樹脂吸附法治理蘭州新區灰土次生鹽漬化試驗研究

楊映東，高 萍，田小朋，孔德政，馮炳超

（甘肅省建筑科學研究院（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

自 2012 年以來，蘭州新區中川機場、蘭石廠、蘭州新區舟曲中學等場地室內及室外地坪、散水出現了較嚴重的膨脹鼓起現象，最大膨脹量超過了 20 cm。膨脹造成了很大的經濟損失，如舟曲中學治理室外膨脹的費用約 3 600 萬，中川機場 T2 航站樓膨脹治理費用超過了 1 200 萬，蘭州新區某道路灰土路基膨脹造成的損失超過了 3 000 萬，類似的病害在蘭州新區越來越多。為了找到膨脹機理及治理的方法，課題組于 2017 年 1 月至 2020 年 10 月對蘭州新區灰土膨脹病害的機理進行了調查與試驗研究，發現了次生鹽漬化的機理，并通過研究找到了若干種治理方法，本文重點介紹吸附樹脂法治理土壤中硫酸根離子的效果。

1 蘭州新區灰土膨脹病害調查簡介

根據調查，在蘭州新區發生膨脹的灰土有以下特點。

1）蘭州新區的原土未發現膨脹病害。

2）出現的膨脹病害均發生在灰土墊層散水、灰土墊層室外地面、灰土墊層室內廠房地面、灰土墊層路基、灰土墊層的設備基礎下。對膨脹灰土取樣檢測易溶鹽發現灰土已全部鹽漬化，膨脹的灰土中含鹽量較原土出現大幅增長，西寧也發現過類似的灰土膨脹病害［1］。

3）蘭石廠一廠房室內地坪、蘭州中川機場 T2 航站樓內地坪、某廠一室內設備基礎（埋深在大氣影響深度以下）發生了膨脹，室內地坪不受凍害影響，設備基礎在大氣影響深度以下也在室內不受凍害，說明蘭州新區的灰土在無凍脹環境和大氣影響深度以下仍有膨脹發生，故凍脹、大氣影響不是主要膨脹因素。

2 吸附樹脂治理易溶鹽離子試驗

2.1 吸附樹脂分類及性質簡介

吸附樹脂是以吸附為特點，具有多孔立體結構的吸附劑，廣泛用于凈化水及廢水處理等。吸附樹脂分為陽離子樹脂和陰離子樹脂，陽離子樹脂又分為強酸性和弱酸性，陰離子樹脂又分為強堿性和弱堿性。各類樹脂交換條件及性質如表 1 所示。當樹脂中的離子變換時，如陽離子樹脂將 H+轉為 Na+，陰離子樹脂將 Cl-轉為 OH-，都會因離子直徑增大而發生體積膨脹（見表 1）。

表1 樹脂分類及性質

2.2 樹脂吸附順序

離子交換樹脂對溶液中不同離子的吸附有選擇性。忽略樹脂的差異，各離子受樹脂交換吸附作用的強弱程度規律如下。

1）樹脂對陽離子的吸附與土壤膠體對陽離子的吸附順序基本相同，高價離子吸附力強，常被優先吸附，而低價離子的吸附較弱，可被高價離子交換。同價離子直徑較大的離子與樹脂的吸附性較強。陽離子與樹脂吸附能力順序如下［2］：Fe3+＞Al3+＞Pb2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+＞H+。

針對樹脂以上吸附離子的特性，可以選擇適宜的樹脂來治理土壤中的離子。蘭州新區灰土膨脹治理的關鍵是治理 SO42-，根據樹脂的性質判斷宜選擇強堿性陰離子樹脂，這種樹脂能優先吸附土壤中的 SO42-；而弱堿性陰離子樹脂會優先吸附 OH-且這種樹脂在高 PH 值環境下不適宜。

2.3 摻樹脂治理土壤中易溶鹽試驗

交換樹脂在水處理中用于各種陰陽離子的去除，目前約 90 % 以上的離子交換樹脂用在水處理和火電廠的純水處理上。根據交換樹脂的性質，交換樹脂的吸附性極好，故其也能吸附鹽漬土中的易溶鹽離子。由于離子與樹脂的吸附交換作用一般需在溶液狀態下發生，試驗選取了 3 種工業上常用的樹脂，分別摻入灰土樣品中進行易溶鹽試驗，摻入樹脂后樣品中易溶鹽離子對比情況如表 2 所示。

表2 吸附性樹脂直接摻入土壤樣品中易溶鹽變化

試驗時將樹脂直接摻入土壤并使土壤飽和后送檢易溶鹽。試驗結果證明樹脂對土壤中易溶鹽離子的吸附力極好，工程應用時可根據需要吸附的離子選擇樹脂型號。樹脂的市場價約 5 000 元/t，治理費用較經濟，有較好的應用價值。

由于實際工程應用時要防止樹脂對土壤環境的污染，不可將樹脂顆粒直接摻入土壤中，需要制作樹脂膜等產品，故課題組進行了以下模擬試驗：把樹脂裝入透氣性好的紗布袋中，在土樣品桶中間掏孔后，把樹脂袋放入孔中間，然后浸水飽和 7 d 后再進行易溶鹽試驗對比，發現加入 1 號吸附樹脂后對灰土中 SO42-含量減少最顯著，SO42-含量減少了 45.6 %（見表 3），試驗結果證明樹脂對土壤中易溶鹽離子的吸附力極好，可用吸附樹脂對土壤中的 SO42-離子進行治理（見圖 1～圖 4）。

表3 吸附性樹脂裝袋放入桶中 7 d 后土壤樣品中易溶鹽變化

圖1 樹脂裝袋吸附灰土中易溶鹽試驗

圖2 現場治理時樹脂孔及注水孔布置參考圖

圖3 加入樹脂袋的灰土樣品桶

圖4 試驗所用的樹脂顆粒

3 結語

1）在灰土中直接摻入吸附樹脂顆粒并將土壤浸水浸泡 7 d 后，土壤中 SO42-離子的含量減小幅度達 98 %，其中放入 1 號吸附樹脂的樣品 SO42-含量減少最顯著，證明 1 號樹脂對土壤中易溶鹽離子的吸附力最好，故選擇適宜的吸附樹脂并浸水浸泡后，樹脂可吸附土中大部分的 SO42-等離子。由于目前市場上的樹脂均為顆粒型，故不宜直接摻入土壤中治理土壤中的離子，需要進一步研究制造樹脂膜等特殊產品應用于鹽漬土土壤治理。

2）本次研究在土壤中挖孔，然后在孔內放入裝袋樹脂后，吸附樹脂對土壤中離子也有較好的吸附作用，土壤中 SO42-離子的含量減小幅度為 45.6 %，其吸附作用顯著低于直接摻入樹脂顆粒的效果，這是因為土壤溶液中的液體流動性差，土壤阻礙了離子與樹脂的接觸，樹脂袋只能吸附其附近的土壤溶液中的離子，故吸附作用慢，但也有非常明顯的效果。

3）從試驗結果發現，用吸附性樹脂改良鹽漬土中的 SO4

2-等離子具有良好的效果和應用前景，在土壤中鉆小孔然后將樹脂裝袋后放入孔中能防止樹脂顆粒直接進入土壤，待土壤中離子被樹脂吸附后可去掉樹脂袋，不將樹脂顆粒留在土壤中，能避免樹脂顆粒對土壤的次生影響。

4）吸附樹脂能很好地吸附溶液中的離子，對不能挖除換土的既有建筑灰土次生鹽漬化膨脹病害，可選擇適宜的樹脂吸附地基土中的易溶鹽離子，樹脂將土中引起鹽漬化及膨脹病害的 SO42-離子吸附后，一是防止了膨脹鹽硫酸鈉的生成，二是消除了鈣礬石生成所需要的 S離子［3］，故治理了 SO42-離子就能消除硫酸鈉吸水膨脹與鈣礬石引起的膨脹。SO42-離子引起膨脹原因主要有硫酸鈉吸水膨脹，此外，有研究發現 SO42-離子與土壤中其他成分結合會生成鈣礬石，鈣礬石也能引發膨脹病害，兩種膨脹，都與 SO42-離子有關，故樹脂吸附法均有效。Q