一种低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及污染场地修复技术领域，特别涉及一种低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂及其制备方法。
背景技术
随着工业化发展，土壤及地下水的污染日益严峻，特别是工业生产过程中重金属及有机污染物的排放，使许多有毒有害物质进入土壤和地下水，对人民的健康、人居生态环境构成严重的威胁。污染场地原位(In-Situ)修复技术被认为是稳定重金属、去除土壤和地下水中挥发/半挥发性有机污染物的有效方法之一。通过将氧化还原药剂注入土壤中并让药剂充分暴露于土壤颗粒表面达到有效稳定污染物的目的，或将新鲜空气或臭氧等注入污染地下水，在浮力作用下气体携带气相污染物逐步上升，在包气带利用气相抽提井收集，实现去除地下水中污染物。
然而，污染场地中地质条件差异大，含水率不一，并且常常含有低渗透的黏土层或透镜体，使得原位修复效果不佳。因此，污染场地压裂增渗技术是低渗透污染场地修复的重要发展，为防止地层压裂后，裂隙随压力的消散而闭合，协同构建于能源开采领域压裂增渗过程的支撑剂是维持地层渗透性的关键材料。当前支撑剂的适应性主要体现在石油、页岩气及煤层气等深部地层。支撑剂特性表现在高强度、低密度，常用的有石英砂、陶粒、覆膜支撑剂等，以及基于此发展的一些具备特殊作用的功能性支撑剂。
在低渗透污染地层中，岩土材料大多为张拉强度低、塑性大的黏土，粉质黏土或淤泥质软土，以及弱胶结的砂土，水敏性矿物含量高，现有支撑剂从经济，地层适应性上难以适用，此外，为评估低渗透污染地层的增渗效果，监测裂隙扩展程度与支撑剂流动路径，对支撑剂还需要提出特殊的功能要求。
发明内容
本申请提供了一种低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂及其制备方法，解决了现有支撑剂从经济、地层适应性上难以适用的技术问题，实现了制备具有功能性的支撑剂，以实现自适应低渗透污染场地层岩土性质压裂增渗需要，并为井上或井下通过监测地层磁性与电导率变化，综合反演地层信息，动态评估增渗效果及裂隙扩展程度、支撑剂流动路径提供表征基础。
本申请所提供的一种低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂，制备原料包括：以质量百分比计，骨架原材料90～98％、成孔剂2～10％、纳米磁性材料0.01～0.05％、内涂层材料0.1～0.5％、导电材料0.02～0.06％及外涂层材料0.3～0.7％，
所述骨架原材料包括：赤泥、矿渣、建筑垃圾、碎玻璃、生活垃圾焚烧炉渣、粉煤灰中的一种或几种组合；
所述成孔剂包括：市政污泥、坚果壳、种子壳、胡桃壳、果核、木屑中的一种或几种组合；
所述纳米磁性材料包括：氧化铁磁性纳米颗粒、四氧化三铁磁性纳米颗粒、磁性锰锌铁氧体纳米颗粒、磁性石墨烯、氧化钛磁性纳米颗粒、氧化镍磁性纳米颗粒以及羟基、羧基改性的磁性纳米颗粒等其中的一种或几种组合；
所述内涂层材料包括：树脂及固化剂，所述树脂包括：环氧树脂、环氧丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸树脂、聚酯丙烯酸树脂、氨基丙烯酸树脂中的一种或几种组合；所述固化剂包括：脂肪胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、叔胺中的一种或几种组合；
所述导电材料包括：金属纤维、炭黑系纤维、导电型金属化合物纤维、导电高分子型纤维中的一种或几种组合；
所述外涂层材料包括：三元共聚耐盐性高吸水树脂、高吸水丙烯酸钠树脂、多元醇类树脂、聚丙烯酸-丙烯腈、异氰酸酯、胺类化合物中的一种或几种组合。
作为优选，所述骨架原材料的密度为1.1g/cm3～1.3g/cm3，筒压强度为2～10MPa，抗粉化率为96.1％～99.3％。
作为优选，所述低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂的磁化强度为2～6emu/g，导电率为0.1～0.01s/cm；所述导电材料的纤维长度为1～10mm，直径为5～100μm，电阻率低于100欧·米。
基于同样的发明构思，本申请还提供了一种所述低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂的制备方法，包括以下步骤：
制备固体废弃物基多孔的支撑剂骨料；
对所述支撑剂骨料进行磁化，获得磁性骨料；
对所述磁性骨料进行覆膜导电，完成后获得所述低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂的成品。
作为优选，所述制备固体废弃物基多孔支撑剂骨料，包括：
将所述骨架原材料干燥粉碎；
将所述成孔剂干燥；
将所述骨架原材料与所述成孔剂混合后搓球造粒，获得骨架混合料；
对所述骨架混合料进行生料陈化；
对陈化后的所述骨架混合料进行惰性气体氛围焙烧，完成后获得所述支撑剂骨料。
作为优选，所述骨架原材料干燥粉碎后粒径控制过80目筛；
所述成孔剂干燥后粒径控制过150目筛；
所述生料陈化的时间控制为10～24h；
所述惰性气体氛围焙烧过程中：预热温度为300～500℃，预热温度梯度为5℃/min～30℃/min，保温时间为30min～60min，烧结温度为700～1100℃，烧结温度梯度为10℃/min～30℃/min；
所述支撑剂骨料获得后，通过筛分将粒径控制为1700μm～4000μm。
作为优选，对所述固体废弃物基多孔支撑剂骨料进行磁化，包括：
将所述纳米磁性材料超声预处理分散于分散液中，形成混合液；
将所述支撑剂骨料加入所述混合液中，水平震荡后获得所述磁性骨料。
作为优选，所述混合液的固液比为1:40～1:50；
所述分散液为水、丙酮、环己烷、乙醇、乙二醇中的一种；
所述超声预处理的时间为10min～120min；
所述水平震荡的时间控制为30min～4h；
所述磁性骨料制备好后，在低于所述磁性骨料的居里温度条件下，烘干5h～12h。
作为优选，对所述磁性骨料进行覆膜导电，包括：
运用所述内涂层材料对所述磁性骨料进行内层覆膜，获得内覆膜产物；
将所述导电材料粘覆在所述内覆膜产物上，获得中间产物；
运用所述外涂层材料对所述中间产物进行外层覆膜，获得所述低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂的成品。
作为优选，通过可控温的内涂层覆膜机进行内层覆膜，具体为：调整所述内涂层覆膜机的倾角为15°～45°，旋转速度为100～180r/min；将所述磁性骨料加入所述内涂层覆膜机中，加入温度在180～300℃的所述内涂层材料到所述内涂层覆膜机中；所述内涂层覆膜机工作10s～60s后，降低温度至100～150℃，转速降低至30～60r/min；打开所述内涂层覆膜机的底盘上的滤孔，分离已覆膜好内覆层的所述内覆膜产物与所述内涂层材料；
通过气悬浮导电纤维仓将所述导电材料粘覆在所述内覆膜产物上，所述气悬浮导电纤维仓的温度控制为70～100℃，工作时间为3～10s；
通过可控温的外涂层覆膜机进行外层覆膜，具体为：调整所述外涂层覆膜机的倾角为10°～30°，旋转速度为60～120r/min；将所述中间产物与所述外涂层材料加入所述外涂层覆膜机中，初始温度控制为50～90℃；所述外涂层覆膜机搅拌10s～30s后，降低温度至30～45℃；打开所述外涂层覆膜机的底盘上的滤孔，分离已覆膜好外覆层的所述低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂与所述外涂层材料。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请以固体废弃物为原料制备骨料，协同纳米磁性材料产生磁场，覆膜后含导电材料提供导电路径，从而制备具有功能性的支撑剂，通过外覆高吸水树脂，携带过程中体膨自悬浮，使其进入地层后，随地层含水率变化进一步膨胀，以实现自适应低渗透污染场地层岩土性质压裂增渗需要，并为井上或井下通过监测地层磁性与电导率变化，综合反演地层信息，动态评估增渗效果及裂隙扩展程度、支撑剂流动路径提供表征基础。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例提供的低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂制备方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的磁性骨料进行覆膜导电的设备工作示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请提供一种低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂及其制备方法，具体以固体废弃物为原料制备骨料，协同纳米磁性材料产生磁场，覆膜后含导电粉体材料提供导电路径，从而制备具有功能性的支撑剂，以实现自适应低渗透污染场地层岩土性质压裂增渗需要，并为井上或井下通过监测地层磁性与电导率变化，综合反演地层信息，动态评估增渗效果及裂隙扩展程度、支撑剂流动路径提供表征基础。
本申请提供的低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂的制备原料包括：以质量百分比计，骨架原材料90～98％、成孔剂2～10％、纳米磁性材料0.01～0.05％、内涂层材料0.1～0.5％、导电材料0.02～0.06％及外涂层材料0.3～0.7％。
骨架原材料包括：赤泥、矿渣、建筑垃圾、碎玻璃、生活垃圾焚烧炉渣、粉煤灰中的一种或几种组合。
成孔剂包括：市政污泥、坚果壳、种子壳、胡桃壳、果核、木屑中的一种或几种组合。
纳米磁性材料包括：氧化铁磁性纳米颗粒、四氧化三铁磁性纳米颗粒、磁性锰锌铁氧体纳米颗粒、磁性石墨烯、氧化钛磁性纳米颗粒、氧化镍磁性纳米颗粒以及羟基、羧基改性的磁性纳米颗粒等其中的一种或几种组合。
内涂层材料包括：树脂及固化剂，树脂包括：环氧树脂、环氧丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸树脂、聚酯丙烯酸树脂、氨基丙烯酸树脂中的一种或几种组合；固化剂包括：脂肪胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、叔胺中的一种或几种组合。
导电材料包括：金属纤维、炭黑系纤维、导电型金属化合物纤维、导电高分子型纤维中的一种或几种组合。
外涂层材料包括：三元共聚耐盐性高吸水树脂、高吸水丙烯酸钠树脂、多元醇类树脂、聚丙烯酸-丙烯腈、异氰酸酯、胺类化合物中的一种或几种组合。
进一步的，骨架原材料的密度为1.1g/cm3～1.3g/cm3，筒压强度为2～10MPa，抗粉化率为96.1％～99.3％。
低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂的磁化强度为2～6emu/g，导电率为0.1～0.01s/cm；导电材料的纤维长度为1～10mm，直径为5～100μm，电阻率低于100欧·米。
参见附图1，基于同样的发明构思，本申请还提供了一种低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备固体废弃物基多孔的支撑剂骨料；
S2：对支撑剂骨料进行磁化，获得磁性骨料；
S3：对磁性骨料进行覆膜导电，完成后获得低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂的成品。
步骤S1包括：
S101：将骨架原材料干燥粉碎；骨架原材料干燥温度为105℃，粉碎后粒径控制过80目筛。
S102：将成孔剂干燥；成孔剂干燥温度为105℃，粒径控制过150目筛。
S103：将骨架原材料与成孔剂混合后搓球造粒，获得骨架混合料；骨架混合料中，以质量百分比计，骨架原材料占90％～98％，成孔剂占2％～10％。
S104：对骨架混合料进行生料陈化；生料陈化的时间控制为10～24h。
S105：对陈化后的骨架混合料进行惰性气体氛围焙烧，完成后获得支撑剂骨料。支撑剂骨料获得后，通过筛分将粒径控制为1700μm～4000μm。惰性气体氛围焙烧过程中：预热温度为300～500℃，预热温度梯度为5℃/min～30℃/min，保温时间为30min～60min，烧结温度为700～1100℃，烧结温度梯度为10℃/min～30℃/min。
步骤S2包括：
S201：将纳米磁性材料超声预处理分散于分散液中，形成混合液，混合液的固液比为1:40～1:50。
S202：将支撑剂骨料加入混合液中，水平震荡后获得磁性骨料。
其中，分散液为水、丙酮、环己烷、乙醇、乙二醇中的一种；超声预处理的时间为10min～120min；水平震荡的时间控制为30min～4h；磁性骨料制备好后，在低于磁性骨料的居里温度条件下，烘干5h～12h。
参见附图2，步骤S3包括：
S301：运用内涂层材料对所述磁性骨料进行内层覆膜，获得内覆膜产物。具体为：通过可控温的内涂层覆膜机进行内层覆膜；调整内涂层覆膜机的倾角为15°～45°，旋转速度为100～180r/min；将磁性骨料加入内涂层覆膜机中，加入温度在180～300℃的内涂层材料到内涂层覆膜机中；内涂层覆膜机工作10s～60s后，降低温度至100～150℃，转速降低至30～60r/min；打开内涂层覆膜机的底盘上的滤孔，分离已覆膜好内覆层的内覆膜产物与内涂层材料。
S302：将导电材料粘覆在内覆膜产物上，获得中间产物。具体为：通过气悬浮导电纤维仓将导电材料粘覆在内覆膜产物上，气悬浮导电纤维仓的温度控制为70～100℃，工作时间为3～10s。
S303：运用外涂层材料对中间产物进行外层覆膜，获得低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂的成品。具体为：通过可控温的外涂层覆膜机进行外层覆膜；调整外涂层覆膜机的倾角为10°～30°，旋转速度为60～120r/min；将中间产物与外涂层材料加入外涂层覆膜机中，初始温度控制为50～90℃；外涂层覆膜机搅拌10s～30s后，降低温度至30～45℃；打开外涂层覆膜机的底盘上的滤孔，分离已覆膜好外覆层的低渗透污染场地增渗用功能性支撑剂与外涂层材料。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
