多孔介質(zhì)中三氯乙烯的非線性吸附-對流-彌散模型(已修改)
2025-08-29 10:13 本頁面
【正文】 生態(tài)環(huán)境 2022, 17(1): 2834 Ecology and Environment Email: 基金項目：國家 863 項目(2022AA06Z334)；國家自然科學(xué)基金項目(10572090)作者簡介：陸建生(1981－)，男，碩士研究生，主要研究方向 為地下水污染模擬與修復(fù)。Email： *通訊聯(lián)系人：仵彥卿， Email：收稿日期：20220709多孔介質(zhì)中三氯乙烯的非線性吸附 對流彌散模型陸建生，仵彥卿 *，馬長 文，孫承興上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 202240摘要：研究三氯乙烯（TCE）在含水層中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，對評價其在環(huán)境中的影響、預(yù)測其在環(huán)境中的行為規(guī)律及確定相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)有著重要的意義。TCE 在細(xì)砂中的等溫吸附規(guī)律研究采用批試驗和模擬柱試驗方法。批試驗結(jié)果采用四種不同的非線性等溫吸附模型進(jìn)行擬合。結(jié) 果顯示， LinearLangmuirFreundlich (LLF) 模型的擬合效果最佳，且該模型能較好地描述表面吸附和分配作用。利用經(jīng)典對 流擴(kuò)散模型，將以 KCl 為示蹤劑的柱試驗結(jié)果采用非線性最小二乘法反演模擬柱中的縱向彌散度；利用非線性吸附對流擴(kuò)散模型，將 TCE 的模擬柱試驗結(jié)果采用遺傳算法反演吸附參數(shù)；結(jié)果顯示 Langmuir 等溫吸附模型描述柱試驗中的吸附模式最好。即批 試驗與柱實驗中的吸附模式是不同的。該結(jié)論表明必須重新審視非平衡吸附理論在運移模型中的適用性，以及該理論 適用的前提條件。在 試驗結(jié)果和模型反演 獲得的參數(shù)基礎(chǔ)上確定的 TCE 在多孔介質(zhì)中運移的一維非線性吸附對流擴(kuò)散模型，能 夠很好地揭示 TCE 在多孔介質(zhì)中的運移規(guī)律，且模型中的阻滯系數(shù)是 質(zhì)量濃度的非線性函數(shù)。關(guān)鍵字：三氯乙烯。 等溫非線性吸附?！?表面吸附?！?分配作用?！?遺傳算法。 非線性吸附對流 擴(kuò)散模型中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16722175 （2022）01002807三氯乙烯（trichloroethylene, 簡稱TCE）是易揮發(fā)的有毒氯代有機(jī)物。因廣泛的 應(yīng)用和不恰當(dāng)處置，使得TCE 已經(jīng)成為土壤和地下水 環(huán)境中的常見污染物。國內(nèi)外已有多次在地下水中檢測出TCE的報道[12]。研 究 TCE在 含 水 層 中 的 遷 移 與 轉(zhuǎn) 化 規(guī) 律 ，對 評價 其 在 環(huán) 境 中 的 影 響 、預(yù) 測 其 在 環(huán) 境 中 的 行 為 及確 定 相 應(yīng) 的 修 復(fù) 技 術(shù) 有 著 至 關(guān) 重 要 的 作 用 [34]。遷移 轉(zhuǎn) 化 過 程 主 要 包 括 對 流 作 用 、水 動 力 彌 散 、吸 附解 吸 作 用 、化 學(xué) 反 應(yīng) 和 生 物 作 用 等 。本 文 重 點 研 究TCE在 含 水 層 中 的 對 流 作 用 、水 動 力 彌 散 作 用 和吸 附 作 用 。對 流 決 定 了 污 染 物 的 運 動 方 向 和 速 率 。 一 維 水 動 力 彌 散 使 污 染 物 產(chǎn) 生 縱 向 的 轉(zhuǎn) 移 ；污 染 物與 多 孔 介 質(zhì) 之 間 的 吸 附 解 吸 作 用 使 污 染 物 的 遷 移受 到 阻 滯 。在對遷移模型中的吸附模型研究時，往往在局部吸附平衡的假設(shè)下直接采用等溫吸附實驗的結(jié)果，但許多研究表明由于動力吸附 [45]及水流運動 [67]的原因，等溫吸附平衡方程常不能直接應(yīng)用在遷移轉(zhuǎn)化模型中。對此許多研究者采用非平衡吸附模型理論 [5, 8]和局部平衡局部動力學(xué)吸附的兩點吸附理論 [911]來描述遷移過程中的吸附行為。但是這些理論只考慮了動力吸附的影響，卻沒有考 慮整個吸附過程中的吸附機(jī)理是否也發(fā)生了變化。近年來的研究表明沙土對有機(jī)物的吸附往往是分配作用和表面吸附共同作用的結(jié)果 [1213]。按非平衡吸附理論，這兩種吸附機(jī)理在遷移吸附過程中的作用會同比例增減，另外，在兩點吸附理論中也是線性相關(guān)的增減。然而實際中，受水流和擴(kuò)散作用等的影響，這兩種吸附機(jī)理間的作用是否真是這種簡單的線性改變，有待商榷。本文假定，在遷移過程中的吸附是一種動態(tài)的平衡吸附，即等速等溫吸附，據(jù)此分別研究TCE在靜態(tài)和動態(tài)條件下的吸附機(jī)理。文中進(jìn)行了 TCE 的等溫吸附批實驗和模擬砂柱運移試驗。吸附批實驗的目的在于研究 TCE 在單溶質(zhì)系統(tǒng)條件下的等溫吸附平衡模型，同時也為確定砂柱中的吸附模型提供參考依據(jù)。對于模擬砂柱運移試驗，首先通過示蹤試驗 確定砂柱中的縱向彌散度，然后依據(jù)砂柱試驗中的 TCE 吸附結(jié)果，建立相應(yīng)的對流擴(kuò)散吸附模型，通 過遺傳算法和特征CrankNikson 有限差分法進(jìn)行水動力參數(shù)和吸附參數(shù)的反演，確定 TCE 在砂柱中的最佳的等速等溫吸附模式。通過對比研究，分析水流運動對 TCE 吸附特性的影響，并且采用數(shù)學(xué)模型模擬 TCE 在一維含水層中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。1 實驗部分 實驗材料細(xì)砂：來源于長江河灘，經(jīng)處理后，密度為 gcm3 ，不均勻系數(shù)約為 ，曲率系數(shù) 約為 ，均勻沙粒，其有效粒徑 d10為 mm，含微量有機(jī)陸建生等：多孔介質(zhì)中三氯乙烯的非線性吸附對流 彌散模型 29質(zhì)。5 號石英砂：白色，其粒徑為 ~ mm，粒度均勻，含硅量大于 %，三氧化二鐵小于 %，購于上海蘄春石英砂供應(yīng)有限公司。TCE：分析純，含量大于 %，購于中國醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司。KCl：分析純， 購于中國醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司。 實驗儀器麥隆 6P 多參數(shù)水質(zhì)測定儀；有機(jī)玻璃柱（ m m）；16 ml 棕色頂空瓶； Agilent6890 氣相色譜儀（GC ），檢測器為微池電子捕 獲器(μECD)，毛細(xì)柱為 DMAQUA（60 m mm1 μm）。TCE 測試條件：GC 進(jìn)樣口溫度 230 ℃, 載氣為高純氮，爐箱起始溫度為 60 ℃，以 4 ℃min1 升至 92 ℃；檢測器300 ℃ 實驗方法 單溶質(zhì)系統(tǒng)下的等溫吸附實驗在 11 個容量為 60 mL 的棕色 試劑瓶中，分 別加入 177。 g 細(xì)砂，然后加入不同質(zhì)量濃度的 TCE 溶液（~ mgL1）至瓶內(nèi)無氣相空間，加塞密封，把棕色試劑瓶放入 177。 ℃恒溫振動水浴鍋中振動 24 h，瓶中上清液經(jīng)處理后用 GC 測定其 TCE 質(zhì)量濃度。以同樣的方法進(jìn)行 TCE 在 5號石英砂中的等溫吸附實驗。 彌散度測定實驗用蠕動泵以 mLmin1 的流量在柱子底端持續(xù)通入質(zhì)量濃度為 1 gL1 的 KCl 溶液，然后在165，174，181，187，195，200，204，209，214，219，226，233，240，250，264，281，292，308 min 時，在離柱子底端 30 cm 處取樣，用麥隆 6P 多參數(shù)水質(zhì)測定儀測定樣品的電導(dǎo)率。 TCE 運移砂柱實驗用 蠕 動 泵 以 2 mLmin1 的 流 量 在 柱 子 底 端 持續(xù) 通 入 質(zhì)
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