离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究.pdf
《离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3史绪山,康鸿源,潘欢迎,等.离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):1 6 2-1 6 9.S h i X u s h a n,K a n g H o n g y u a n,P a n H u a n y i n g,e t a l.E x p e r i m e n
2、t a l s t u d y o n t h e e f f e c t o f i o n e x c h a n g e o n s o l u t e t r a n s p o r t i n a s a n d y t a n kJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):1 6 2-1 6 9.基金项目:国家自然科学基金项目(4 2 1 7 2 3 1 8)作者简介:史绪山(1 9 9 2),男,现正攻读水文地质学专业博士学位,主要
3、从事水岩相互作用下地质灾害成因机制研究工作。E-m a i l:x u s h a n_s h i c u g.e d u.c n通信作者:潘欢迎(1 9 7 5),男,副教授,主要从事水文地质和环境地质领域的教学和科研工作。E-m a i l:p h y 7 51 6 3.c o m E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t
4、i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究史绪山,康鸿源,潘欢迎,柴 波(中国地质大学(武汉)环境学院,武汉 4 3 0 0 7 8)摘 要:为研究河流阶地和洪积扇这类典型水力沉积单元污染物运移规律,搭建了大尺寸室内渗流槽开展溶质运移实验。通过点投放N a NO3溶液模拟点源污染物在水力沉积物中的运移过程,测定不同位置主要离子成分随时间的变化,用于分析离子交换过程对于溶质运移的影响及溶质迁移规律。结果表明:在运移过程中,NO2-3属于保守性离子,穿透曲线呈尖瘦形,N a+受阳离子交替吸附作
5、用的显著影响,峰形陡升缓降;阳离子交替吸附作用降低了N a+的弥散度,离子交替吸附作用对弥散度的影响随着运移距离的增加愈加明显;运移初期高浓度N a+在砂层中能交换出相当数量的C a2+,M g2+,K+等离子;运移后期阳离子交替吸附反应方向改变,沉积砂层吸附水中的C a2+,M g2+,K+,穿透曲线存在3种阳离子低于背景值的情况;交替吸附作用使得对流-弥散作用下的N a+质量浓度穿透曲线形状更加宽缓,“拖尾”现象更为明显;渗流砂槽内不同区域的水化学类型在空间上产生了差异性。研究成果对于开展水力沉积单元地下水污染防治具有一定指导意义。关键词:溶质运移;阳离子交替吸附作用;浓度穿透曲线;对流-
6、弥散作用2 0 2 1-1 1-0 8收稿;2 0 2 2-0 4-2 9修回;2 0 2 3-0 1-3 0接受中图分类号:P 6 4 1 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 1 6 2-0 8d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 1 0 6 9 7 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):E x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e e f f e c t o f i o n e x c h a n g e o ns o l u t e t r a n
7、 s p o r t i n a s a n d y t a n kS h i X u s h a n1,K a n g H o n g y u a n1,P a n H u a n y i n g1,C h a i B o1(S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l S t u d i e s,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(Wu h a n),Wu h a n 4 3 0 0 7 8,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v e
8、T o s t u d y t h e t r a n s p o r t o f p o l l u t a n t s i n t y p i c a l h y d r a u l i c s e d i m e n t a r y u n i t s s u c h a s r i v e r t e r r a c e s o r a l l u v i a l f a n s,s o l u t e t r a n s p o r t e x p e r i m e n t s w e r e c a r r i e d o u t i n a n i n d o o r s e
9、e p a g e t a n k.M e t h o d sN a NO3 s o l u t i o n w e r e i n t r o d u c e d i n t o t h e t a n k t o s i m u l a t e t h e p o i n t-p o l l u t i o n i n h y d r a u l i c s e d i-m e n t s.B y m e a s u r i n g t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e m a i n i o n c o m p o n e n t s a t
10、 d i f f e r e n t p o s i t i o n s o v e r t i m e,t h e m i g r a t i o n l a w o f p o l l u t a n t s a n d t h e i o n e x c h a n g e p r o c e s s a r e a n a l y s e d.R e s u l t sT h e r e s u l t s s h o w t h a t NO2-3 i s a c o n s e r v a t i v e i o n,a n d i t s b r e a k t h r o u
11、g h c u r v e(B T C)i s s h a r p a n d t h i n.T h e t r a n s p o r t b e h a v i o u r o f N a+i s s i g n i f i c a n t l y a f f e c t e d b y c a t i o n e x c h a n g e,i t s c o n c e n t r a t i o n r i s i n g s h a r p l y a n d d e c r e a s i n g s l o w l y.C a t i o n e x c h a n g e
12、r e d u c e s t h e d i s p e r s i o n o f N a+,a n d t h e e f f e c t b e c o m e s m o r e o b v i o u s a s t h e d i s t a n c e i n-c r e a s e s.I n t h e e a r l y s t a g e,t h e h i g h c o n c e n t r a t i o n o f N a+c a n e x c h a n g e C a2+,M g2+,a n d K+i n t h e s a n d l a y e r
13、.C a t i o n e x c h a n g e r e d u c e s t h e N a+d i s p e r s i o n c o n c e n t r a t i o n.D u e t o t h e a d s o r p t i o n b y s e d i m e n t,t h e c o n c e n t r a t i o n s o f C a2+,M g2+,a n d K+w i l l b e l o w e r i n t h e l a t e r s t a g e.T h e c h a n g e i n t h e r e a c
14、 t i o n d i r e c-第4期史绪山等:离子交换行为对溶质运移影响作用的实验研究t i o n o f c a t i o n e x c h a n g e m a k e s t h e B T C s o f N a+w i d e r a n d g e n t l e r u n d e r t h e a c t i o n o f a d v e c t i v e d i s p e r s i o n,a n d t h e p h e n o m e n o n o f t a i l i n g i s m o r e o b v i o u s.T h e
15、 w a t e r c h e m i s t r y t y p e s i n d i f f e r e n t a r e a s i n t h e s e e p-a g e s a n k h a v e d i f f e r e n t p r o p e r t i e s i n s p a c e.C o n c l u s i o nT h e r e s e a r c h r e s u l t s h a v e g u i d i n g s i g n i f i c a n c e f o r p r e v e n t i n g a n d c o
16、n t r o l l i n g g r o u n d w a t e r p o l l u t i o n i n h y d r a u l i c s e d i m e n t a r y u n i t s.K e y w o r d s:s o l u t e t r a n s p o r t;c a t i o n e x c h a n g e a d s o r p t i o n;b r e a k t h r o u g h c u r v e;a d v e c t i v e d i s p e r s i v eR e c e i v e d:2 0 2 1
17、-1 1-0 8;R e v i s e d:2 0 2 2-0 4-2 9;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 1-3 0 土壤和地下水污染是影响人类健康的重要问题,该问题涉及污染物的迁移转化规律和水岩相互作用,因而受到广泛关注1。污染物迁移转化过程复杂,在对流-弥散作用的基础上,运移过程涉及到诸多反应,例如离子间的交换反应、重金属吸附、表面络合、氧化还原等。定量刻画污染物运移转化规律,主要通过野外监测、室内实验和数值模拟的手段开展。野外监测和原位测试基于真实的水文地质环境,但众多地质参数未知,且耗时较长2。室内实验边界条件明确,易于实现对于实验变量的控制,常用于研究特定水流
18、系统条件下溶质运移规律3-5,但难以反映宏观结构和非均质性的影响。数值模拟更加容易实现对于某些条件的处理6-9,但大多数数值模拟方法无法涵盖溶质在运移过程中的全部行为7。全面定量地反映污染物的迁移转化规律需要将溶质运移过程和多组分水化学反应结合起来4。实际工作过程中,针对对流-弥散作用的处理已经相当成熟1 0,部分软件根据水文地球化学的反应机理来预测地下水的组分和质量的转移1 1。阳离子交替吸附反应作为最常见的水文地球化学过程,在地下水污染1 2、海水入侵1 3-1 4、土壤盐渍化1 5中扮演重要角色。当前的研究认为,比表面积和电荷常被认为离子交换吸附作用的重要影响因素1 6,黏土介质比表面积
19、大,离子交换作用显著,多数研究集中在黏土介质或者以黏土介质开展相关实验1 7-1 9。而对于黏土含量低的砂层则认为阳离子交换作用不显著,常在室内实验或者数值模拟研究中忽略其影响。在实际工作中,B o r r o k等2 0通过野外试验和室内工作发现分散在含水砂层中的黏土离子交换反应会显著改变 注 入L o u i s i a n a沿 岸 沉 积 物 中 的 水 成 分。C e a z a n等2 1借助小规模示踪试验观察地下水污染羽中的NH4+和K+分布,结果表明,即使在黏土体积分数低于0.1%的情况下,阳离子交换过程也会显著影响NH4+和K+通过砂砾含水层的传输。室内砂箱实验穿透曲线出现的
20、不对称性现象2 2,也极有可能是阳离子交替吸附作用造成的。因此,开展典型含水层中阳离子交换吸附作用研究,对于深入了解盐离子迁移转化以及水岩相互作用具有重要理论和实践意义,从而服务于地下水污染监测、海水入侵和区域水质异常的分析和预防。洪积扇和河流阶地作为人类生活居住的主要场所,地形平坦,地下水资源丰富,是发展城镇的首选地,也是水土污染的易发区和高风险区2 3-2 4。洪积扇和河流阶地由水流搬运堆积形成,具有砾石、砂、泥分层分带的结构特征2 3,受到不同物质性质的影响,地下水和岩土间阳离子交替吸附作用表现更为复杂2 5-2 6。同时,沉积结构直接影响了地下水储水和透水能力,也影响着污染物的运移转化
21、能力2 7。本研究拟构建大尺度室内砂槽模型,针对饱和稳定流条件下盐溶液多种组分浓度变化和运移过程进行监测,开展在阳离子交替吸附作用影响下典型水力沉积单元内污染物运移规律研究,以期指导洪积扇和河流阶地人类生活居住区的污染防控。1 实验设计及测试方法1.1砂槽及沉积结构实验用砂槽的槽体长4 0 0 c m,宽1 0 0 c m,高1 0 0 c m,材质为0.5 c m厚的有机玻璃板,采用1 0 c m1 0 c m2.5 c m的T型槽钢搭建槽体支撑框架。沿着渗流槽长边方向划分3段,其中中段3 4 0 c m区域为填充段,模拟沉积单元的径流区,头尾2段各留有3 0 c m的非填充段,模拟补给区和
22、排泄区。典型洪积扇沉积结构模型具有三段性特征,补给区多为渗透性较好的介质,径流区常含有一系列透镜体,排泄区位于地势较低处,表层常覆盖细粒黏土形成隔水层2 5。参考典型沉积单元布置砾石、中砂和黏土介质。各段之间选用带孔的塑料板分隔,透水孔孔径5 mm,孔密度1个/c m2,以保证水流通畅,塑料板靠近中段一侧贴有尼龙滤网充当反滤层,防止堵塞进水孔和出水孔(图1)。将典型水力沉积单元所具有的“上黏下泥,局部砾石透镜体”结构进行概化,概化后的分层几何尺寸及各层物理性质参数见表1。在渗流槽内布置9个监测孔,用于污染物的投放和取样,监测孔的布设参数及示意图见表2和图2,根据布设情况,1,2,3,6,9号监
23、测孔处于砂槽的中心线上,4,5,7,8位于中心线两侧,其中5号监测孔位于砾石层中,其余监测孔均位于中砂层中。361h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 a.实物图;b.模型示意图;c.定水头装置;d.溶质投放装置;e.取样装置图1 渗流槽系统物理模型F i g.1 P h y s i c a l m o d e l o f t h e s e e p a g e t a n k表1 渗流槽填充介质设计参数T a b l e 1 D e s i g n p a r a m e t e r s o f t h e f i l
24、l i n g m e d i u m o f t h e s e e p a g e t a n k填充介质几何参数物理参数长/c m宽/c m高/c m容重/(k gm-3)孔隙度/%渗透系数/(ms-1)矿物组成黏土1 5 01 0 04 01 8 3 05 81 0-7高岭石、蒙脱石中砂3 4 01 0 06 09 02 4 6 04 41 0-4石英、长石砾石1 0 01 0 02 02 6 5 02 821 0-4石英、云母表2 监测孔布设位置坐标T a b l e 2 C o o r d i n a t e s o f t h e m o n i t o r i n g h o
25、l e s l o c a t i o n s监测孔编号123456789x/c m2 05 08 01 2 0 1 2 0 1 5 0 2 5 0 2 5 0 3 0 0y/c m5 05 05 07 52 55 07 52 55 0z/c m5 05 05 05 07 55 07 57 57 5 注:以模拟槽前端顶部近视点为坐标原点(见图2),长度单位为c m1.2实验流程及测试方法调整砂槽补给区和排泄区溢流水箱分别至0.9 m和0.6 m,通入自来水,形成稳定水流场。通过各监测孔获取水样,得到砂槽内各监测孔位的阳离子浓度背景值。待水流场和水化学场稳定后,利用蠕动泵在1号 孔 注 入 质
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 离子交换 行为 溶质 影响 作用 实验 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。