Studio sperimentale sull'impermeabilità del liner Loess miscelato con bentonite

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8740 (2023) Citare questo articolo

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Una correzione dell'autore a questo articolo è stata pubblicata il 27 giugno 2023

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I test di permeabilità vengono eseguiti utilizzando il permeametro a parete flessibile per studiare l'influenza della bentonite-HDTMA (esadecil trimetil ammonio bromuro) sulle prestazioni di permeabilità del Loess come materiale di rivestimento nella discarica per rifiuti solidi. I risultati mostrano che l'impermeabilità del Loess compattato nel corso medio e inferiore del Fiume Giallo in Cina non soddisfa i requisiti standard del rivestimento della discarica. La permeabilità del Loess miscelato con una percentuale di bentonite superiore al 10% è inferiore a 1,0 × 10−7 cm·s−1. La permeabilità del Loess aumenta leggermente dopo aver miscelato una piccola quantità di HDTMA. L'impermeabilità del Loess miscelato con un certo rapporto bentonite-HDTMA soddisfa ancora i requisiti standard. L'HDTMA può distruggere la struttura aggregata del suolo e aumentare il canale del permeato del suolo. I SEM mostrano che le particelle di argilla bentonitica possono riempire i pori tra le particelle grossolane di Loess e migliorare le prestazioni di impermeabilità del materiale. Le foto digitali mostrano che l'HDTMA può resistere efficacemente allo sviluppo di macrofessure del terreno indotte dai cicli di bagnatura-asciugatura, favorendo il mantenimento di una buona impermeabilità del liner. Su questa base viene costruita la relazione tra la conduttività idraulica del Loess modificato con bentonite-HDTMA e la densità secca. Da questo studio, il Loess può essere utilizzato come materiale di rivestimento per le discariche, se miscelato con bentonite/HDTMA in rapporti del 10%/0% o 14%/2%.

La discarica sanitaria è uno dei metodi di smaltimento finale dei rifiuti solidi (rifiuti solidi industriali generali e rifiuti domestici). La discarica deve essere rivestita per intercettare gli inquinanti, compresi i metalli pesanti e i composti organici, provenienti dall'ambiente di vita. Tradizionalmente l'argilla viene utilizzata come materiale di rivestimento per lo smaltimento dei rifiuti1,2. Il Loess è ampiamente distribuito in varie regioni come il corso medio e inferiore del fiume Giallo in Cina, le grandi pianure e la pianura centrale lungo il fiume Missouri-Mississippi in America e le aree vicino alle colline pedemontane e alla fascia montuosa inferiore delle Alpi. e i Carpazi in Europa, dove allo stesso tempo manca l'argilla. Tuttavia, la conduttività idraulica del Loess dopo la compattazione può superare il limite superiore specificato nella norma1,3.

La permeabilità del Loess è influenzata da vari fattori come densità secca, concentrazione di ioni, temperatura e così via. I campioni con densità secca pari o superiore a 1,45 g·cm−3 subiscono un allargamento dei pori durante l'infiltrazione a causa di reazioni chimiche4,5. La permeabilità del Loess è sensibile alle concentrazioni delle soluzioni di CaCl2. La concentrazione di CaCl2 influenza la flocculazione delle particelle e lo sviluppo della struttura dei pori, provocandone la disintegrazione6. La permeabilità aumenta con la temperatura a 10 °C e 20 °C, ma diminuisce a 30 °C5. E i risultati del test mostrano che la permeabilità di Loess è superiore a 1,0 × 10−7 cm·s−1.

Gli studi hanno esplorato l'uso del Loess modificato con bentonite come materiale di rivestimento per le discariche. Zhang et al.7 e Xi8 hanno mescolato il Loess nel corso medio e inferiore del Fiume Giallo con rapporti di bentonite del 14% e 4% e la conduttività idraulica del loess modificato è inferiore o nell'ordine di 1,0 × 10−7 cm·s−1. Liu et al.9 mescolano dal 6% al 7% di bentonite nel Loess nel nord della Cina e la conduttività idraulica della miscela è 9,0 × 10−8 cm·s−1. La maggior parte dei risultati dei test mostrano che la conduttività idraulica del suolo modificato in altri paesi è inferiore a 10−7 cm·s−1 quando il rapporto di bentonite è intorno al 15%10,11,12. Cioè, il Loess modificato dalla bentonite può soddisfare i requisiti di impermeabilità.

Tuttavia, il Loess puro o il Loess modificato con bentonite hanno una capacità di assorbimento limitata per alcuni inquinanti. Il test batch mostra che l'HDTMA (esadeciltrimetilammonio bromuro) può migliorare significativamente le prestazioni di adsorbimento di alcuni metalli pesanti e inquinanti organici13,14,15, la sua struttura chimica è mostrata in Fig. 1. L'HDTMA è un tensioattivo cationico, caricato positivamente quando sciolto in acqua. L'HDTMA può essere adsorbito sulla superficie del minerale argilloso e reagire con l'inquinante attraverso l'adsorbimento con scambio e l'adsorbimento senza scambio16,17, in modo da ottenere l'effetto di adsorbimento o immobilizzazione dell'inquinante. Dal punto di vista della scienza ambientale, è possibile utilizzare Loess modificato con bentonite-HDTMA come materiale di rivestimento per discariche di rifiuti solidi. Nel frattempo, il fenomeno del ciclo di bagnatura-asciugatura nel rivestimento si verifica comunemente, il che può portare ad un aumento delle fessurazioni legate alle prestazioni di impermeabilità18.