ベントナイトを混合した黄土ライナーの不透水性に関する実験的研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8740 (2023) この記事を引用

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この記事に対する著者の訂正は 2023 年 6 月 27 日に公開されました

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浸透性試験は、固形廃棄物埋め立て地のライニング材としての黄土の浸透性能に対するベントナイト-HDTMA (臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム) の影響を研究するために、柔軟な壁浸透計を使用して実行されます。 結果は、中国の黄河の中下流域にある圧縮黄土の不透水性が、埋め立てライナーとしての標準要件を満たしていないことを示しています。 ベントナイト比率10％以上を混合した黄土の透水性は1.0×10−7cm・s−1未満となります。 黄土の透過性は、少量の HDTMA を混合するとわずかに増加します。 ベントナイトと HDTMA の比率を混合した黄土の不浸透性は、依然として標準要件を満たしています。 HDTMA は土壌凝集構造を破壊し、土壌浸透経路を増加させる可能性があります。 SEM は、ベントナイト粘土粒子が黄土粗粒子間の細孔を充填し、材料の不浸透性能を向上させることができることを示しています。 デジタル写真は、HDTMA が湿潤乾燥サイクルによって誘発される土壌のマクロ亀裂の発生に効果的に抵抗し、ライナーが良好な不浸透性を維持できることを示しています。 これに基づいて,ベントナイト-HDTMA改質黄土の透水係数と乾燥密度との関係を構築した。 この研究から、黄土は、ベントナイト/HDTMA と 10%/0% または 14%/2% の比率で混合すると、埋め立て地のライニング材として使用できることがわかりました。

衛生埋立処分は、固形廃棄物（一般産業廃棄物および家庭廃棄物）の最終処分方法の一つです。 埋め立て地には、重金属や有機化合物などの汚染物質を生活環境から遮断するために内張りが必要です。 伝統的に、粘土は廃棄物処理のライニング材として使用されています1,2。 黄土は、中国の黄河中下流域、アメリカのミズーリ・ミシシッピ川沿いの大平原や中央低地、アルプスの麓や下山帯付近など、さまざまな地域に広く分布しています。そしてヨーロッパのカルパティア山脈では、同時に粘土が不足しています。 ただし、圧縮後の黄土の透水係数は、規格で指定されている上限を超える場合があります1、3。

黄土の透過性は、乾燥密度、イオン濃度、温度などのさまざまな要因によって影響されます。 乾燥密度が 1.45 g・cm-3 以上のサンプルでは、​​化学反応により浸透中に細孔が拡大します 4,5。 黄土の透過性は、CaCl2 溶液の濃度に影響されます。 CaCl2 の濃度は粒子の凝集と細孔構造の発達に影響を与え、粒子の崩壊を引き起こします6。 透過性は、10 °C および 20 °C では温度とともに増加しますが、30 °C では減少します5。 そして、試験結果は、黄土の透水性が1.0×10−7 cm・s−1以上であることを示した。

研究では、埋め立て地のライニング材としてベントナイト改質黄土の使用が検討されています。 Zhang et al.7 と Xi8 は、黄河中流域と下流域の黄土をベントナイト比率 14% と 4% で混合し、改質黄土の透水係数は 1.0 × 10−7 以下であった。 cm・s−1。 Liu et al.9 は、中国北部の黄土に 6% ～ 7% のベントナイトを混合しており、混合物の透水係数は 9.0 × 10−8 cm・s−1 です。 ほとんどの試験結果は、ベントナイト比率が約 15% の場合、外国の改質土の透水係数が 10−7 cm・s−1 未満であることを示しています10,11,12。 つまり、ベントナイトで改質された黄土は不透水性の要件を満たすことができます。

しかし、純粋な黄土またはベントナイトで改質された黄土は、特定の汚染物質に対する吸着能力が限られています。 バッチテストでは、HDTMA (臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム) が一部の重金属および有機汚染物質の吸着性能を大幅に向上させることができることが示されています13、14、15。その化学構造は図 1 に示されています。HDTMA は陽イオン性界面活性剤であり、正に帯電しています。水に溶かしたとき。 HDTMA は粘土鉱物の表面に吸着し、交換吸着および非交換吸着によって汚染物質と反応し 16,17 、汚染物質を吸着または固定化する効果が得られます。 環境科学の観点から、ベントナイト-HDTMA改質黄土を固形廃棄物埋め立て地のライニング材として使用することが可能です。 一方、ライナーの湿潤・乾燥サイクル現象は一般的に起こり、遮水性能に関係する亀裂の増加につながる可能性があります18。