Inflation Performance Study of Polymer Modified Bentonite in Salt Water

Journal of Modern Agriculture January 2015, Volume 4, Issue 1, PP.1-6

Inflation Performance Study of Polymer Modified Bentonite in Salt Water Zhiqiang Hu1, Jianzhong Zhu1, #, Lingcheng Hong1, Haibo Shi1, Ying Ding1, Yansong Cui2 1. Key Laboratory for Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lake of Ministry of Education, College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China 2. School of Transportation Nantong University, Nantong 226019, China #Email: Zhuhhai2010@hhu.edu.cn

Abstract Every year, irrigated agriculture in the north in China requires lots of water. The current irrigation method, Channel irrigation, wasted nearly half of agricultural water each year due to the channel seepage. Bentonite is an excellent waterproof material, with the characteristics of good expansion properties and low permeability, which has been widely used in all kinds of anti-seepage engineering. However, it was found that saline conditions could significantly reduce the ability of bentonite seepage. What’s more, northern areas were mostly salted seriously. Studies found that the salt tolerance of bentonite would be effectively improved when mixed with some kinds of high molecular polymer. The results showed that, when mixed with absorbent organic acid resin and TSPP or absorbent organic acid resin and absorbent fiber resin at the best proportion, the inflation index of bentonite could reach to 15mL/2g in 1% of the salt water, which completely met the requirements of bentonite waterproof material, and could be used for seepage-proofing in complicated or unknown water. In conclusion, this study solved the leakage problem in the process of agricultural irrigation and realized the water-saving irrigation, which improved the production and development of the agriculture.

Keywords: Irrigation Channels; Bentonite; Inflation Index; Super Absorbent Polymer

聚合物改性膨润土在盐水中的膨胀性能实验研究* 胡志强 1，祝建中 1，洪陵成 1，史海波 1，丁莹 1，崔延松 2 1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，河海大学环境学院，江苏南京 210098 2.南通大学交通学院，江苏南通 226019 摘

要：我国北方农业灌溉需要大量水源，目前灌溉方式主要为渠道灌溉，但每年因渠道渗漏而浪费了近一半的农业用

水。膨润土具有膨胀好、渗透低的特点，是一种优良的防水材料，广泛用于各种防渗工程。但研究表明，盐渍条件会显 著降低膨润土的防渗能力，而北方地区大多盐渍化严重。实验发现，向膨润土中混合高分子吸水树脂能有效改善膨润土 耐盐渍性差的缺点。当吸水性有机酸盐树脂与 TSPP 或吸水性有机酸盐树脂与吸水性纤维树脂按最佳比例与膨润土混合， 膨润土在 1%的盐水中膨胀指数可达 15mL/2g 以上，完全满足膨润土材料的防渗要求，可用于复杂水体或水体条件不明 的防渗工程。解决了北方盐渍地区农业灌溉过程中的渗漏问题，实现了节水灌溉，促进农业生产和发展的目的。 关键词：渠道灌溉；膨润土；膨胀指数；高分子吸水树脂

引言 我国是一个农业大国，每年农业灌溉需要大量的水资源，但同时我国又是一个严重缺水的国家，人均 水资源占有量仅为世界平均水平的 1/4[1]，干旱缺水已成为制约我国农业发展的主要原因之一。一方面农业 *

基金资助：受教育部留学人员回国启动基金支持资助 (No.1061-51200312)。 -1www.jma-journal.org

缺水严重，另一方面用水浪费现象又普遍存在，每年渠道灌溉中因渗漏损失的水量达 2734.62 亿 m3，为我 国总水量的 33%，为农业总水量的 45%[2]，灌溉水的利用率只有 30%～40%。普及节水灌溉技术，提高灌溉 水的利用率是改善农业生产条件，缓解水资源供需矛盾的有效途径。因此，作为节水灌溉各环节中的重要 一环，渠道防渗工程的发展意义重大。 膨润土是以蒙脱石为主要成分的非金属矿物，具有优良的吸水膨胀性、防水防渗性能，将其用于渠道 灌溉的防渗工程中，可以达到节水灌溉的目的，对于缺水严重的北方地区的农业发展有重要意义。目前， 膨润土防水已经发展成一系列产品，例如可以将膨润土制作成膨润土防水板、防水毯、止水条、防水膏、 防水建筑涂料及膨胀剂等[3, 4]。膨润土的防水防渗性能主要依靠其吸水膨胀性，膨胀性越强防渗效果越好。 但是，膨润土的膨胀性受水质的影响较大，在盐水中膨润土分子结构会被盐水中的电解质破坏，分子结构 间不能形成连接，从而使膨胀指数和黏度大大降低，防渗能力急剧下降[5]，而北方地区多为盐渍地，这会降 低膨润土的防渗能力，不能很好地解决渠道灌溉中因的渗漏问题。有关提高膨润土在普通水体中的膨胀性 的改性方法以及盐溶液对膨润土膨胀性的影响的研究有很多，孔维安[6]等研究发现随着溶液中离子浓度的提 高膨润土的膨胀性能逐渐降低；王伯勋[7]等在膨润土钠化过程中添加活化剂尿素制备出了高膨胀容的膨润土。 但是如何提高膨润土在盐水中的膨胀性能的研究却很少，为此，我们拟采用物理掺杂的方式向钠基膨润土 中混合特定的吸水性高分子聚合物，来提高膨润土在盐水中的膨胀指数。期望研制出能够广泛应用于各种 复杂的水质条件的膨润土防水材料，来解决北方盐渍地区渠道灌溉的渗漏问题，达到节水灌溉，促进农业 生产的恢复和发展的目的。

实验部分

1

1.1 实验仪器和药品 主 要 实验 仪器 ： 200 目标 准 筛、 药匙 、 电子 天平 (AUY120) 、 烘 箱 (XMTA-8222)、 烧 杯 (500mL, SHUNIU)、容量瓶 (1000mL, 20℃, BOMEX)、量筒 (100mL, 20℃, BOMEX)、土样碾磨器、称量纸、玻璃棒、 胶头滴管。 实验原料和药品：氯化钠、焦磷酸钠 (TSPP)、吸水性纤维树脂、吸水性有机酸盐树脂（均为分析纯）； 去离子水；钠基膨润土。

1.2 实验过程 1.2.1

配制氯化钠溶液

使用 AUY 120 电子分析天平分别称取几份 4g、10gNaCl 固体（分析纯），精确到小数点后第二位。室 温下用去离子水配制成体积为 1000mL（1000mL 容量瓶），质量浓度分别为 0.4%、1%的氯化钠水溶液，分 别配制几份用来模拟不同盐渍化程度的水体条件。 1.2.2

膨润土预处理

将原钠基膨润土样碾磨后过 200 目标准筛，然后放入 XMTA-8222 烘箱中，设定烘干温度为 105±5℃， 烘干时间约为 2h。 1.2.3

膨胀指数的测定

称取 2.00g 经烘干至恒重的 200 目钠基膨润土试样，分多次放入已加有 90mL 去离子水的量筒内，每次 在大约 30s 内缓慢加入不大于 0.1g 的膨润土，待膨润土沉至量筒底部后再次添加，相邻两次时间间隔应不 少于 10min，直至 2.00g 膨润土试样完全加入到量筒中。用玻璃棒使附着在量筒内壁上的土样也沉入到量筒

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底部，然后将量筒内的水加至 100mL，静置 24h 后读取沉淀物界面的刻度值（沉淀物不包括低密度的膨润 土絮凝物），精确至 0.5mL，即为膨润土的膨胀指数。

2

实验结果与讨论

2.1 纯膨润土在去离子水和盐水中膨胀指数 分别将 2g 经烘干后的纯钠基膨润土式样添加到 100mL 去离子水和 100mL 不同浓度的氯化钠水溶液中， 按测定标准测得其膨胀指数如表 1 所示。 表 1 纯膨润土在不同溶液中的膨胀指数 不同溶液 去离子水 0.4%的NaCl溶液 1%的NaCl溶液

膨胀指数 (mL/2g) 1 9.8 6.0 5.4

膨胀指数 (mL/2g) 2 10.1 5.7 5.1

分析表 1 中数据得知，钠基膨润土的膨胀指数还达不到实际工程中的 15～18ml/2g[8]的防渗要求，而且 盐溶液对钠基膨润土的膨胀性能有明显的抑制作用，浓度越高抑制作用越明显。

2.2 不同聚合物对钠基膨润土膨胀指数的影响 水溶性高分子聚合物具有很强的吸水性、分散性和粘结性等特点，能够将膨润土分子结合到一起，提 高膨润土分子间的连接能力，防止其结构被盐水中的电解质破坏，保证膨润土在盐水中水化后能粘结成稠 状胶体，形成隔膜[5]，从而提高其在盐水中的膨胀性能。络合剂能优先与盐水中的离子发生络合作用，降低 盐水中的离子浓度，以达到提高钠基膨润土在盐水中的膨胀指数。 此次实验选取了吸水性有机酸盐树脂和吸水性纤维树脂两种强吸水性高分子聚合物以及络合剂焦磷酸 钠 (TSPP)。实验方式：分别称取混合了 3%、4%、5%的吸水性有机酸盐树脂的钠基膨润土试样 2g 两份，按 要求分别测定它们在质量浓度为 1%的氯化钠水溶液中的膨胀指数，如表 2 所示。表 3 和表 4 分别是混合了 3%、4%、5%的吸水性纤维树脂和 TSPP 后的钠基膨润土在 1%的氯化钠水溶液中的膨胀指数。 表 2 添加吸水性有机酸盐树脂后膨润土在 1%的盐水中的膨胀指数 吸水性有机酸盐树脂含量 (%) 3 4 5

膨胀指数 (mL/2g) 1 10.0 12.0 11.2

膨胀指数 (mL/2g) 2 10.2 12.7 11.7

表 3 添加吸水性纤维树脂后膨润土在 1%的盐水中的膨胀指数 吸水纤维树脂含量 (%) 3 4 5

膨胀指数 (mL/2g) 1 7.8 8.0 7.1

膨胀指数 (mL/2g) 2 8.2 8.5 7.4

表 4 添加 TSPP 后膨润土在 1%的盐水中的膨胀指数 TSPP含量 (%) 3 4 5

膨胀指数 (mL/2g) 1 6.0 6.2 6.5

膨胀指数 (mL/2g) 2 6.3 6.5 7.2

通过分析表 2、表 3 和表 4 中的数据发现，络合剂 TSPP 的单独使用对膨润土在盐水中的膨胀性能的改 性效果并不是十分明显，而单独使用吸水性纤维树脂或吸水性有机酸盐树脂的改性效果要好一些，而且吸 -3www.jma-journal.org

水性有机酸盐树脂的改性效果要比吸水性纤维树脂更加明显，这可能是由于吸水性有机酸盐树脂的粘度比 吸水性纤维树脂更高，对膨润粘土分子的粘结作用更强的缘故。 然而，单独使用络合剂或者单独使用某一种吸水性高分子聚合物后的改性效果并不是非常理想，还无 法满足实际工程的防水防渗要求。因此，接下来考虑将这三种物质两两混合后再与膨润土混合进行改性， 看看能否进一步提高膨润土在盐水中的膨胀性能。表 5、表 6 和表 7 分别是 TSPP 与吸水性纤维树脂按不同 比例混合、TSPP 与吸水性有机酸盐树脂按不同比例混合、吸水性有机酸盐树脂与吸水性纤维树脂按不同比 例混合后对钠基膨润土进行改性，改性后的钠基膨润土在 1%的盐水中的膨胀指数。 表 5 添加不同比例吸水性有机酸盐树脂和吸水性纤维树脂后膨润土在 1%的盐水中的膨胀指数 吸水纤维树脂含量 (%) 4 4 4 5 5 5 6 6 6

吸水性有机酸盐树脂含量 (%) 3 4 5 3 4 5 3 4 5

膨胀指数 (mL/2g) 1 9.8 10.2 11.8 8.9 11.5 9.8 12.9 13.0 12.8

膨胀指数 (mL/2g) 2 10.2 10.0 12.1 9.3 11.8 9.4 13.3 13.1 12.5

表 6 添加不同比例 TSPP 和吸水性有机酸盐树脂后膨润土在 1%的盐水中的膨胀指数 吸水有机酸盐树脂含量 (%) 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6

TSPP含量 (%) 3 4 5 6 3 4 5 6 3 4 5 6

膨胀指数 (mL/2g) 1 11.9 12.5 11.8 10.8 16.2 13.7 14.3 17.5 14.6 14.9 15.9 14.8

膨胀指数 (mL/2g) 2 12.1 12.7 11.5 11.0 15.8 13.6 15.0 17.3 15.1 14.7 16.2 14.5

表 7 添加不同比例吸水性有机酸盐树脂和吸水性纤维树脂后膨润土在 1%的盐水中的膨胀指数 吸水纤维树脂含量 (%) 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5

吸水有机酸盐树脂含量 (%) 4 5 6 7 4 5 6 7 4 5 6 7

膨胀指数 (mL/2g) 1 11.0 11.1 12.7 15.9 11.1 10.8 12.2 15.0 11.7 12.2 14.9 13.9

-4www.jma-journal.org

膨胀指数 (mL/2g) 2 11.4 11.8 12.5 16.4 10.9 10.8 12.3 14.8 12.0 11.8 14.6 14.2

通过分析表 5、表 6 和表 7 的数据发现，三组不同比例的混合物的添加对膨润土在盐水中的膨胀指数都 有不同程度的提高，并且每组混合物都有最佳的配比。但是 TSPP 和吸水性纤维树脂混合后的改性效果仍然 无法达到实际防渗工程的要求，而另外两组混合物有较好的改性效果。结果显示：5%的吸水性有机酸盐树 脂与 3%的 TSPP 混合、5%的吸水性有机酸盐树脂与 6%的 TSPP 混合、6%的吸水性有机酸盐树脂与 5%的 TSPP 混合、3%的吸水性纤维树脂与 7%的吸水性有机酸盐树脂混合以及 4%的吸水性纤维树脂与 7%的吸水 性有机酸盐树脂混合后的改性效果均能使钠基膨润土在 1%的盐水中的膨胀指数达到 15mL/2g 以上，满足了 实际工程的防水防渗要求，可以解决盐渍条件下的农业灌溉的渗漏问题。

结论

3

(1) 利用不同浓度的氯化钠水溶液模拟不同盐渍化程度的水体环境，发现盐溶液对钠基膨润土的膨胀性 能有较强的抑制作用，且浓度越高抑制作用越明显。 (2) 采用物理改性方法分别向钠基膨润土中均匀混合单一的络合剂或单一的吸水性高分子聚合物后，膨 润土在盐水中的膨胀性能有所改善，但是还无法满足实际工程的防水防渗需要。 (3) 分别将吸水性纤维树脂、TSPP、吸水性有机酸盐树脂按不同比例两两混合后再对钠基膨润土进行改 性，改性后的膨润土在盐水中的膨胀性能有了较大提升。其中，5%的吸水性有机酸盐树脂与 3%的 TSPP 混 合后改性效果达到 16 mL/2g；5%的吸水性有机酸盐树脂与 6%的 TSPP 混合后改性效果为 17.4 mL/2g；6% 的吸水性有机酸盐树脂与 5%的 TSPP 混合后改性效果为 16.05 mL/2g；3%的吸水性纤维树脂与 7%的吸水性 有机酸盐树脂混合后改性效果接近 16.2 mL/2g；4%的吸水性纤维树脂与 7%的吸水性有机酸盐树脂混合后改 性效果接近 15 mL/2g。这几组改性组合均满足了膨润土材料的防渗要求，拓展了膨润土的应用范围。 (4) 通过文中实验方法所制备的膨润土能广泛应用于各种复杂的水体环境，如垃圾填埋场、沿海或其他 盐渍地区的防水防渗工程等，具有较高的实际应用意义[9, 10]。同时解决了北方盐渍地区的农业灌溉过程中的 渗漏问题，实现了农业节水灌溉，促进农业生产和发展的目的。

致谢

4

本研究的经费得到教育部留学人员回国启动基金 (No.1061-51200312)；中央高校（河海大学）基本科研 业务费专项资金 (B11020157) 及江苏水利科技项目基金 (1061-5126312,1061-51146012) 的支助，作者在此致 谢。

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