벤토나이트를 혼합한 황토라이너의 불투수성에 관한 실험적 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8740(2023) 이 기사 인용

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투수성 시험은 고형폐기물 매립지 내 라이닝재인 황토의 투수성능에 미치는 벤토나이트-HDTMA(헥사데실 트리메틸 암모늄 브로마이드)의 영향을 연구하기 위해 유연한 벽투과계를 사용하여 수행됩니다. 결과에 따르면 중국 황허 중하류의 압축된 황토의 불투수성은 매립지 라이너로서의 표준 요구 사항을 충족하지 못하는 것으로 나타났습니다. 벤토나이트 비율을 10% 이상 혼합한 황토의 투수율은 1.0×10−7 cm·s−1 미만입니다. 황토의 투과도는 소량의 HDTMA를 혼합한 후 약간 증가합니다. 벤토나이트-HDTMA 비율을 혼합한 황토의 불투수성은 여전히 ​​표준 요구 사항을 충족합니다. HDTMA는 토양 집합체 구조를 파괴하고 토양 투과 채널을 증가시킬 수 있습니다. SEM은 벤토나이트 점토 입자가 황토 거친 입자 사이의 기공을 채우고 재료의 불투수 성능을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 디지털 사진은 HDTMA가 습윤-건조 주기로 인한 토양 거대 균열의 발생을 효과적으로 저항할 수 있어 라이너가 우수한 불투수성을 유지하는 데 더 좋다는 것을 보여줍니다. 이를 바탕으로 벤토나이트-HDTMA 개질 황토의 수리전도도와 건조밀도와의 관계를 구축하였다. 본 연구에서 황토는 벤토나이트/HDTMA와 10%/0% 또는 14%/2%의 비율로 혼합될 때 매립지의 라이닝 재료로 사용될 수 있습니다.

위생매립은 고형폐기물(일반산업고형폐기물, 생활폐기물)의 최종 처리방법 중 하나입니다. 매립지는 생활환경으로부터 중금속, 유기화합물 등의 오염물질을 차단하기 위한 라이닝이 필요합니다. 전통적으로 점토는 폐기물 처리를 위한 안감 재료로 사용되었습니다1,2. 황토는 중국 황하 중하류, 미국 미주리-미시시피 강 유역의 대평원과 중저지, 알프스 산기슭 부근과 하산대 등 다양한 지역에 널리 분포한다. 그리고 동시에 점토가 부족한 유럽의 카르파티아 산맥. 그러나 다짐 후 황토의 수력전도도는 표준1,3에 명시된 상한을 초과할 수 있습니다.

황토의 투과도는 건조밀도, 이온농도, 온도 등 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다. 건조 밀도가 1.45g·cm−3 이상인 샘플은 화학 반응으로 인해 누출 중에 기공 확대가 발생합니다4,5. 황토의 투과성은 CaCl2 용액의 농도에 민감합니다. CaCl2의 농도는 입자 응집 및 기공 구조 발달에 영향을 주어 입자 붕괴를 유발합니다6. 투자율은 10°C와 20°C에서 온도에 따라 증가하지만 30°C5에서는 감소합니다. 그리고 실험 결과 황토의 투과도는 1.0×10−7 cm·s−1 이상인 것으로 나타났다.

연구에서는 매립지의 라이닝 재료로 벤토나이트 변형 황토의 사용을 조사했습니다. Zhang et al.7과 Xi8은 황하 중하류의 황토를 벤토나이트 비율로 14%와 4%로 혼합하였고, 개질된 황토의 수리전도도는 1.0×10−7 이하이다. cm·s−1. Liu 등9은 중국 북부의 황토에 벤토나이트를 6~7% 혼합했으며 혼합물의 수력 전도도는 9.0 × 10−8 cm·s−1입니다. 대부분의 테스트 결과는 벤토나이트 비율이 약 15%10,11,12일 때 다른 국가의 개질된 토양의 수리전도도가 10-7 cm·s-1 미만인 것으로 나타났습니다. 즉, 벤토나이트로 개질된 황토는 불투수성 요건을 충족할 수 있습니다.

그러나 순수 황토나 벤토나이트 변성 황토는 특정 오염물질에 대한 흡착 능력이 제한되어 있습니다. 배치 테스트에서는 HDTMA(Hexadecy ltrimethyl Ammonium Bromide)가 일부 중금속 및 유기 오염물질의 흡착 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여 주며13,14,15 그 화학 구조는 그림 1에 나와 있습니다. HDTMA는 양전하를 띠는 양이온성 계면활성제입니다. 물에 녹았을 때. HDTMA는 점토 광물의 표면에 흡착될 수 있으며 교환 흡착 및 비교환 흡착을 통해 오염 물질과 반응하여 오염 물질을 흡착하거나 고정시키는 효과를 얻을 수 있습니다. 환경과학적인 관점에서 보면 벤토나이트-HDTMA 개질 황토를 고형폐기물 매립용 라이닝재로 활용하는 것이 가능하다. 한편, 라이너의 습윤-건조 사이클 현상은 흔히 발생하며, 이는 불투수 성능과 관련된 균열의 증가로 이어질 수 있다18.