CN105021547B - 一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法。通过压缩固结制备一批2cm高的短土柱，分别与装有不同浓度目标污染物溶液的马氏瓶连接，在定水头条件下进行短土柱击穿试验，获得不同源浓度下目标污染物的出流曲线及出流浓度稳定后短土柱孔隙水中污染物的浓度；出流浓度稳定后对各短土柱切片消解，测定短土柱中吸附的污染物总量，结合不同污染源浓度的测试数据点拟合求得短土柱非线性等温吸附曲线。本发明能够在较短时间内直接获得目标污染物在黏性土土柱中的非线性等温吸附曲线，且试验方法可靠。

Description

一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法

技术领域

本发明涉及了一种等温吸附曲线的测定方法，尤其是涉及了一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法，能在较短时间内直接获得污染物在黏性土土柱中的非线性等温吸附曲线。

背景技术：

黏性土作为防污屏障的重要材料，具有低渗透性及强吸附性的特点。其吸附特性的测定是防污屏障服役时间评估的基础。黏性土吸附非线性明显，吸附参数随污染源浓度及土水比(S/L)的增大而减小，因此必须使用完整的非线性等温吸附曲线来分析其吸附特性。现有的非线性等温吸附曲线的测定方法主要包括Batch试验法和土柱试验法。Batch试验操作简便，占用试验空间小，得到广泛的运用。但是由于该方法固液比(S/L)小于实际土体，测定的非线性等温吸附曲线与实际不相符合。土柱试验法土体状态与自然界中土体实际状态相似，其结果可直接应用于溶质迁移分析。但是其吸附参数的提取过程存在一些不足：浓度剖面法及击穿曲线法在求解吸附参数的过程中假设土水界面的吸附符合线性吸附，忽略了非线性吸附的影响；时间模量法假设扩散系数为0，忽略了扩散作用的影响。此外，对于黏性土土柱而言，土柱试验法还存在击穿时间过长的问题。因此，现有技术中缺少一种能够较短时间内直接获得污染物在黏性土土柱中的非线性等温吸附曲线的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法，用于较短时间直接获得污染物在黏性土土柱中的非线性等温吸附曲线，对于黏性土吸附特性的测定及防污屏障服役时间的评估具有重要意义。

本发明通过以下技术方案实现：

S1、制样：采用两倍于液限的初始含水率配制土样，置于真空搅拌机内混合搅拌4小时，根据预设的土柱孔隙比将泥浆装入土样筒内，使用加压固结仪分级加压，土样筒内形成2cm左右的短土柱，得到多个结构相同的包含有短土柱的土样筒；

S2、淋洗：将多个土样筒分别与各自的马氏瓶如图1所示连接安装，在马氏瓶中加入去离子水，并以总水头高度H作为水压高度施加到短土柱上进行淋洗，总水头高度H与短土柱击穿试验的水头高度相同，测定出流液的电导率，待电导率值稳定后淋洗结束，以清除各短土柱内部孔隙中的杂质；

S3、短土柱击穿：将各个马氏瓶中的去离子水换成污染源浓度为C₀的目标污染物溶液，各个马氏瓶中目标污染物溶液的污染源浓度C₀均不相同，以总水头高度H作为水压高度施加到短土柱上进行击穿试验，使用容量瓶收集土样底部的出流，每隔48小时测定容量瓶中出流液的质量m₁并使用原子吸收分光光度计测定出实时流液中目标污染物的浓度C_t，计算得到孔隙体积PV，由流液中目标污染物的浓度C_t和孔隙体积PV获得各短土柱的击穿出流曲线；

待土样底部出流浓度稳定后，使用原子吸收分光光度计测定出流液中目标污染物稳定时的浓度C_e，并测定各个马氏瓶中溶液下降的高度h₁；稳定后出流液中目标污染物的浓度C_e即为孔隙水中的污染物浓度；

S4、土样切片消解：短土柱击穿试验结束后打开土样筒，取出各短土柱测得其总质量m和短土柱高度L，对短土柱进行切除切片处理后测定得到单位质量湿土中目标污染物全量浓度C_a1和含水量w；

S5、计算吸附在短土柱土样颗粒上的离子浓度C_S，将孔隙水中目标污染物稳定时的浓度C_e和吸附在土样颗粒上的离子浓度C_S分别作为横坐标和纵坐标相结合得到数据点，针对对各马氏瓶的不同污染源浓度C₀下的所有数据点采用Henry吸附模型、Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型分别进行拟合，从中选择最接近所有数据点的曲线作为短土柱非线性等温吸附曲线。

所述步骤S3中，孔隙体积PV采用以下公式进行计算：

PV＝V_st/L

其中，L为短土柱高度，V_s表示孔隙流速，t表示时间。

所述步骤S4中，对所述短土柱进行切除切片处理后测定具体包括：先将短土柱上下面各切除去0.5cm，再将短土柱外圆周周围的表层土体切除2cm的厚度，对于剩余土样分层切片，每2mm分为一层，共分为五层土样；最后将每一层土样分成两份，一份采用微波消解仪进行微波消解，测得单位质量湿土中目标污染物全量浓度C_a1，另一份用来测定含水量w。

所述步骤S1制得的短土柱高度为2±0.5cm。

所述步骤S5中吸附在短土柱土样颗粒上的离子浓度C_S采用以下公式计算：

C_s＝C_a1(1+w)-C_e×w×10^-3

式中，C_s为吸附在土样颗粒上的离子浓度，mg/g；C_e为孔隙水中目标污染物稳定时的浓度，mg/L；C_a1为单位质量湿土中全量浓度，mg/g；w为含水量。

根据试验完成时测定的马氏瓶中溶液下降的高度h₁及马氏瓶中浓度C₀，可以得到流入短土柱中目标污染物的总量m₀；根据试验中测定的出流液的质量及浓度可以得到流出短土柱的目标污染物总量m₂，质量守恒法求得土样单位质量湿土中目标污染物全量浓度C_a2值，可将土样单位质量湿土中目标污染物全量浓度C_a2值与切片消解求得的C_a1相互比较，以进一步说明本发明方法。

利用各短土柱试验获得的击穿出流曲线，通过理论反分析可获得不同源浓度对应的吸附参数，与非线性等温吸附曲线上对应的吸附参数相互校验。

本发明的有益效果为：

本发明能够在较短时间内直接获得污染物在土柱中的非线性等温吸附曲线。

本发明可利用各短土柱试验获得的击穿出流曲线，通过理论反分析可获得不同源浓度对应的吸附参数，与非线性等温吸附曲线上对应的吸附参数相互校验。

并且通过试验过程中将质量守恒分析结果与取样切片消解结果相互比较，本发明方法具有良好的可靠性。

附图说明

图1是本发明试验装置的示意图。

图中：1-马氏瓶；2-导管；3-土样筒；4-土样；5-马氏瓶入口阀门；6-马氏瓶出口阀门；7-土样筒出口阀门。

图2是短土柱击穿出流曲线。

图3是短土柱非线性等温吸附曲线。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于本发明的实施范围。

本发明主要是通过压缩固结制备一批2cm高的短土柱作为土样筒3中的土样4，分别与装有不同浓度目标污染物溶液的马氏瓶1连接，马氏瓶1与土样筒3通过导管2连接，马氏瓶1下端出口处设有马氏瓶出口阀门6，马氏瓶1顶部进口处设有马氏瓶入口阀门5，土样筒3的底端出口设有土样筒出口阀门7。

然后在定水头条件下进行短土柱击穿试验，获得不同源浓度下目标污染物的出流曲线及出流浓度稳定后短土柱孔隙水中污染物的浓度。出流浓度稳定后对各短土柱切片消解，测定短土柱中吸附的目标污染物总量，结合不同源浓度短土柱出流浓度稳定后孔隙水中目标污染物的浓度求得短土柱非线性等温吸附曲线。

本发明以下以测定Pb²⁺在高岭土土柱中非线性等温吸附曲线作为实施例，进一步阐释本发明：

S1:制样：采用180％的初始含水率配制土样，置于真空搅拌机内混合搅拌4小时，根据试验要求的土柱高度及孔隙比，将0.470kg的泥浆装入A1-A6号土样筒内，使用加压固结仪分级缓慢加压到400kPa，制备6组2cm高的短土柱。

S2:淋洗：将A1-A6号土样筒3分别与6个马氏瓶1如图1所示通过导管2连接，打开马氏瓶入口阀门5，关闭马氏瓶出口阀门6，在各马氏瓶1中加入去离子水，关闭马氏瓶入口阀门5，打开马氏瓶出口阀门6、A1-A6号土样筒出口阀门7对土样进行淋洗，水头H均保持为6m，测定出流液的电导率，待电导率值稳定后结束淋洗。

S3:短土柱击穿：将各马氏瓶中的去离子水换成污染源浓度C₀分别为50、100、200、400、800、1000mg/L的Pb²⁺溶液进行短土柱击穿试验。使用容量瓶收集土样底部的出流，每隔48小时测定容量瓶中出流液的质量m₁并使用原子吸收分光光度计测定出流液中Pb²⁺的浓度C_t，每个样品测定三次后取其平均值，获得各土样的击穿出流曲线，结果如图2所示。根据各土样的击穿出流曲线，可以得到目标污染物击穿短土柱的时间及出流浓度稳定时间如下表所示：

表1

其中污染源浓度C₀为50mg/L，其对应的出流浓度稳定时间为2225.08h，相较于4cm高的高岭土土柱击穿试验，出流浓度稳定时间缩减了5倍。

待土样底部出流浓度稳定后，使用原子吸收分光光度计测定出流液中Pb²⁺的浓度C_e，并测定各马氏瓶中Pb²⁺溶液下降的高度h₁。S4:土样切片消解：短土柱击穿试验结束后打开A1-A6号土样筒3，取出各土样4测定其总质量m及高度L₁。土样4上下面各切除0.5cm，周围的表层土体切除2cm。对剩余土样4分层切片，每2mm一层，共分5层。每一层土样4分成两份，一份进行微波消解，测得单位质量湿土中Pb²⁺全量浓度C_a1，结果如表3所示；一份用来测定含水量w。根据质量守恒计算得到吸附量C_S：

C_s＝C_a1(1+w)-C×w×10^-3

式中C_s为吸附在土颗粒上的离子浓度，mg/g；C为孔隙水中污染物浓度，当出流稳定后C≈C_e，mg/L，实际中即采用出流液中Pb²⁺的浓度C_e代入孔隙水中污染物浓度C中计算；C_a1为单位质量湿土中全量浓度，mg/g；w为含水量。

S5:根据各土样出流浓度稳定后孔隙水中Pb²⁺的浓度C_e和吸附在土颗粒上的离子浓度C_S，六个数据点的结果如下表所示：

表2

并加以绘制短土柱非线性等温吸附曲线，采用Langmuir吸附模型得到的为最接近的等温吸附曲线，结果如图3所示。

利用各短土柱试验获得的击穿出流曲线，通过理论反分析可获得不同源浓度对应的吸附参数，与非线性等温吸附曲线上对应的吸附参数相互校验。根据试验完成时测定的马氏瓶1中Pb²⁺溶液下降的高度h₁及马氏瓶1中Pb²⁺浓度C₀，

可以得到流入短土柱中Pb²⁺的总量m₀；根据试验中测定的出流液的质量及浓度可以得到流出短土柱的Pb²⁺总量m₂，质量守恒法求得土样单位质量湿土中Pb²⁺全量浓度C_a2值，结果如表3所示，其结果与切片消解求得的C_a1接近，最大相对标准差低于10％，可见本发明的可行性及其效果。

表3质量守恒及土样切片消解结果

本发明使得高岭土柱对Pb²⁺的非线性等温吸附曲线的测试时间缩短5倍。通过试验过程中A1-A6号短土柱质量守恒分析结果与取样切片消解结果相互比较，发现两者的最大相对标准差低于10％，说明本发明方法具有良好的可靠性。利用试验过程中测定A1-A6号短土柱的击穿出流曲线，通过理论反分析可获得不同源浓度对应的吸附参数，与非线性等温吸附曲线上对应的吸附参数相互校验。

由此可见，本发明在较短时间内直接获得了污染物在土柱中的非线性等温吸附曲线，通过试验过程中将质量守恒分析结果与取样切片消解结果相互比较发现，具有良好的可靠性和显著的技术效果。

Claims (3)

1.一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、制样：采用两倍于液限的初始含水率配制土样，置于真空搅拌机内混合搅拌4小时，根据预设的土柱孔隙比将泥浆装入土样筒(3)内，使用加压固结仪分级加压，土样筒内形成2cm的短土柱，得到多个结构相同的包含有短土柱的土样筒(3)；

S2、淋洗：将多个土样筒(3)分别与各自的马氏瓶连接安装，在马氏瓶中加入去离子水，并以总水头高度H作为水压高度施加到短土柱上进行淋洗，测定出流液的电导率，待电导率值稳定后淋洗结束，以清除各短土柱内部孔隙中的杂质；

S3、短土柱击穿：将各个马氏瓶中的去离子水换成污染源浓度为C₀的目标污染物溶液，各个马氏瓶中目标污染物溶液的污染源浓度C₀均不相同，以总水头高度H作为水压高度施加到短土柱上进行击穿试验，使用容量瓶收集土样底部的出流，每隔48小时测定容量瓶中出流液的质量m₁并使用原子吸收分光光度计测定出实时流液中目标污染物的浓度C_t，计算得到孔隙体积PV，由出流液中目标污染物的浓度C_t和孔隙体积PV获得各短土柱的击穿出流曲线；

根据击穿出流曲线判断土样底部出流浓度是否达到稳定，待出流浓度稳定后，使用原子吸收分光光度计测定出流液中目标污染物稳定时的浓度C_e，并测定各个马氏瓶中目标污染物溶液下降的高度h₁；

S4、土样切片消解：短土柱击穿试验结束后打开土样筒(3)，取出各短土柱测得其总质量m和短土柱高度L，对短土柱进行切除切片处理后测定得到单位质量湿土中目标污染物全量浓度C_a1和含水量w；

S5、计算吸附在短土柱土样颗粒上的离子浓度C_S，将孔隙水中目标污染物稳定时的浓度C_e和吸附在土样颗粒上的离子浓度C_S分别作为横坐标和纵坐标相结合得到数据点，针对各马氏瓶的不同污染源浓度C₀下的所有数据点采用Henry吸附模型、Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型分别进行拟合，从中选择最接近所有数据点的曲线作为短土柱非线性等温吸附曲线；

所述步骤S5中吸附在短土柱土样颗粒上的离子浓度C_S采用以下公式计算：

C_s＝C_a1(1+w)-C_e×w×10^-3

式中，C_s为吸附在土样颗粒上的离子浓度，mg/g；C_e为孔隙水中目标污染物稳定时的浓度，mg/L；C_a1为单位质量湿土中目标污染物全量浓度，mg/g；w为含水量，10^-3表示的单位是L/g。

2.根据权利要求1所述的一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法，其特征在于：所述步骤S3中，孔隙体积PV采用以下公式进行计算：

PV＝V_st/L

其中，L为短土柱高度，V_s表示孔隙流速，t表示时间。

3.根据权利要求1所述的一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法，其特征在于：所述步骤S4中，对所述短土柱进行切除切片处理后测定具体包括：先将短土柱上下面各切除去0.5cm，再将短土柱外圆周周围的表层土体切除2cm的厚度，对于剩余土样分层切片，每2mm分为一层，共分为五层土样；最后将每一层土样分成两份，一份进行微波消解，测得单位质量湿土中目标污染物全量浓度C_a1，另一份用来测定含水量w。