考虑化学相容性与化学渗透膜行为的膨润土隔离墙对重金属污染源的阻控性能评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Assessment of the barrier performance of soil-bentonite-based cutoff walls against heavy metal pollution sources considering the chemical compatibility and chemico-osmotic membrane behavior

　　本文首次建立了综合考虑化学相容性与化学渗透膜行为（ω）的膨润土基隔离墙-含水层系统中重金属离子（HMIs）一维运移模型，通过有限差分法验证了模型可靠性。研究发现化学相容性会加速Pb2+等重金属的运移速率，而化学渗透膜行为则产生阻滞作用。针对铅污染源的案例评估表明，低浓度（C0=0.5 mM）时两种效应共同延长突破时间，高浓度（C0=10 mM）时化学相容性主导作用导致突破时间缩短，为膨润土基隔离墙（SB/XG-SB）的工程寿命预测提供了新视角。

　　

Highlight

模型示意图与假设

图1展示了用于隔离重金属离子（HMIs）污染源的膨润土基（SB-based）隔离墙模型示意图。从左至右依次为HMIs污染源、膨润土基隔离墙、含水层及河流[54,66]。建立一维水平坐标系x，假设污染源处HMIs浓度为C₀（即进口边界浓度）。膨润土基隔离墙的厚度为...

运移模型的有限差分解

受化学相容性和化学渗透膜行为影响，控制方程中的运移参数会随空间位置和时间变化，这使得该模型难以用解析法求解。本节采用计算精度高的有限差分法进行求解（Lin and Yeh 2020; [31]）。

进行有限差分计算时，空间步长为...

运移模型验证

目前缺乏同时考虑化学相容性和化学渗透膜行为的重金属离子在隔离墙系统中运移的实验研究。因此，本研究通过简化条件下的实验测量、现有解析模型和基于有限元的模拟进行对比，以验证所提出的运移模型。

运移特性分析

如前所述，现有研究忽略了化学相容性和化学渗透膜行为对重金属离子（如Pb²⁺）运移特性的影响[37,5,66,71]，可能导致预测结果与实际工程情况存在显著差异。因此，探究这两个因素对运移行为的影响至关重要。本节选择Pb²⁺进行运移特性分析，并以Fu等[23]和Ni等[54]开发的SB和XG-SB隔离墙为例。

阻控性能评估

当采用垂直隔离墙隔离铅污染源时，通常通过监测其出口处浓度（记为C_ew）的变化来评估服役寿命[37,66]。现有文献通常将突破时间定义为C_ew/C₀达到0.01、0.05或0.1所需的时间[37,5,62,63,71,75]。因此，本研究将C_ew/C₀达到0.01、0.05和0.1所需的时间定义为突破时间。

局限性

本研究首次考虑化学相容性和化学渗透膜行为的影响，以评估膨润土基隔离墙对重金属污染源的阻控性能。与现有研究[37,5,66,69]相比，有助于阐明和定量研究这两个化学相关因素对阻控性能的影响。然而，所提出的理论模型仍存在一些局限性需要...

结论

本研究建立了膨润土基隔离墙-含水层系统中重金属离子（HMIs）的一维运移模型，首次考虑了化学相容性和化学渗透膜行为的影响。随后，对模型进行了数值求解，并通过三方面的对比分析进行了良好验证。最终，模拟了Fu等[23]和Ni等[54]开发的SB和XG-SB隔离墙中Pb²⁺的运移特性，并评估了它们对铅污染源的阻控性能。