东部沿海有咸区黏性原状土膜性能的试验研究

左文喆，徐叶净，王 英，李明彦，2

（1.河北联合大学 矿业工程学院，河北 唐山063009；2.河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山063000）

我国东部沿海地区由于第四纪的多次海侵，浅部第一和第二含水组普遍赋存着一层咸水。沿海地区水质特征总体呈上咸下淡的双层结构。多年开采地下淡水，使沿海地区深层淡水由顶托排泄转为接受上层咸水越流补给。在接受浅层咸水越流补给的条件下，咸水中的盐分是否会随越流整体下移，进而污染深层淡水资源。针对这一问题，国内研究多采用不同时期测井曲线的对比和常规水化学分析等方法。目前主要有两种观点：一种观点认为开采漏斗区浅层咸水向下越流，造成咸水整体下移［1－5］。另一种观点认为，沿海地区广泛存在的黏性土层有“滤盐”作用，可起到“膜”效应，水量以越流形式补给，但盐分并未随水流下渗，因此咸水底界没有大的下移［6］。本研究通过室内试验，对黏性原状土对盐分的截留性能进行了初步研究。

1 基本原理

盐分在黏性土中的越流迁移过程，应包括对流、弥散、吸附作用，以及可能存在的膜的化学渗透效应［7－8］等几种动力作用。对流及弥散理论已较成型，在水力梯度和浓度梯度的作用下，水及无机盐离子通过土体，在稳流状态下，无机盐离子的出流浓度呈S形增长，出水盐浓度总会与入流浓度达到一致。黏土颗粒表面一般带负电，能够吸附阳离子。当盐（以NaCl溶液为例）溶液流经黏土层时，在黏土表面发生离子交换吸附，Na＋交换原来吸附的阳离子，出流液体中含量会Na＋减少。但以目前的认识，黏性土交换吸附容量是相对固定的，当达到交换平衡时，出流液体中Na＋的浓度最终会达到与入流浓度的一致［9－10］。盐水通过黏土层的越流相当于膜分离过程中的反渗透过程。反渗透装置是在压力作用下，水克服化学渗透压，从浓度高的一侧到低的一侧，而水中的无机盐等离子则无法通过反渗透膜，从而使水和盐分离。黏性土如果起到膜的效应，膜的分离能力将使渗出液中盐离子的浓度小于入渗溶液的浓度，入渗溶液将被浓缩。本研究基于这些原理，开展了黏性土半透膜性能的验证试验。

2 试验及测试方法

咸水越流现象主要发生在我国东部沿海地区。因此，选择了唐山市滨海有咸区的黏性土体作为试验原材料。为确认试验结果的可重现性，后期又进行了淡水区黏性土和钠基蒙脱土的反渗透试验。

2.1 原状土的采样与物理指标

原状土样采集点（曹妃甸）地理位置为38°58.074′N，118°24.143′E，深度为65m。按土工试验规范，野外采样封存后带回试验室，室内及时拆封压入环刀，注意原状土样的顶底面。并测试原状土样的天然密度、含水率、土粒比重等参数，计算土样的孔隙比。原状土样相关参数详见表1。

表1 原状土样的主要物理参数

2.2 原状土的微观特征

原状土样的矿物组成采用X射线衍射测试（XRD）。试验条件为Cu靶，变波长，管压40kV，管流60mA，扫描步长0.02°／s，扫描范围为3°～70°。同时，进行了扫描电镜（SEM）及能谱分析试验。从电镜扫描图（SEM）图像及能谱分析，结合XRD测试结果，曹妃甸所采原状土样的主要矿物为石英、钠长石、伊利石和蒙皂石的混层、伊利石、绿泥石、云母和蒙脱石。黏土矿物含量不高，约为20%～30%。

原状土样的粒度组成采用激光粒度仪测试。由粒度分析结果可知，曹妃甸原状土样的粒度组成分散，分选不好。粒度均值22μm，中位数14μm。颗粒大小主要属粉砂及黏粒级，黏粒含量约25%，因此判断土样属于粉质黏土或黏质粉土。

原状土样的孔隙组成采用用AutoPore IV 9500型压汞仪测试。从图1可知，曹妃甸原状土样的孔隙直径分布范围较宽，大部分孔径在100～1 000nm之间，5～100nm的孔隙也占一定比例。平均孔径66 nm，孔径的中位数14nm，比表面积230m2／g。受压汞仪的测量范围影响，小于5nm的孔隙未能统计。

原状土中存在纳米级孔隙，而一般反渗透膜孔径小至纳米级。分析原状土中也具有类似反渗透膜的孔径。

图1 原状土样的孔隙组成

2.3 试验设备

试验装置主要由空压机、调压阀、气水交换器、一维固结渗透仪和加荷装置组成。气源为压缩空气，精密调压阀调节气压压力，采用气水交换方式提供渗透压力，试样采用渗透环刀结构。试样的尺寸Φ61.8 mm×40mm，渗透压力的范围0～200kPa。

2.4 原状土的渗透试验

将土样在真空饱和装置中抽气饱和13h。将饱和好的原状土样按规范装入一维固结渗透装置中。根据采样时土层深度，计算出原状土的自然固结压力，通过加荷装置进行固结，稳定后计算压缩量和新的孔隙比。用去离子水配制10g／L的盐水，装入气水交换器，记录刻度。将固结好的土样连接好，进行渗透试验。本试验采用的恒定的渗透压100kPa。

根据渗出流量，每3d定时测渗流量，检测渗出液中Cl－和Na＋浓度。Cl－的测定采用硝酸银滴定的方法，Na＋采用BWB-XP火焰光度计测定（3d的渗液量能满足Cl－和Na＋测试）。

3 结果及与分析

3.1 盐分的穿透曲线

安装调试好后，于2011年10月15日晚7时开始盐水的渗透试验，约12h后，渗出管中有液体渗出。由于渗出量较小，渗出液充满渗出管后，10月22日在收集量筒中才开始有渗出液累积。试验初期，对测试Cl－和Na＋所需的最少液体量尚未确定，因此，10月22至11月12日初始几个样品取样间隔较大，后调至每3d取一次样。为此，根据土样淡水渗透液的本底值、弥散系数和渗透系数，将穿透曲线初期几个值调整至3d间隔。待出水浓度C／C0达到1后，于2012年3月31日停止试验。试验监测的盐离子穿透曲线如图2所示。

图2 渗出液中Cl－和Na＋浓度穿透曲线

3.2 渗透系数

出水稳定后，土体的渗透流量在试验期内基本平稳，平均每天流量约为1.06ml。土体加压固结后的土柱高度约为3.65cm，固结压缩后土体的孔隙比为0.49，计算得出渗透系数为1.47E－09cm／s。

3.3 渗透过程中盐分运移分析

根据达西定律，计算盐离子随水流达到入水浓度（C／C0＝1）的时间约在105d。图2中时间与浓度比的关系曲线显示，在120d左右，盐离子穿透土体，达到与入水浓度的一致。说明渗透过程中，盐分的运移主要受弥散和对流作用影响，并随水流的运移穿透土体。盐分穿透土体过程中（剔除个别样品的测试误差），Na＋的浓度的变化趋势与Cl－基本保持一致。原状土样采自咸水赋存区域，土中Na＋的吸附应处于饱和状态。在10g／L的盐水渗过土体时，不存在Na＋的Ca2＋的交换吸附，因此Na＋的浓度随Cl－同步变化。综合以上分析可以判断，咸水越流经过吸附饱和的土体时，盐分的运移主要受弥散和对流作用影响，盐离子的运移曲线呈S形，并随对流达到与入水浓度的一致。

由图2可以看出，当出流浓度与入流浓度达到一致后，穿透曲线仍呈现出上升的趋势，为分析其原因，判断黏性土对盐分是否有截留作用，拆卸装置后，测试了气水交换器中剩余的入流液体的浓度，测得Cl－的C／C0约为1.10，测得Na＋的C／C0约为1.14。采集了土体入渗面上的液体，经测试Na＋的C／C0约为1.5。

入渗液的浓缩现象，证明原状土体对盐分起到了截留作用。按膜分离原理，表观截留率和实际截留率的表达式为［8］：

式中：Robs——表观截留率；Cp——出流液的浓度；Cb——入流液的初始浓度；Rint——膜的实际截留率；Cm——膜表面的极化浓度。

试验结束时，根据公式计算原状土对盐分的截留能力，Robs为0.09，Rint为0.33。试验结束时，出流液浓度仍达原入流液浓度，但入流料液的浓缩，仍表明原状土起到一定的膜效应，但黏土膜效应对溶质的分离能力并不强。入渗装置气水交换器是完全密封的（否则在该装置内不可能将气体压力转换到入渗液体），因此，在长时间入渗的状态下，不存在入渗液的蒸发问题，入渗液的浓缩是黏性土膜性能对盐分的截留所致。后续采集淡水赋存区的黏性土、钠基蒙脱土又进行了一系列反渗透试验，均出现入渗溶液Cl－和Na＋同时浓缩的现象。说明这一试验结果是可重现的。

3.4 膜效应的可能性分析

海水淡化反渗透膜上的微孔孔径一般为纳米级，在一定的压力下，水分子可以通过反渗透膜，而水溶液中的无机盐、胶体、细菌等杂质无法通过RO膜，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水区分开来。无机盐离子的直径仅为0.1～0.3nm，水合盐离子的直径为0.3～0.6nm，明显小于孔径，无法用筛分原理来解释反渗透膜的分离现象。通常用Sourirajan提出的优先吸附—毛细管流动模型来解释非荷电膜的分离；荷电膜分离机理着重考虑的是膜与分离对象之间的Donnan效应。其分离原理，除了中性膜的基于孔径大小的物理筛分之外，还有着独特的静电吸附和排斥作用，Donnan位差阻止了同电荷离子从主体溶液向黏土层内的扩散，为了保持电中性，反离子也被膜截留，从而起过滤盐分的作用［11－15］。因此，滤盐作用的大小，与黏粒含量、黏粒的带电强弱及土体内的孔隙大小有关。测试结果显示，曹妃甸区所采原状土样的黏土矿物，主要伊利石和蒙皂石的混层。在碱性条件下带负电。具荷电膜的性质。

压汞法测试的曹妃甸原状土样的孔隙直径多在100～1 000nm之间，小于5nm的孔隙应方法所限未能统计，其含量极少，因此，原状土虽表现出对溶质的选择性分离效应，但起到反渗膜滤盐作用的孔隙极少，滤盐作用并不明显。

4 结论

原状土渗透试验中，在土体的入渗面上形成高浓度区，入渗液的浓缩现象，说明原状土体存在一定的膜效应。原状土的粒度组成、纳米级孔隙的存在及黏粒成分的带电性，是黏性土具有一定膜效应的组构特征。但在反渗透过程中，由于浓差极化现象，使入渗液浓度增大，渗出液并不能明显淡化。从目前的试验结果分析，东部沿海有咸区开采地下淡水，在接受上层咸水越流补给补给时，咸水中的盐分应会随越流整体下移，只是由于水力梯度较小，下移速度并不明显。

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