填埋场地电模型的电学特性

 摘要：利用高压直流电法进行了填埋场人工合成衬层漏洞检测，当供电电压为400，350，300V时，改变供电方向，地电模型表现出不同的电学特征.结果表明，由于高密度聚乙烯和土壤充分接触，在其接触面上形成类似于PN结的导电膜.当膜下电极为负时，模型所表现出的容性特征

远超过当膜下电极为正时所表现出的容性特征.探讨了这种导电膜的形成和机理，并得出电容的大小将随着衬层面积以及电压的增加而增长的结论.

关键词：高密度聚乙烯；土壤；电解电容；PN 结

 

在美国等发达国家，高压直流电法在填埋场渗漏检测中取得了较为成功的应用 .高压直流电法在多种测量方法(地下水监测法、扩散管法电容传感器法、跟踪剂法、电化学感应电缆法、电学法)中具有测量准确、可实施性强等特点 .然而，直流电法抗干扰能力差.作者试图研究出一种交变的供电信号，以增强其抗干扰的能力，进而提高监测系统的定位准确性.

1  材料与方法

1.1  试验场所

长40m宽10m深0.8m的模拟填埋场(图1)，池内铺设1.2mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)衬层还有约 200mm 厚的沙土，模拟填埋场的垃圾.池内沙土中埋 1 个供电电极，池外的土壤中埋 1 个供电电极.

1.2  仪器与电路连接

FLUCK-187数字万用表2块；0~1000V可调直流电压源 1 台；1 种供电电极为镀钌钛片电极(20mm×80mm×1mm)，另 1 种供电电极(直径为1.8cm，长度为 100cm)为不锈钢柱体；导线采用1.5mm² 多芯铜丝导线；秒表等.

将电流表串行接入电路中，用来测量供电回路中的电流，将电压表并行接入电路中，用来测量供电电极两端的电压.

图 1试验模型示意

2  结果与分析

2.1  衬层对供电信号的影响

将试验模型池内电极接电源正极，放置于池中沙土中，距离模拟漏洞 100cm.池外电极接电源负极，放置于池外的土壤中，电极埋深 100cm.在恒定电压下，负载呈现出典型的电容充电特性.若将供电电源反接，池内电极接电源负极，池外电极接电源正极，在恒定电压下，负载基本呈现出电阻特性，供电电流在不同电压下随时间变化的情况如图2、图3所示.

图 2池内电极为正极时不同电压下电流的变化

由图2、图3可见，试验模型具有典型的电解电容的负载特性，当电解电容接正向电压时，模型呈现出电容充电过程.当电解电容接反向电压时，模型中的电容充电现象消失，呈现出纯电阻特性.地电模型的等效电路如图 4 所示.R1 为电极的接触电阻，R2 为电流回路的土壤电阻，C为土壤和衬层接触面上形成的具有极性导电膜的容值.

图 3池内电极为负极时不同电压下电流的变化

图 4池内电极为正极时模型的等效电路

   根据高聚物静电产生的机理，任何两个固体，不论其化学组成是否相同，只要两者物理状态不同，其内部结构中电荷载体能量的分布也就不同.当这样两个固体接触时，在固—固表面就会发生电荷再分配.一般认为，当高聚物接触时，介电系数大的高聚物带正电，介电系数小的带负电 .当高密度聚乙烯衬层和土壤充分接触时，在接触面上将出现电荷的再分配，在衬层一端聚集大量负电荷，在土壤一端聚集大量的正电荷，从而在接触面上形成一个 PN 结.当池内电极加正电压，池外电极加负电压时，靠近衬层这端相当于正极，将吸引负电荷；靠近土壤一端相当于负极，将吸引正电荷；从而使原先的 PN 结加厚，也就是加大了阻碍层的厚度.当池内电极加负电压，池外电极加正电压，靠近衬层这端相当于负极，将吸引正电荷，和原来 PN 结上的负电荷进行中和，靠近土壤一端相当于正极，将吸引负电荷，和原来 PN 结上的正电荷进行中和，从而使原先的 PN 结厚度减小， 直至消失.从而使得该导电模型具有了整流特性，即具有了电解电容的特性 .不难看出，电解电容的大小不仅与衬层和土壤的特性有关，而且与衬层的面积成正比.同时，电压越大电容值越大.

2.2  无衬层时土壤负载特性

改变试验场所，在相距 100m 的土壤中(无衬层)，分别埋置一个不锈钢电极，埋深仍然为100cm，其编号分别为 1 号和 2 号.当 1 号电极接电源正极，2 号电极接电源负极时，电流随时间变化的情况如图 5 中系列 1 所示.将 2 号电极接电源正极，1 号电极接电源负极，电流随时间变化的情况如图5中系列2所示.

图 5无衬层时供电电极不同连接方式下电流的变化

从图 5 可见，在无衬层时，模型的负载特性与供电方向无关.但是，土壤中仍体现出电容特性模型的等效电路如图 6 所示，不过此时的电容相比有衬层时小了很多.R1 为电极的接触电阻，R2为电流回路的土壤电阻，C为土壤和衬层接触面上形成的具有极性的导电膜.