红黏土-膨润土工程屏障对重金属污染物的阻滞特性与自修复机制

The purpose of this project is to investigate the retention property and self-healing mechanism of an engineered barrier, which is constructed by laterite-bentonite mixture, for blocking-up migration of heavy metal contaminants with consideration of chemo-hydraulic coupling effects. For these purposes, the adsorption/desorption tests, infiltration and migration tests, soil chemical compatibility tests, soil self-healing tests will be conducted. Then, the heavy metal contaminants retention characteristics and physical-chemical self-healing mechanisms of laterite-bentonite engineered barrier with consideration of chemo-hydraulic coupling effects will be explored. Based on theoretical analyses and numerical calculations, groundwater flow and heavy metal contaminants migration/transformation models will be established. Meanwhile, the long-term chemical compatibility of engineered barrier materials will be analyzed and the self-healing properties of laterite-bentonite mixture will be discussed. According to the concept of "Retention and self-healing", a method will be proposed for long-term safety evaluation of engineered barrier system. The research results expected in this project will effectively promote the interdisciplinary developments among Geological Engineering, Environmental Science, Chemistry and Materials Science, etc. This project is proposed to provide a theoretical basis for the design, construction and maintenance of the engineered barrier system. Moreover, this research has great academic and practical significances for control and remediate heavy metal contaminated soil or groundwater in China.

本项目拟以考虑化-渗耦合作用的、红黏土-膨润土工程屏障对重金属污染物的迁移阻滞特性，以及工程屏障系统的自修复机制为研究目标，通过开展吸附/解吸附、渗透和迁移、土体材料化学相容性和土体自愈性等试验，揭示化-渗耦合作用下、工程屏障对重金属污染物的阻滞特性及物化自修复机理；结合理论分析和数值计算，建立基于化-渗耦合作用的土体渗透及污染物迁移转化模型；分析工程屏障材料的长期化学相容性，探讨红黏土-膨润土混合土体的自愈性特征；基于“阻滞-自修复”的理念，提出工程屏障系统长期安全性能的评价方法。预期研究成果对于促进地质工程、环境科学、化学和材料科学等学科交叉，指导我国重金属污染场地中工程屏障系统的设计、施工和维护，实现土壤和地下水重金属污染的防治等均具有重要的学术意义和工程实践价值。

近年来，工业化和城市化的不断推进和经济社会的快速发展，致使土壤-地下水污染负荷加重，严重阻碍了我国经济社会的可持续发展和人民的健康安全。工程屏障的设置是防止或减缓重金属污染物扩散的最关键措施之一。土-膨润土竖向工程屏障已被广泛应用于污染场地修复领域。针对重金属污染场地复杂水化环境对黏土类工程屏障长期阻滞性能的影响，充分利用膨润土、红黏土各自优势工程性能，以红黏土-膨润土混合土为研究对象，开展试验研究、理论研究和数值模拟分析，得到了红黏土、膨润土对重金属离子的吸附量、影响吸附的因素和吸附模型；分析了不同干密度、不同膨润土掺入比、化学溶液浓度对红黏土-膨润土混合土样渗透系数的影响；发现了化学溶液入渗下压实混合土样化学软化现象；通过获取重金属离子在土样中的击穿曲线得到了阻滞因子与弥散系数，从而揭示了化-渗耦合作用下、工程屏障对重金属污染物的阻滞特性；结合理论分析，建立了基于化-渗耦合作用的土体渗透及污染物迁移转化模型；结合先进的数值手段，编写计算机程序，基于建立的模型计算了重金属污染物在地层和工程屏障中的时空分布；比较了考虑吸附和不考虑吸附作用下研究区域不同位置重金属离子浓度分布；分析了复杂水-化环境下工程屏障材料孔隙结构特征与长期化学相容性，从而提出了工程屏障系统长期安全性能的评价方法。预期成果可为我国重金属污染场地的工程屏障系统设计、施工和安全性评估提供可靠的理论依据。项目组通过3年的系统研究，共完成学术论文13篇（SCI=11,EI=1,CSCD=1）,授权发明专利6项，培养研究生6人。