بخشی از مقاله
خلاصه
خاكهاي رسی بستر مراکز دفن مهندسی زباله دامنه وسیعی از تغییرات pH را تجربه میکنند. این تغییر pH باعث تغییر در خصوصیات مهندسی خاك و بهتبع آن تغییر در عملکرد ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیستمحیطی خاك میشود. هدف تحقیق حاضر مطالعه تأثیر pH اولیه بنتونیت بر برخی مشخصات ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیستمحیطی آن است. براي این منظور pH بنتونیت را در طیف گستردهاي از دامنه تغییرات pH تثبیت کرده و سپس با انجام آزمایشهاي تحکیم، حدود اتربرگ، رسوب، اشعه ایکس، تعیین ظرفیت بافرینگ و اندازهگیري درصد کربنات، مطالعه تغییرات رفتاري خاك انجام شدهاست. نتایج نشاندهنده آن است که در صورت کاهش pH اولیه، حد روانی و ظرفیت بافرینگ خاك
کاهشیافته، همچنین رسوب نمونهها در محلول سوسپانسیونبا سرعت بیشتري صورت میگیرد. بنابراین رفتار بنتونیت به سمت رفتار خاكهاي دانهي پیشرفته و حلشدگی کانیهاي رسی افزایشیافتهاست که سبب کاهش قابلتوجه عملکرد بنتونیت در بستر مراکز دفن زباله میشود.
کلمات کلیدي: pH اولیه، بنتونیت، رس، محلول اسیدي و بازي
1. مقدمه
بنتونیت خاکی تورمپذیر و تشکیل شده از تعداد زیادي از کانیهاي مختلف رسی و غیر رسی است که مهمترین و عمدهترین کانی رسی آن مونتموریلونیت است. کانی مونتموریلونیت داراي پتانسیل تورمی بالا، سطح مخصوص زیاد، شکلپذیري عالی و هدایت هیدرولیکی کم است. با این خصوصیات، بنتونیت از اهمیت مناسبی در صنعت، فعالیتهاي زیستمحیطی و عمرانی بهعنوان، جاذب و موانع هیدرولیکی برخوردار است.
بنتونیت میتواند بهصورت مستقیم پس از استخراج و یا بعد از اصلاحات فیزیکی و یا شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد .[1] یکی از اصلاحات شیمیایی رایج بنتونیت، اصلاح با اسیداست کهمعمولاً با هیدروکلریک اسید - HCl - یا سولفوریک اسید - H2SO4 - صورتمیگیرد. نتایج اصلاح با اسید نشاندهندهي افزایش سطح مخصوص، تخلخل و سطح اسیدیته خاك بودهاست .[2] حتی در صورت عدم اصلاح شیمیایی بنتونیت با اسید با توجه به کاربرد گسترده بنتونیت احتمال قرارگیري آن در معرض محلولهاي اسیدي و بازي بسیار زیاد است، براي مثال میتوان به بنتونیت مورد استفاده در بستر مراکز دفن مهندسی زباله اشاره نمودکه تحت تأثیر شیرابههاي اسیدي ناشی از اکسیداسیون زبالههاي دفن شده قرار دارد .[1] این تغییر pH باعث تغییر در خصوصیات مهندسی خاك و بهتبع آن تغییر در عملکرد ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیستمحیطی خاك میشود.
بهطور مشخص مشاهده شدهاست که حضور محلولهاي با pH زیاد - بازي - در رس باعث عملکرد بیشتر بار منفی موجود بر روي سطح ذرات رس شده و این امر با افزایش نیروهاي دافعه بین ذرات رس موجب پراکندهشدن ساختار خاك میشود احتمالاًو این پراکندگی پایدار است. اما حضور محلولهاي اسیدي و با pH کم، با افزایش بار مثبت در لبههاي پولکهاي رسی و افزایش نیروي جاذبهي بین پولکها موجب درهم شدن ساختار خاك میشوند .[3] پژوهشهايصورت گرفته نشاندهندهي آن است کهساختار کریستالی مونتموریلونیت،کانی اصلی بنتونیت در حضور محلولهاي اسیدي مانند سولفوریکاسید - H2SO4 - تخریبشده و یونهاي فلزي موجود در ساختار 2:1 کانی مونتموریلونیت در درصدهاي مختلف
اسید از بین میروند.[4]
بر اساس نتایج آزمایشهاي کولستا و همکارانش - 2004 - اندرکنش محلولهاي اسیدي با بنتونیت موجب افزایش میزان تخلخل و کاهش میزان تورم آن شده و درنتیجهنفوذپذیري آن را افزایش میدهد .[5]همچنین مطالعات صورت گرفته بر روي تأثیر محلول سولفوریک اسید بر خصوصیات خمیري بنتونیت نشاندهنده آن است که با افزایش غلظت اسید،حد روانی بنتونبت بهصورت قابلملاحظهاي کاهش مییابد اما حد خمیري آن تغییر چندانی ندارد، درنتیجه میتوان تغییرات شاخص خمیري بنتونیت را مشابه تغییرات حد روانی آن دانست .[1] در مورد پتانسیل تورمی نمونههاي بنتونیت نیز با افزایش غلظت سولفوریک اسید میزان تورم آزاد نمونهها کاهش یافته، این در حالی است که میزان تغییرات در غلظتهاي بیشتر - بیشتر از - 0/25 M وابسته به میزان مقاومت یونی محلول بوده و با افزایش مقاومت یونی محلول تورم بنتونیت کاهش یافتهاست .[6]
در مورد حضور محلولهاي قلیایی نیز پژوهشهايصورت گرفته نشاندهنده آن است که در pH هاي بزرگتر از 12،ساختار کریستالی کانی مونتموریلونیت پایدار نیست و درنتیجه ساختار 2:1 آن از بین میرود .[7] گیتس و بوازا - 2010 - تأثیر محلول سدیم هیدروکسید بر بنتونیت را مورد بررسی قراردادند، نتایج آنها حاکی از آن بود که حضور این محلول باعث ایجاد تغییرات شیمیایی در بنتونیت شده و مقدار سدیم، منیزیم، کلسیم و آلومینیوم موجود در آب حفرهاي را با تخریب ساختار کانی مونتموریلونیت و یا تبادل کاتیونی افزایش میدهد. همچنین انجام آزمایش طیف اشعه ایکس بر روي نمونه بنتونیت در حضور محلول سدیم هیدروکسید نشاندهنده تشکیل ساختارهاي سیلیکات کلسیم هیدراته و کربنات سدیم آبدار
است. محلولهاي بهشدت قلیایی بهطور معمول داراي مقاومت یونی بالایی هستند، این امرداراي دو اثر همزمان است: - 1تأثیر بر روي ساختار منافذ و ساختار خاك - 2تأثیر بر روي فعالیت سیال حفرهاي، این دو عامل بهطور همزمان موجب تشکیل ساختار واگرا و افزایش میزان هدایت هیدرولیکی میشود .[8]
همچنین مطالعات صورت گرفته نشاندهندهي آن است که در مقادیر pH کم، حلالیت پذیري فاز کربنات به همراه گرایش یونهاي H+ به جذب در سطوح رسی منجر به کاهش جذب فلز سنگین توسط خاك میشود .[9] تحقیقات ونگ و هارل - 1992 - نیز نشان داد کهمقدار نهایی جذب آلاینده در محدودهي غلظتهاي آزمایشگاهی، در خاكهاي آهکدار بیشتر از خاكهاي اسیدي است .[10]
طیف گستردهاي از پژوهشها به تجزیه وتحلیل درجه تجزیه خاك رس توسط محلولهاي اسیدهاي و بازي معطوف شدهاست،و خواص فیزیکی و شیمیایی حاصل از فعالیت مواد اسیدي و بازي ازجمله تغییرات سطح اسیدیته، ظرفیت تبادل کاتیونی، و قدرت کاتالیزوري خاك را موردبررسی قرار دادهاند این در حالی است که مطالعات اندکی بر روي تغییرات برخی شاخصهاي مهندسی بنتونیت - همچون حدود اتربرگ، شاخص تورم و تحکیم-پذیري - در حضور این محلولها صورت گرفته است. در این پژوهش سعی بر آن بوده تا با تغییر pH اولیه بنتونیت توسط محلولهاي اسیدي و بازي، تأثیر تغییر pH اولیه بنتونیت بر برخی مشخصات ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیستمحیطی آن مورد مطالعه قرار گیرد.
2. مواد و روشها
نمونهي بنتونیت مورد استفاده در این پژوهش با نام صنعتی بنتونیت فلات ایران بوده و از شرکت ایران باریت تهیه شدهاست. جدول - 1 - برخی مشخصات ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیستمحیطی بنتونیت مورده استفاده، که بر اساس روش استاندارد ASTM تعیین شده را نشان میدهد.
جدول - 1 خصوصیات اولیه فیزیکی و شیمیایی خاك بنتونیت
محلول هیدروکلرید اسید و پودر سدیم هیدروکسید از شرکت تجاري مرك - Merck - تهیه شدند. در این پژوهش بهمنظور تثبیت pH اولیهي بنتونیت، ابتدا محلول آب و خاك با نسبت 50 - 1:50آب : 1خاك - ساخته شد. به منظور یکنواختی بیشتر محلول، پس از همگنسازي توسط همزن، محلول به مدت 24 ساعت دستنخورده نگهداري شد. پسازآن براي تثبیت نمونههاي بنتونیت با pH هاي اولیهي 2، 4، 6 و 8 به نمونههاي در حال هم خوردن، درحالیکه الکترود pH متر - مدل - HANNA-Hi 9321 نیز بهمنظور اندازهگیري pHنمونه در داخل ظرف قرارگرفته، محلول هیدروکلرید اسید 1 مولار اضافه شد. افزودن محلول هیدروکلرید اسید به نمونهها تا جایی ادامه مییافت که pH نمونه به pH موردنظر تثبیت برسد. این کار بهصورت روزانه تکرار شد تا اینکه pH نمونهها به مدت 96 ساعت در pH موردنظر ثابت بماند. سپس نمونهها با pH تثبیتشده براي خشک شدن در داخل گرمخانهي با دماي 60 درجهي سانتیگراد قرار داده شدند. همچنین به منظور تثبیت نمونهي بنتونیت با pH اولیهي 13 نیز با استفاده از محلول سدیم هیدروکسید 4 مولار فرآیند ذکرشده فوق انجام شد.
برايبررسی رفتار ژئوتکنیکی نمونهها، آزمایشهاي حدود اتربرگ بر اساس استاندارد [ASTM, D4318] و تعیین درصد رطوبت بر اساس استاندارد [ASTM , D2216] صورت پذیرفت. همچنین پس از ساخت محلولهاي آب و خاك با نسبت 10 - 1:10آب : 1خاك - و انجام آزمایش رسوبگذاري، به منظور آمادهسازي نمونهها براي آزمایش تحکیم مطابق استاندارد [ASTM D 2435] نمونهها در قالبهاي پیش بارگذاري ریخته
و تا تنش بیش تحکیمی25 کیلو پاسکال بارگذاري شدند.
براي بررسی رفتار ریزساختاري و ژئوتکنیک زیستمحیطی نمونهها آزمایشهاي تعیین درصد کربنات نمونهها از روش تیتراسیون [11] ، تعیین ظرفیت بافرینگ بر اساس روش پیشنهادي توسط یانگ [12] و همچنین آزمایش پراش پرتو ایکس - XRD - با استفاده از دستگاه Siemens-Diffractometer D8 انجام شد. نحوه آمادهسازي نمونهها براي انجام آزمایش پراش پرتو ایکس بدینصورت بودهاست که 1 گرم از نمونهي خاك با pH اولیهي تثبیت شده با 50 میلیلیتر آب مقطر مخلوط شده و به مدت 4 روز، هر روز به مدت 2 ساعت روي دستگاه لرزاننده الکتریکی قرارگرفته، و سپس نمونهها به مدت 24 ساعت براي رسیدن به تعادل رها شدهاند. بعد ازآن نمونهها به مدت 30 دقیقه تکان دادهشده و
مقداري از سوسپانسیون بهوسیله پیپت پاستور برداشته، و بر روي لام شیشهاي تمیز، خشک و شفاف به ابعاد 4×4 ریخته شده و به مدت 24 ساعت در هواي محیط خشک شدهاست. سپس آزمایش پراش پرتو ایکس بر نمونهها انجام شدهاست.
3. بحث و بررسی
پراش پرتو ایکس از دیرباز براي شناسایی نوع کانیهاي رسی مورد استفاده قرار گرفتهاست.استفاده از این فناوري در شناخت ریزساختاري خاكهاي رسی نیز بسیار مفید است. از آنجا که شدت و موقعیت قلههاي پراش پرتو ایکس کانیهاي رسی متناسب با چگونگی قرارگیري پولکها و تغییر در ضخامت لایه دوگانه آنها تغییر میکند، این روش میتواند تا حدود زیادي بازگو کنندهي تغییرات رفتاري خاكهاي رسی در شرایط مختلف زیست محیطی باشد .[13] بنابراین براي مطالعه چگونگی تغییر شرایط ریزساختاري خاك و همچنین چگونگی تغییر ساختار خاك با تغییر pH اولیه، آزمایش پراش پرتو ایکس روي نمونه اصلی بنتونیت و نمونههاي بنتونیت با pH مختلف انجام شد. شکل - 1 - نشاندهندهي نتایج آزمایش پراش پرتو ایکس بر روي نمونه خالص بنتونیت ونمونههاي بنتونیت با pH هاي اولیهي تثبیت شده است.
شکل - 1 نتایج آزمایش XRD براي نمونهي خالص بنتونیت و نمونههاي با pH اولیهي تثبیت شده
