【摘要】： 為充分研究不同理化因素對(duì)重金屬在土壤中運(yùn)移的影響,降低不同因素之間的相互干擾,本文選取低反應(yīng)性多孔介質(zhì)石英砂為介質(zhì),在條件可控的情況下進(jìn)行多種重金屬反應(yīng)性運(yùn)移實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,進(jìn)而為分析重金屬污染土壤中多組分反應(yīng)性運(yùn)移行為及重金屬污染修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。 本研究分別開展了Cu~(2+)、pb~(2+)、Zn~(2+)和Cd~(2+)單組分和多組分溶液的室內(nèi)石英砂柱出流實(shí)驗(yàn),并對(duì)每種重金屬進(jìn)行了改變pH值、改變脈沖溶液流速和改變離子強(qiáng)度的出流實(shí)驗(yàn)。 采用梯度正則化方法對(duì)一維溶質(zhì)運(yùn)移方程中源(匯)項(xiàng)的敏感性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差影響和彌散系數(shù)敏感性進(jìn)行了分析。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差對(duì)數(shù)值模擬影響的分析表明,誤差小于5%時(shí)數(shù)值解和精確解之間的誤差比較小,不同正則化參數(shù)對(duì)數(shù)值解影響比較小,但對(duì)迭代收斂速度影響比較大;誤差大于10%時(shí),不同正則化參數(shù)對(duì)數(shù)值解影響比較大。數(shù)值模擬中最終實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的獲得需要在石英砂柱的不同切面處采集溶液,難以實(shí)現(xiàn),本文采用出流端擬合曲線得到的數(shù)據(jù),這可能也是數(shù)值模擬過程中擬合精度有所降低的原因。 本研究利用CXTFIT軟件(只考慮對(duì)流彌散作用)進(jìn)行常規(guī)溶質(zhì)運(yùn)移的模擬,利用PHREEQC軟件(考慮離子交換和吸附作用)進(jìn)行耦合化學(xué)反應(yīng)的溶質(zhì)運(yùn)移模擬,實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明: 隨孔隙水流速增加,重金屬離子出流、到達(dá)峰值結(jié)束的時(shí)間逐漸提前;隨著pH值從7減小到4,重金屬離子峰值逐漸增大,pH越低,重金屬的出流提前,峰值變高;增加離子強(qiáng)度,重金屬離子的穿透曲線具有相似特征,均為隨著溶液背景離子強(qiáng)度的增大,出流峰值增大;重金屬離子混合溶液中離子強(qiáng)度大于單一組分溶液離子強(qiáng)度,出流液中出流峰值與單一組分溶液出流峰值相比也有明顯增加,這與增加溶液背景離子強(qiáng)度的結(jié)果一致,說明增加離子強(qiáng)度可以加快重金屬在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移,降低石英砂對(duì)重金屬離子的吸附。 對(duì)于單一重金屬離子運(yùn)移的模擬,CXTFIT軟件和PHREEQC軟件擬合精確度均較高,決定系數(shù)及MSE相差不大,這主要是單一重金屬離子在多孔介質(zhì)中的吸附、離子交換等反應(yīng)相對(duì)簡(jiǎn)單,而對(duì)于多組分重金屬離子在多孔介質(zhì)中運(yùn)移的模擬,PHREEQC軟件模擬結(jié)果要優(yōu)于CXTFIT軟件的模擬結(jié)果,這與PHREEQC軟件模擬過程中考慮了吸附、離子交換等反應(yīng)有關(guān)。 對(duì)于不同理化條件下重金屬離子的運(yùn)移,從擬合的決定系數(shù)平均值來看,Cu~(2+)、Zn~(2+)和Cd~(2+)的擬合度要優(yōu)于Pb~(2+)的擬合度,這主要是因?yàn)镻b~(2+)的吸附強(qiáng)度較高,而且Pb~(2+)在石英砂柱中發(fā)生的反應(yīng)較Cu~(2+)、Zn~(2+)、Cd~(2+)復(fù)雜,模擬難度加大,模擬精度有所降低,對(duì)比吸附解吸兩個(gè)階段的模擬精度,吸附階段模擬精度較高,在解吸階段精度下降很大。 石英砂柱出流液中隨著重金屬組分的增加,出流液峰值隨之增加,并且出現(xiàn)輸出濃度大于輸入濃度(C/C_0大于1)的情況,主要原因是受層析原理的影響,對(duì)Cd~(2+)的影響要大于其它三種重金屬,Cu~(2+)、Pb~(2+)、Zn~(2+)、Cd~(2+)多組分溶液中Cd~(2+)出流峰值C/C_0最大值為1.526,這說明多組分在多孔介質(zhì)中運(yùn)移的過程中,層析現(xiàn)象對(duì)Cd~(2+)的影響要大于其它三種重金屬,這主要是受重金屬水解能力強(qiáng)弱的主導(dǎo),水解常數(shù)pK:Pb~(2+)(7.8)＞Cu~(2+)(8.0)＞Zn~(2+)(9.0)＞Cd~(2+)(10.1)。多組分重金屬出流輸出濃度大于輸入濃度(C/C_0大于1)情況對(duì)于數(shù)值模擬的影響也較為明顯,模擬精確度有所降低。 為預(yù)測(cè)極端情況下多組分重金屬離子在高鹽或高pH值溶液中的運(yùn)移規(guī)律,利用前面已經(jīng)調(diào)試的PHREEQC軟件對(duì)高鹽(0.25mol/l)和高pH值(pH=7.5)進(jìn)行模擬,模擬情況與已知實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。 本文顧及到了組分之間的相互作用,并在水動(dòng)力彌散過程中耦合了吸附、離子交換等化學(xué)反應(yīng),能夠較好的反映實(shí)際情況,為重金屬污染多孔介質(zhì)的評(píng)估、修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：青島大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：X53
【圖文】：

數(shù)據(jù))的行開始的，以后各行都是與關(guān)鍵詞有關(guān)的數(shù)據(jù)。每一個(gè)數(shù)據(jù)塊都是按一定的句法組成的自由格式。在運(yùn)行開始時(shí)，p壬份王EQC從數(shù)據(jù)文件中閱讀關(guān)鍵詞及其相關(guān)數(shù)據(jù)，以確定元素、交換反應(yīng)、表面絡(luò)合反應(yīng)、礦物相、氣體組分和速率表達(dá)式。從數(shù)據(jù)中所閱讀到的任何數(shù)據(jù)項(xiàng)都可以在輸入文件中用關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)塊重新確定。閱讀了數(shù)據(jù)文件后，就從輸入文件中閱讀數(shù)據(jù)直至遇到第一個(gè)END關(guān)鍵詞，然后進(jìn)行運(yùn)算;之后，又閱讀數(shù)據(jù)文件，直至第二個(gè)END關(guān)鍵詞，進(jìn)行運(yùn)算，如此繼續(xù)到最后一個(gè)END關(guān)鍵詞。這種由END結(jié)尾的關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)塊確定的運(yùn)算稱之為模擬分析。運(yùn)行就是這一系列模擬分析。PHREEQC有一個(gè)強(qiáng)大的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫供輸入和運(yùn)行使用。PHREEQC共有phreeqc.dat、wateq4fdat、儷nteq.dat3個(gè)數(shù)據(jù)庫。每一數(shù)據(jù)庫均有水溶液主要組分，水溶液一般組分，相(氣體和礦物)、表面主要組分和表面一般組分?jǐn)?shù)據(jù)塊。phreeqc.dat和wateq4fdat還有交換器主要組分、交換器一般組分和反應(yīng)速率數(shù)據(jù)塊。其中wateq4fdat包括48種元素、400多種組分、300多種礦物。pHREEQC中水溶組分的活度系數(shù)計(jì)算采用Davies和wATEQDebye一Huckel公式，分別適用的離子強(qiáng)度為小于0.5和lmo比。下圖為軟件運(yùn)行界面圖。曰

寸CXT日了軟件運(yùn)行界面圖

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2737556