混合比条件下膨润土的半透膜特性演化规律。试验结果表明，半透膜特性随着固定电荷密度的增加而增强；随着温度的增加，膨润土的半透膜特性减弱；多离子情况下，离子混合比影响膨润土的半透膜特性。 （2）考虑温度和固定电荷密度影响的黏土半透膜特性理论 考虑了温度和黏土固定电荷密度的影响，推导得到了黏土屏障真实离子浓度，计算得到黏土屏障顶部和底部真实化学渗透压。进而通过理论化学渗透压力差和测量化学渗透压力差的比值，建立了考虑温度和固定电荷密度影响的黏土屏障半透膜特性理论模型。 （3）黏土缓冲屏障的化-水-力耦合特性数值分析 应用研究内容（2）建立的理论表达式，对黏土缓冲屏障的化-水-力耦合特性进行了数值分析，揭示了温度和固定电荷密度对黏土缓冲屏障性能的影响。膨润土缓冲屏障的化-水-力耦合数值分析结果表明，更大固定电荷密度的膨润土阻隔屏障具有更强的离子阻隔能力，温度也是影响膨润土缓冲屏障的一个重要影响因素。