發(fā)布時間：2019-11-24 15:53

【摘要】：目前人工回灌補給含水層技術(shù)雖然越發(fā)成熟,但是人工回灌條件下膠體與微量元素相互作用機制仍然不十分清楚。在以往有關(guān)微量元素的研究中,膠體的作用往往被忽略。因此,研究對人體健康有重要影響的微量元素Fe和天然膠體在含水層中的相互作用機制,對保證地下水安全尤為重要,尤其是以地下水作為飲用水的地區(qū)。本次研究以二氧化硅膠體和腐殖酸(HA)膠體分別代表天然條件下的無機和有機膠體,以Fe為代表性微量元素,通過室內(nèi)實驗?zāi)M回灌條件下的不同膠體類型(二氧化硅和HA膠體)、不同介質(zhì)(玻璃珠、石英砂和砂)、不同離子強度(IS)、不同離子價態(tài)、和不同水動力條件下Fe的吸附、遷移和滯留。結(jié)合室內(nèi)實驗數(shù)據(jù),使用Comsol Multiphysics模擬平臺,對各個實驗條件下Fe的遷移過程進行了量化模擬和預(yù)測。本論文的主要結(jié)論如下:(1)“Fe-天然膠體”共存條件下的理化性質(zhì)不同膠體類型對“Fe-天然膠體”共存條件下流體動力學(xué)直徑的影響程度不同。二氧化硅膠體對“Fe-二氧化硅膠體”的流體動力學(xué)直徑影響不大,流體動力學(xué)直徑在100nm范圍,不同濃度二氧化硅膠體濃度條件下粒徑相差6nm。HA膠體的加入對“Fe-HA膠體”的流體動力學(xué)直徑影響較大,流體動力學(xué)直徑在1000nm范圍。隨著IS的增加“Fe-天然膠體”的流體動力學(xué)直徑逐漸增大。二價陽離子Ca2+對“Fe-天然膠體”體系的流體動力學(xué)直徑增大的影響大于一價陽離子Na+。此外,不同膠體類型對“Fe-天然膠體”共存條件下懸浮液電勢電位的影響程度也不同。隨著二氧化硅膠體濃度的增大,“Fe-二氧化硅膠體”懸浮液的ζ電勢總體上呈現(xiàn)下降趨勢。隨著HA膠體濃度的增大,“Fe-HA膠體”懸浮液的ζ電勢負(fù)值增大。以上懸浮液電勢均處在±30m V范圍內(nèi),因此都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在“Fe-二氧化硅膠體”懸浮液中當(dāng)存在一價陽離子鈉時,隨著IS的升高ζ電勢逐漸降低,從而趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)存在二價陽離子時隨著IS的升高ζ電勢逐漸升高�！癋e-HA膠體”懸浮液的ζ電勢負(fù)值隨著IS的增大而減小。對懸浮液ζ電勢影響從大到小依次為HA膠體、Fe和二氧化硅膠體。正是由于不同條件下的“Fe-天然膠體”流體動力學(xué)直徑和電勢電位的變化,才導(dǎo)致其遷移轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜化。(2)“Fe-天然膠體”共存條件下的吸附規(guī)律“Fe-二氧化硅膠體”共存體系中,二氧化硅膠體通過占據(jù)介質(zhì)表面的吸附位點阻礙了介質(zhì)對Fe的吸附,相對于無二氧化硅膠體的情況,可減少3%的Fe吸附。玻璃珠和石英砂吸附Fe的能力相當(dāng),砂對Fe的吸附能力最強,在無膠體條件下吸附可達63.05%。在無膠體和加入膠體兩種條件下,玻璃珠介質(zhì)對Fe的吸附均會隨著IS的增大而增大�！癋e-HA膠體”共存體系中,HA膠體的作用機制與二氧化硅膠體有所不同。HA膠體的加入充當(dāng)了共存體系中的吸附位點,其促進了介質(zhì)對Fe的吸附。在本次實驗的三種介質(zhì)中,砂對Fe的吸附能力最強,可達87%。當(dāng)加入HA膠體后介質(zhì)對Fe的吸附能力均明顯增強。(3)“Fe-天然膠體”共存條件下的遷移規(guī)律“Fe-二氧化硅膠體”共存體系中,二氧化硅膠體同樣通過占據(jù)介質(zhì)表面的吸附位點從而促進Fe的遷移。在沒有膠體和加入二氧化硅膠體兩種條件下,Fe在介質(zhì)中的遷移能力從強到弱依次為:玻璃珠、石英砂和砂。二氧化硅膠體在石英砂介質(zhì)中對Fe峰值濃度的促進最明顯,可達25%。隨著IS增大和流速減小,Fe的遷移能力明顯變?nèi)�。IS=0.05M(Ca Cl2),流出液中出現(xiàn)了直徑較大的結(jié)合態(tài)“Fe-二氧化硅膠體”,表明結(jié)合態(tài)的“Fe-二氧化硅膠體”可在多孔介質(zhì)中遷移出來�！癋e-HA膠體”共存體系中,HA膠體通過吸附在固相介質(zhì)表面增加介質(zhì)表面的吸附位點阻礙Fe的遷移,HA膠體的加入可使Fe的峰值下降超過70%。砂介質(zhì)中,Fe的滯留現(xiàn)象最明顯,Fe在砂介質(zhì)中的沉積速率系數(shù)高達10-2s-1。隨著隨著IS升高和流速增大,Fe的遷移能力增強。高IS,特別是二價陽離子條件下,陽離子會吸附在HA膠體表面,從而減少Fe的吸附,促進Fe的遷移。IS=0.05M(Ca Cl2),HA膠體存在情況下,“Fe-HA膠體”在遷移過程中被介質(zhì)吸附,流出液中的Fe均為直徑較小未與HA吸附的Fe。(4)“Fe-天然膠體”共遷移數(shù)值模擬在無膠體和加入膠體的情況下模擬Fe穿透曲線結(jié)果和實驗穿透曲線結(jié)果均吻合較好。Fe自身遷移和“Fe-二氧化硅膠體”共存時沉積速率系數(shù)(1.5×10-3s-1)較小,“Fe-HA膠體”共遷移時沉積速率系數(shù)較大,在砂介質(zhì)中“Fe-HA膠體”共遷移時的沉積速率系數(shù)可達4×10-2s-1。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P641.25

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