استخدام بطانات من الطين المركب من البنتونايت والبوليمر لاحتواء المواد المرتشحة CCR

بقايا احتراق الفحم (CCRs) هي منتجات ثانوية من الاحتراق في الغلايات التي تعمل بالفحم والتي يتم التخلص منها في مدافن قمامة مبطنة عندما لا يمكن استخدامها بشكل مفيد في تطبيقات أخرى (EPRI 2009) (الشكل 1). يتم تنظيم التخلص من الأراضي من CCRs بموجب "قاعدة رماد الفحم" المدرجة في العنوان الفرعي D من قانون الحفاظ على الموارد واستعادتها (RCRA) (السجل الفيدرالي 2015). تتطلب قاعدة رماد الفحم أن تكون مرافق التخلص من رماد الفحم مبطنة ببطانة مركبة تتكون من غشاء أرضي تحته بطانة من الطين المضغوط بسماكة 2 قدم (0.6 م) على الأقل مع موصلية هيدروليكية لا تزيد عن 1 × 10-9 م / ث (بيتنر وآخرون 2019). يمكن استخدام بطانات الطين الاصطناعية للأرض (GCLs) بدلاً من بطانات الطين المضغوطة بشرط أن يفي GCL بمعايير التكافؤ في قاعدة رماد الفحم. يتطلب هذا عمومًا أن تكون الموصلية الهيدروليكية لـ GCL أقل من 3 × 10-11 م / ث عند اختبارها باستخدام العصارة CCR ليتم احتواؤها (Bittner et al. 2019).

تحتوي المواد المرتشحة CCR على مجموعة متنوعة من الكاتيونات والأنيونات التي يمكن أن تؤثر على التوصيل الهيدروليكي لـ GCL (Chen et al. 2018). جو وآخرون. (2001) ، كولستاد وآخرون. (2004) و Xu et al. قام (2009) بتقييم كيفية تأثير القوة الأيونية وتكافؤ الموجات الموجبة ودرجة الحموضة في المحاليل الدائمة على التورم والتوصيل الهيدروليكي لبنتونايت الصوديوم (NaB) GCLs. لقد أظهروا أن الموصلية الهيدروليكية لـ NaB GCLs تزداد مع زيادة القوة الأيونية للمادة المرتشحة ، وأن GCLs أكثر نفاذية للحلول ذات الكاتيونات متعددة التكافؤ (على سبيل المثال ، الكالسيوم والمغنيسيوم والألمنيوم) من تلك التي تحتوي على كاتيونات أحادية التكافؤ (على سبيل المثال ، الصوديوم والبوتاسيوم ، الليثيوم) ، جميع العوامل الأخرى متساوية. كما أن الأس الهيدروجيني الشديد (pH> 13 أو pH <2) يغير أيضًا التوصيل الهيدروليكي لـ NaB GCLs. كولستاد وآخرون. قام (2004) بتقييم كيفية تأثير حلول الأنواع المتعددة على التورم والتوصيل الهيدروليكي لـ NaB GCLs. لقد ذكروا أن القوة الأيونية والوفرة النسبية للكاتيونات أحادية التكافؤ ومتعددة التكافؤ للمحلول هي متغيرات رئيسية تؤثر على الانتفاخ والتوصيل الهيدروليكي لـ NaB GCLs. Chen et al. قام (2018) بتقييم الموصلية الهيدروليكية لـ NaB GCLs المتخللة مع المواد المترسبة CCR التي تمثل مجموعة واسعة من الظروف في الولايات المتحدة ، ووجدوا أن التوصيل الهيدروليكي لـ NaB GCLs زاد من 10-10 إلى 10-6 م / ث كقوة أيونية من زادت العصارة CCR من 40 إلى 755 ملي مولار. وبالتالي ، بالنسبة للعديد من CCRs ، قد لا يفي NaB GCL التقليدي بالمعايير الموجودة في قاعدة رماد الفحم كبديل لبطانة طينية مضغوطة. على عكس NaB GCL ، فإن الموصلية الهيدروليكية لمعظم بطانات الطين المضغوطة غير حساسة نسبيًا للمواد المرتشحة CCR (Benson et al. 2018).

تم تحسين التوافق الكيميائي لـ GCLs في بعض التطبيقات عن طريق إضافة البوليمرات إلى البنتونيت (Di Emedio et al. 2011 ؛ Mazzieri et al. 2010 ؛ Scalia et al. 2014 ؛ Katsumi et al. 2008). قد تكون هذه الإضافات البوليمرية عبارة عن استبدال الطبقة البينية أو معالجة سطح البوليمر لجزء المونتموريلونايت (على سبيل المثال ، البنتونايت المعدل بالبوليمر [PMB]) أو تتكون من خليط جاف من البنتونايت وحبيبات البوليمر لتكوين مادة مركَّبة من البنتونيت-بوليمر (BPC). بعض إضافات البوليمر فعالة ، في حين أن البعض الآخر ليس كذلك. على سبيل المثال ، Shackelford et al. (2010) يفيد بأن الموصلية الهيدروليكية لـ PMB GCL كانت أعلى بتسعة إلى 21 مرة من تلك الموجودة في NaB GCL عندما تتخللها بنفس المحلول. في المقابل ، سكاليا وآخرون. (2014) يفيد بأن التوصيل الهيدروليكي لـ BPC GCL يتخلل محاليل كلوريد الكالسيوم (CaCl2) كان يصل إلى أربعة أوامر من حيث الحجم أقل نفاذية من NaB GCL المحضر بنفس البنتونيت ويتخلل مع نفس محلول CaCl2.

تم تقييم الموصلية الهيدروليكية للعديد من BPC GCLs إلى المواد المترسبة CCR في هذه الدراسة كجزء من اختبار التوافق الكيميائي الذي تم إجراؤه لتحديد منتجات GCL المناسبة لمرافق التخلص من CCR. تم أيضًا قياس تحميل البوليمر لفهم الآليات التي تؤثر على التوصيل الهيدروليكي لـ BPC GCLs.

المواد المرتشحة CCR
تم الحصول على سبع رواسب CCR من مرافق التخلص من رماد الفحم في فرجينيا (CCR-VA1 و CCR-VA2 و CCR-VA3 و CCR-VA4) ؛ وايومنغ (CCR-WY) ؛ ومينيسوتا (CCR-MN1 ، CCR-MN2). اثنان من المواد المرتشحة CCR الاصطناعية (أي ، إزالة الكبريت من غاز المداخن [FGD] والقوة العالية [HS]) من Chen et al. (2018) تم استخدامها أيضًا. يتم تلخيص المعلمات الكيميائية السائبة ، بما في ذلك الرقم الهيدروجيني ، والتوصيل الكهربائي (EC) ، والقوة الأيونية (I) ، والوفرة النسبية للكاتيونات أحادية التكافؤ ومتعددة التكافؤ (RMD) ونسبة الأنيون (النسبة المولية للكلوريد إلى الكبريتات ، Cl- / SO42-) ، في الجدول 1. يتراوح الرقم الهيدروجيني للمادة المرتشحة CCR من 4.3 إلى 9.9 ، وتتراوح القوة الأيونية من 33 إلى 681 ملم وتتراوح EC من 0.3 إلى 4.4 S / م عند 77 درجة فهرنهايت (25 درجة مئوية). وتتراوح المواد المرتشحة من مادة الكلوريد الغنية (CCR-VA2) إلى الغنية بالكبريتات (CCR-VA1).

الجدول 1 المعلمات الكيميائية السائبة للسائل الراشح CCR
كولستاد وآخرون. (2004) حدد المعلمة RMD لتقدير الوفرة النسبية للكاتيونات أحادية التكافؤ ومتعددة التكافؤ في سائل دائم (المعادلة 1):

حيث MM هي المولارية الكلية للكاتيونات أحادية التكافؤ و MD هي المولارية الكلية للكاتيونات متعددة التكافؤ في المحلول الدائم. تتراوح RMD للرشاشات CCR من 0.07 إلى 2.4 M1 / ​​2 ، أو في الغالب متعدد التكافؤ (RMD منخفض) إلى أحادي التكافؤ في الغالب (RMD مرتفع).

تظهر العلاقة بين RMD والقوة الأيونية للمواد المرتشحة CCR في الشكل 2 جنبًا إلى جنب مع المواد المرتشحة في قاعدة بيانات المادة المرتشحة لمعهد أبحاث الطاقة الكهربائية (EPRI) التي أبلغ عنها Chen et al. (2018 ، 2019). المواد المرتشحة CCR في هذه الدراسة (الرموز المغلقة في الشكل) لها في الغالب قوة أيونية في الجزء العلوي من القوة الأيونية في قاعدة بيانات المادة المرتشحة EPRI وتميل إلى أن يكون لديها RMD أقل (أكثر تعدد التكافؤ).