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Cu/Pb/Zn/Cd在多孔介质中的迁移规律及模拟预测

作　者: 孙军娜
导　师: 徐绍辉
学　校: 青岛大学
专　业: 环境科学
关键词: 重金属运移竞争土柱出流实验穿透曲线
分类号: X131.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

由于土壤对重金属离子的强吸附性,传统上把土壤中的重金属看作是不动的。但是在环境条件变化时,土壤中富集的重金属离子会释放到土壤溶液中,并随之运移到地下水中,对地下环境造成污染。因此,研究土壤中的重金属在不同理化条件下的运移转化行为,对防治环境污染和修复已污染土壤具有重要的理论意义。由于土壤中重金属运移过程非常复杂、影响因素较多,为了分析单一因素变化条件下重金属的运移行为,本文选取低反应性石英砂为介质,以污染较为普遍的铜、铅、锌、镉四种重金属作为研究对象,首先研究了四种重金属的静态吸附特性;接着重点研究了这四种重金属在不同孔隙水流速、pH值和离子强度改变下的动态运移行为及作用机制。结合静态吸附实验,应用美国盐土室开发的CXTFIT 2.1软件描述了重金属在石英砂中的运移特征曲线,获得拟合参数,并运用这些模型参数对不同实验条件下重金属在石英砂中的运移行为进行了预测;此外分析了同时存在两种、三种、四种重金属时的竞争及改变pH值时两种重金属竞争的运移行为。得出以下结论:1)静态等温吸附实验中,石英砂对四种重金属的吸附量随着pH值的增加而增大。石英砂对四种重金属的吸附量随着平衡液浓度的增大而增大,且增大的幅度逐渐降低。石英砂对四种重金属吸附能力的大小顺序为Pb＞Cd＞Cu＞Zn。用Langmuir和Freundlich方程对实验数据的拟合过程中,其相关系数都达到了0.9以上（除Langmuir对Cd的拟合外）,拟合结果均较好。2)不同实验条件下,重金属的穿透曲线左半部分陡峭,右半部分相对平坦且有拖尾,低流速、高pH值和低离子强度下穿透曲线的非对称性较为明显。流速增大,重金属的出流早,但流速对四种重金属BTCs峰值的影响有一定差异。低pH值时重金属运移较快,即出流较早,峰值较高。增加离子强度,会降低石英砂对重金属的吸附。这说明若某地的降雨量增大、出现酸性降雨或者被高盐废水污染土壤后,都会使土壤中吸附的重金属离子被解吸下来,运移性增强而污染地下环境。3)由两点数学模型对不同实验条件下重金属的运移行为进行描述可以看出,对穿透曲线拟合的r²＞0.9,MSE＜0.003（除中低流速和pH=7的拟合外）,这就说明应用两点模型能较好地描述重金属的运移行为。应用两点模型预测了石英砂中重金属相对浓度的出流量,预测结果与实测值较接近。对不同深度处流出液浓度的动态变化表明,随着深度由5cm增加到15cm,流出液中重金属的相对浓度对孔隙体积的响应越来越滞后。4)在竞争实验中,重金属的出流比单一离子的早,峰值高。竞争顺序为:pb²⁺＞Cu²⁺＞Zn²⁺＞Cd²⁺。这与单一组分的实验结果有出入。究其原因,可能是因为存在竞争时,其吸附能力大小受重金属水解能力强弱的影响。水解常数pK_Pb（7.8）＜pK_Cu（8.0）＜pK_Zn（9.0）＜pK_Cd（10.1）。改变pH值对重金属两两竞争中Pb²⁺、Cu²⁺吸附量的影响较之Cd²⁺、Zn²⁺更为明显,这可能与不同pH值下存在不同类型的吸附点位有关。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 土壤中重金属运移过程的影响因素及研究进展  9-11
    1.1.1 pH值  9-10
    1.1.2 淋滤速度  10
    1.1.3 土壤粘粒含量  10
    1.1.4 土壤溶液浓度  10-11
    1.1.5 其他重金属的竞争作用  11
  1.2 土壤中重金属运移过程数值模拟的研究进展  11-12
  1.3 研究目的和意义  12-13
  1.4 研究内容  13
    1.4.1 石英砂对Cu/Pb/Zn/Cd的吸附行为  13
    1.4.2 石英砂中Cu/Pb/Zr/Cd的运移  13
    1.4.3 模型拟合及预测  13
  1.5 研究方法及技术路线  13-16
    1.5.1 石英砂中Cu/Pb/Zn/Cd的吸附实验  13-14
    1.5.2 石英砂中Cu/Pb/Zn/Cd的运移实验  14
    1.5.3 石英砂中Cu/Pb/Zn/Cd的模拟与预测  14-16
第二章 Cu/Pb/Zn/Cd的吸附行为研究  16-23
  2.1 材料与方法  16-17
    2.1.1 供试材料  16
    2.1.2 主要仪器设备  16
    2.1.3 Cu/Pb/Zn/Cd的吸附实验方法  16-17
    2.1.4 数据处理方法  17
  2.2 结果与讨论  17-21
    2.2.1 pH值对重金属吸附量的影响  17-19
    2.2.2 四种重金属吸附量的对比  19-20
    2.2.3 拟合结果  20-21
  2.3 小结  21-23
第三章不同理化条件下Cu/Pb/Zn/Cd在石英砂中的运移行为  23-40
  3.1 材料与方法  23-24
    3.1.1 供试材料  23
    3.1.2 主要仪器设备  23
    3.1.3 Cu/Pb/Zn/Cd的运移实验  23-24
  3.2 Br~-的穿透曲线  24-26
    3.2.1 运移实验设置  24
    3.2.2 Br~-的标准曲线  24-25
    3.2.3 不同流速条件下Br~-的穿透曲线  25-26
  3.3 孔隙水流速对重金属穿透曲线的影响  26-29
    3.3.1 运移实验设置  26
    3.3.2 不同流速条件下重金属的穿透曲线  26-29
  3.4 pH值对重金属穿透曲线的影响  29-31
    3.4.1 运移实验设置  29-30
    3.4.2 不同pH值时重金属的穿透曲线  30-31
  3.5 离子强度对重金属穿透曲线的影响  31-33
    3.5.1 运移实验设置  31
    3.5.2 不同背景溶液浓度下重金属的穿透曲线  31-33
  3.6 多组分竞争时重金属的运移行为  33-39
    3.6.1 运移实验设置  33
    3.6.2 多组分竞争时重金属的运移行为  33-37
    3.6.3 不同pH值对多组分竞争运移行为的影响  37-39
  3.7 小结  39-40
第四章不同理化条件下Cu/Pb/Zn/Cd在石英砂中运移的模拟及预测  40-74
  4.1 溶质运移的基本理论  40-42
    4.1.1 局部平衡对流-扩散方程(Local Equilibrium Assumption,LEA)  40-41
    4.1.2 非平衡两区模型(Two-region Model,TRM)  41
    4.1.3 非平衡两点模型(Two-site Model,TSM)  41-42
  4.2 不同流速条件下Br~-穿透曲线参数的确定  42-46
  4.3 两点模型中阻滞因子的确定  46-52
    4.3.1 重金属在石英砂中的分配系数(K)  47-48
    4.3.2 不同阻滞因子值对拟合结果的影响  48-52
  4.4 不同流速下重金属穿透曲线参数的确定  52-57
  4.5 不同pH值下重金属穿透曲线参数的确定  57-63
  4.6 不同离子强度下重金属穿透曲线参数的确定  63-68
  4.7 TSM预测石英砂中重金属的运移趋势  68-73
  4.8 小结  73-74
结论  74-76
参考文献  76-81
攻读学位期间的研究成果  81-82
致谢  82-84

Cu/Pb/Zn/Cd在多孔介质中的迁移规律及模拟预测

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