使用改进的双储液池扩散室实验评估添加膨胀粘土的屏障中的扩散现象

《Applied Clay Science》：Evaluating diffusion in swelling clay-amended barriers using modified double reservoir diffusion chamber experiments

膨润土改性材料在无约束膨胀条件下的有效扩散系数及孔隙结构演化规律研究。通过四种材料（NsB30、SaB30、FaB30、SiB30）的扩散试验和微观分析，发现肿胀显著改变孔隙连通性，导致非菲克扩散行为，扩散系数范围1.10×10??～8.07×10?? cm2/s，并揭示材料肿胀特性与扩散机制的关联。

　　

埃克塔·乔杜里（Ekta Chaudhary）|迪帕克·斯瓦米（Deepak Swami）|尼廷·乔希（Nitin Joshi）|克里希纳·R·雷迪（Krishna R. Reddy）

印度理工学院曼迪分校（Indian Institute of Technology, Mandi）土木与环境工程学院，喜马偕尔邦175005，印度

摘要

在废物处置场（如垃圾填埋场、尾矿池和灰烬池）下方，广泛使用改良粘土制成的屏障来防止污染物扩散并保护地下环境。这些屏障的低水力传导性限制了由水力梯度驱动的对流传输，使得扩散成为污染物迁移的主要机制。在扩散模型中，人们常常忽略粘土膨胀的影响；然而，粘土膨胀会改变孔隙结构，从而影响传输过程。为了解决这个问题，研究人员在四种改良粘土屏障（NsB30、SaB30、FaB30和SiB30）中测量了氯化物的有效扩散系数（D*），这些屏障分别通过添加30%的膨润土（B）与壤土（Ns）、河沙（Sa）、粉煤灰（Fa）和冲积淤泥（Si）制备而成。研究评估了粘土膨胀对扩散特性、孔隙迂曲度、水力行为和孔隙率变化的影响。半对数尺度上的突破曲线显示了多个斜率转变和拐点，表明扩散过程是非菲克（non-Fickian）的，并且受时间影响。估计的有效扩散系数范围为1.10 × 10^?5至8.07 × 10^?8 cm²/s，表明不同屏障材料之间的扩散传输存在显著差异。实验过程中，各种材料的膨胀程度不同，其中SiB30的膨胀率最高（125%），其次是NsB30（100%）、SaB30（20%）和FaB30（15%）。扫描电子显微镜观察发现，扩散测试后孔隙连通性和迂曲度发生了变化，这归因于粘土膨胀。研究表明，粘土膨胀会影响改良粘土屏障的物理结构和扩散传输特性。这些发现为设计适用于实际应用的可持续改良粘土屏障提供了宝贵指导。

引言

废物储存系统中的污染物迁移对地下环境和人类健康构成重大风险（Christensen等人，2020年；Gupt等人，2021年）。为了降低这些风险，通常在这些储存设施下方安装低渗透性的工程屏障来限制污染物迁移（Chen等人，2015年；Srikanth和Mishra，2016年；Ni等人，2024年）。这些由压实粘土或改良粘土材料制成的屏障减少了对流传输，使得扩散成为决定其长期性能的主要机制（Booker等人，1997年；Lange等人，2009年；Shackelford，2014年）。扩散是指溶质分子仅受浓度梯度驱动从高浓度区域向低浓度区域迁移的过程（Sharma和Reddy，2004年；Shackelford，2014年）。通常认为这一过程遵循菲克定律，该定律通过扩散系数将溶质传输与浓度梯度联系起来。然而，在低渗透性多孔介质中，扩散系数受多种因素影响，例如粘土矿物组成、孔隙率、孔隙迂曲度以及溶质与土壤基质之间的物理化学相互作用，从而导致非菲克扩散现象（Krol和Rowe，2004年；Rowe，2013年；Malusis等人，2015年；Sharma等人，2021年；Chaudhary等人，2024年）。

扩散系数可以通过实验和数值方法确定。实验方法包括传统的双储液池扩散室（DRDC）（Crooks和Quigley，1984年；Gillham等人，1984年；Headley等人，2001年；Rosanne等人，2003年；De Soto等人，2012年；Shackelford等人，2016年；Fu等人，2021年）和透析渗滤试验（DLT）（Shackelford等人，2016年；Scalia等人，2018年；Tong等人，2021年；Adeleke等人，2023年）。DRDC通过在无流动条件下监测两个不同浓度储液池之间的饱和土壤样品中的溶质传输来确定扩散系数（Lekhov等人，2021年；Ni等人，2024年）。DLT是一种快速的实验室方法，将土壤样品封装在半透膜中并浸入去离子水中，随时间监测溶质向周围溶液的扩散情况，并分析浓度分布以评估扩散系数（Sample-Lord等人，2024年）。数值方法通过定义边界条件来模拟实验数据以估算扩散系数（Harte等人，2006年；Xie等人，2013年；Bayesteh和Mirghasemi，2015年；Carey等人，2016年；Yan等人，2021年；Sadeghi和Hedayati-Azar，2023年）。

传统的DRDC方法能够有效考虑多孔介质的迂曲度和孔隙率。然而，这些方法耗时较长，需要复杂的实验准备，并且在实验过程中维持稳定边界条件存在挑战（Sample-Lord和Shackelford，2016年；Fu等人，2021年；Lekhov等人，2021年；Ni等人，2024年）。此外，这些试验在受限条件下进行，忽略了粘土膨胀对扩散传输的影响（Ayral-Cinar和Demond，2017年；Assaad等人，2021年）。为克服DRDC的局限性，人们采用了DLT方法，它具有更短的测试时间、简化的程序和对边界条件的更好控制（Sample-Lord和Shackelford，2016年；Adeleke等人，2023年；Sample-Lord等人，2024年）。这些试验在无约束条件下进行，允许膨润土膨胀；然而，在估算扩散系数时并未考虑膨胀后的样品（Sample-Lord等人，2021年；Tong等人，2021年）。虽然DLT方法有助于快速估算扩散特性，但它们无法模拟实际现场条件，因为试验是在无覆盖压力、水下环境中进行的，且持续时间较短（Sample-Lord等人，2021年；Tong等人，2021年；Adeleke等人，2023年；Sample-Lord等人，2024年）。尽管DRDC和DLT方法各有优势，但它们在估算扩散系数方面的固有限制，因此需要精心设计实验以探索具有代表性的现场条件。

在实际现场条件下，改良粘土屏障可能会因水合作用和渗透压梯度而发生膨胀，导致水分渗入粘土层后体积膨胀（Sedighi和Thomas，2014年；Shackelford等人，2016年；Assaad等人，2021年；Hedayati等人，2025年）。膨胀会改变水力特性（如孔隙率、孔隙迂曲度和连通孔隙空间）以及传输特性（如流体流动和扩散动力学）（Sridharan和Gurtug，2004年；Suzuki等人，2008年；Mishra等人，2011年；Dutta和Mishra，2015年；Chavali等人，2017年）。这种耦合的氢化-化学相互作用表现为突破曲线的异常变化，导致非菲克扩散现象。例如，Adeleke等人（2023年）报告称，由于渗透膨胀引起的微观结构变化，扩散系数随CaCl₂浓度的增加而增加。类似地，Shackelford等人（2016年）观察到Cl^?和K⁺的扩散系数随盐浓度的增加而增加，表明离子浓度与扩散速率之间存在强相关性。Tong等人（2021年）报告称，在高CaCl₂浓度溶液中，聚合物改性的膨润土的扩散系数显著降低。改良粘土屏障中的扩散不仅受浓度梯度影响，还受孔隙结构、矿物组成和物理化学相互作用的影响（Mendes等人，2014年）。这些屏障的膨胀会改变其物理性质，可能影响扩散过程；然而，这些影响尚未得到系统研究（Lake和Rowe，2000年；Saheli和Rowe，2016年；Rowe等人，2023年；Barakat等人，2024年）。

因此，本研究旨在通过改进的双储液池扩散室（MDRDC）实验，在无约束膨胀条件下确定改良粘土屏障的有效扩散系数（D*），以填补这一研究空白。研究假设纳入膨胀效应将有助于更深入地了解改良粘土屏障的扩散行为。研究的主要目标是：（i）在无约束膨胀条件下进行扩散实验，以确定选定改良粘土屏障的扩散特性、孔隙迂曲度和水力特性；（ii）评估实验过程中的孔隙率变化；（iii）利用实验数据估算D*值；（iv）通过SEM-EDS分析将研究结果与微观结构特征进行关联。总体而言，本研究加深了对膨胀粘土屏障中扩散现象的理解，并有助于改进废物管理和环境保护用屏障的设计和长期性能评估。

部分内容片段

屏障材料

本研究考虑了四种不同的材料：粉煤灰（Fa）、冲积淤泥（Si）、河沙（Sa）和当地可获得的壤土（Ns）。壤土（Ns）取自印度理工学院曼迪分校附近，河沙取自比斯河（Beas River）河岸。粉煤灰和冲积淤泥是水电和热电厂的副产品，也评估了它们作为屏障材料的适用性。所有材料均用去离子水（DI water）彻底清洗，以去除杂质。

自由膨胀指数

图2（a）显示了膨润土在去离子水和浓度为100、250、500、750和1000 ppm的NaCl溶液中的自由膨胀指数（FSI）值。膨润土在去离子水中的FSI值为30 mL/2 g，在100 ppm NaCl溶液中的FSI值增加到35 mL/2 g。当暴露于250、500、750和1000 ppm NaCl溶液时，膨润土的FSI值分别为40、43、47和50 mL/2 g。尽管通常预期膨胀会随着离子强度的增加而减小，但观察到的膨胀趋势与之相反。

结论

本研究进行了详细的实验研究，以表征改良粘土屏障的扩散行为。使用NaCl溶液在无约束膨胀条件下对四种材料（NsB30、FaB30、SiB30和SaB30）进行了扩散实验，以确定其有效扩散系数。实验研究还结合了自由膨胀测试、水力传导率测量和SEM-EDS分析，从而进行了全面评估。

CRediT作者贡献声明

埃克塔·乔杜里（Ekta Chaudhary）：撰写——原始草稿、方法论、数据分析、正式分析、数据整理、概念构思。迪帕克·斯瓦米（Deepak Swami）：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、软件使用、资源管理、方法论、概念构思。尼廷·乔希（Nitin Joshi）：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、概念构思。克里希纳·R·雷迪（Krishna R. Reddy）：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、概念构思。

资金支持

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。