高庙子膨润土的水理性能.doc

高庙子膨润土的水理性能 摘要：缓冲-回填材料是高放废物地质处置库多重屏障系统重要组成部分,经过全国范围内的比较和筛选，内蒙古兴河县高庙子膨润土矿床被确定为我国高放废物处置库缓冲材料的首选矿床。针对缓冲回填材料的性能要求，对内蒙古高庙子膨润土的水理性质进行了系统的实验研究。通过与其它各地的膨润土的水理性能比较，内蒙古高庙子膨润土在水中具有良好的膨胀性、分散性和水化能力。 关键字：高能废物;地质处置库；缓冲回填材料；水理性能 1 前言 高放废物的安全处置是一个世界性的科学与技术难题, 是一个与核安全同等重要的问题, 也是关系到我国国防军工和核能工业可持续发展、国土环境和公众安全的重要而紧迫的重大课题。当前, 我国已经开展了高放废物地质处置选址和场址评价、处置工程和工程材料等重大科学问题的研究。 图1 　高放废物深地质处置库多重屏障系统示意图 1.1高庙子钠基膨润土的物质组成 蒙脱石是TOT型二八面体层状结构硅酸盐矿物，结构层为两层硅氧四面体片夹一层Al-O(OH)八面体片配合而成。硅氧四面体片和八面体片的厚度均为0.22 nm士，所构成的结构层约0.66nm士(图1)。层间域与水化阳离子层的厚度约0.60 nm士(钠蒙脱石)和0.8 9n m士(钙蒙脱石)。每一结蒙脱 石 是 TOT型二八面体层状结构硅酸盐矿物，结构层为两层硅氧四面体片夹一层Al-O(OH)八面体片配合而成。硅氧四面体片和八面体片的厚度均为0.22 n m士，所构成的结构层约0.66构层与层间域(含水化阳离子层)构成一重复周期，这一重复周期即为蒙脱石的结构单元层(图2)，厚度为1.25 nm(钠蒙脱石)～l.5 nm(钙蒙脱石)。结构层内为共价键与离子键联结，结构联结紧密，结构层之间为弱的离子键和氢键相联结。结构层间具有可交换的水化阳离子层，其中的水分子可被其他与水分子类似的极性分子如有机极性分子所交换，而阳离子可被无机或有机阳离子所交换。因而蒙脱石可通过钠化及有机化处理达到使蒙脱石结构分散剥离的目的。 图 1 钠蒙脱石的结构层 图 2 钠蒙脱石的结构单元层 1.2高庙子钠基膨润土的微观结构模型 关于膨润土的微观结构,已有较多研究. 饱和膨润土的微观结构模型膨润土中存在蒙脱石颗粒(及其他黏土颗粒和非黏土颗粒)和胶体2种颗粒，粒内孔隙(interparticle pore)和粒间孔隙(intraparticle pore or interlayer pore)2 种孔隙。蒙脱石颗粒(水化固体,hydrated solid)与粒内孔隙相关，粒内孔隙存在于蒙脱石颗粒当中；胶体(Gel)与粒间孔隙相关，粒间孔隙存在于胶体当中,或称粒间孔隙中由胶体填充。 胶体(Gel)是单个的蒙脱石片。根据扩散双电层理论，随着与蒙脱石片距离的增加，依次存在的是Stern 层、扩散层,Stern 层和扩散层中存在结合水，扩散层以外存在自由水。存在于胶体中的自由水即为扩散层以外的自由水。蒙脱石颗粒中存在的粒内孔隙中只有结合水,没有自由水。 2 实验部分 膨润土的水理性质包括胶质价、膨润值和膨胀容。其中，膨润土的胶质价是其分散性、亲水性和膨胀性的综合表现，显示试样颗粒分散和水化的程度。膨润值反映膨润土遇水膨胀和分散悬浮的性能。而膨润土与水混合后再与盐酸溶液混合，膨胀后所占有的体积为膨胀容。胶质价和膨润值、膨胀容均与膨润土的属性及蒙脱石含量有密切关系，所以膨胀容、膨润值和胶质价均是鉴定膨润土属性和评价膨润土质量的重要技术指标。本文实验部分测定高庙子膨润土的胶质价、膨润值、膨胀容、PH 以及含水率。 2．1 实验仪器及实验药品 500 ml 量筒、100 ml带塞量筒、电子天平、烧杯、烘箱、PH试纸 氧化镁、1 mol/L 盐酸、0.5 mol/L 氯化钙溶液、高庙子膨润土、蒸馏水 2.2 实验方法 2.2.1胶质价 称取15.00 g试样置于盛有50.00～60.00ml水的量筒中，然后加入至90.00ml左右，摇晃5 min使试样分散开与水混匀。加入1.00g氧化镁，加水至刻度，摇晃3min后，静置24h，读取凝胶体界面的刻度值即为胶质价，单位ml/g。 2.2.2 膨胀容 1.00 g试样置于已盛有30.00～40.00ml蒸馏水的带塞量筒中，加水至75.00ml，摇晃3 min，使试样充分分散开与水混匀。加1mol/L盐酸25.00ml，摇1min后，静置24 h，读出沉淀物界面的刻度值，即为膨胀容，单位ml/g。 2.2.3 膨润值 称取3.00 g试样置于盛有40.00～50.00 ml水的量筒中，然后加水至60.00 ml 左右，摇晃5min 使试