CN109323969A - 一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法及其实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法，根据目标场地土壤和地下水岩土介质的特性，将相应的原状土样或者填充扰动土样放入空管中；在上述空管下方放置有产生真空负压的真空箱，在该真空箱内放置有与空管底端相连通的流出液体收集器，在空管中注入有强吸附核素作为示踪剂，并向空管中泵入新鲜的地下水，流出液体收集器收集从空管中流出的地下水并定期取出，记录收集到的液体体积并测量其内核素浓度；该快速迁移土柱实验方法不仅可以缩短单个核素迁移实验的周期，而且可以同时开展不同影响因素的条件实验和平行实验，对实现强吸附核素迁移参数以及迁移能力的快速检测具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及放射性核素迁移转化技术领域，具体涉及一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法及其实验装置。
背景技术
对核设施、铀矿冶(伴生矿)等核辐射区域，国内已开展的土壤与地下水环境放射性水平和辐射剂量调查表明，由于早期设计缺陷和环保意识不足，大部分核辐射区域都存在不同程度的放射性污染，严重威胁着周围生态环境的安全。土壤及地下水环境因其隐蔽性、复杂性与自净能力差，是放射性污染防治的首要任务。
放射性核素在土壤及地下水环境中的迁移能力是预测核设施、铀矿冶和伴生矿等向环境释放通量及危害性评估的重要指标，也是开展放射性污染防治与修复的技术参考。由于土壤及地下水岩土介质对强吸附核素的吸附滞留作用，动态土柱迁移实验的快速检测方法和实验周期受到制约，强吸附核素迁移参数的测定以及迁移能力的测试无法成为核与辐射安全监管的常规指标。强吸附核素由于土壤及地下水岩土介质的吸附滞留作用，实验室中开展的核素迁移试验，通常2～3年周期内核素滞留在土柱体的表层，无法获取核素的浓度分布曲线以及求解迁移参数。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法，该快速迁移土柱实验方法不仅可以缩短单个核素迁移实验的周期，而且可以同时开展不同影响因素的条件实验和平行实验，对实现强吸附核素迁移参数以及迁移能力的快速检测具有重要意义。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法，该实验方法为：
根据目标场地土壤和地下水岩土介质的特性，将相应的原状土样或者填充扰动土样放入空管中；在上述空管下方放置有产生真空负压的真空箱，在该真空箱内放置有与空管底端相连通的流出液体收集器，在空管中注入有强吸附核素作为示踪剂，并向空管中泵入新鲜的地下水，流出液体收集器收集从空管中流出的地下水并定期取出，记录收集到的液体体积并测量其内核素浓度；在收集液体实验结束后，将空管中的土样解体成薄片，测量每片土壤样品中的相应核素的浓度，得到在土柱体垂向上的浓度分布情况，求解核素迁移参数。
进一步，泵入到空管中的地下水其流量和流速根据实验要求可进行相应的调整。
进一步，土样解体成薄片的厚度为3mm。
同时，本发明还提供一种用于如上一种如上所述的强吸附核素快速迁移土柱实验方法的实验装置，其包括有空柱管、蠕动泵、真空箱、真空发生装置以及流出液体收集器，其中所述蠕动泵与所述空柱管的上端相连通，所述真空发生装置与所述真空箱相连通，用于使得所述真空箱处于真空负压状态，所述流出液体收集器放置在所述真空箱内，所述流出液体收集器与所述空柱管的底端相连通，用于收集从所述空柱管内流出的液体。
进一步，所述真空发生装置包括有真空泵、压力表以及橡胶管，其中所述橡胶管连接在所述真空泵和真空箱之间，所述压力表设置在所述橡胶管上。
进一步，所述真空箱的顶端面上设置有多个导流孔，其中所述空柱管通过设置有的橡胶管与所述导流孔相连。
进一步，所述空柱管其内腔底端面处设置有筛板。
进一步，在所述筛板上端面上铺设有聚乙烯细颗粒。
进一步，在所述空柱管的底端处还设置有阀门。
与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：本方案通过将待实验目标土壤和地下水岩土介质放置在空柱管中，并在空柱管中加入强吸附核素作为示踪剂，实验时向空柱管中泵入新鲜的地下水，使得注入的地下水沿着空柱管中的目标土壤和地下水岩土介质向下渗漏，并在空柱管的底端设置有接收其渗漏液体的流出液体收集器，而该流出液体收集器处于一个真空环境中，能够使得空柱管中的液体顺利的流入到该流出液体收集器中，通过定期的对流入到流出液体收集器中的液体进行收集，记录其体积并测量其核素浓度，实现强吸附核素迁移参数以及迁移能力的快速检测。
附图说明
图1为本发明实施例中的强吸附核素快速迁移土柱实验装置结构示意图。
图2为本发明实施例中的真空箱结构示意图。
图3为本发明中实施例一中的粉质壤土Sr-90实测浓度分布示意图。
图4为本发明中实施例一中的粉质壤土Sr-90浓度拟合计算示意图。
图5为本发明中实施例二中的粘土Sr-90实测浓度分布示意图。
图6为本发明中实施例二中的粘土Sr-90浓度拟合计算示意图。
图中：
1-真空箱，2-空柱管，3-蠕动泵，4-流出液体收集器，5-橡胶管，6-筛板，7-阀门，8-导流孔，9-真空泵，10-橡胶管，11-压力表。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本方案为针对现有的实验室中开展的核素迁移试验，通常2～3年周期内核素滞留在土柱体的表层，无法获取核素的浓度分布曲线以及求解迁移参数的问题，进而提出的一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法，该快速迁移土柱实验方法不仅可以缩短单个核素迁移实验的周期，而且可以同时开展不同影响因素的条件实验和平行实验，对实现强吸附核素迁移参数以及迁移能力的快速检测具有重要意义。
本实施例中的强吸附核素快速迁移土柱实验方法，该实验方法为：根据目标场地土壤和地下水岩土介质的特性，将相应的原状土样或者填充扰动土样放入空管中；在上述空管下方放置有产生真空负压的真空箱，在该真空箱内放置有与空管底端相连通的流出液体收集器，在空管中注入有强吸附核素作为示踪剂，并向空管中泵入新鲜的地下水，流出液体收集器收集从空管中流出的地下水并定期取出，记录收集到的液体体积并测量其内核素浓度；在收集液体实验结束后，将空管中的土样解体成薄片，该薄片其厚度为3mm，测量每片土壤样品中的相应核素的浓度，得到在土柱体垂向上的浓度分布情况，求解核素迁移参数。整个实验的实验周期其需要满足强吸附核素在土柱体中有完整的浓度分布曲线，建立一维变饱和带水流模型，计算浓度峰值的垂直运动轨迹及土柱体中的浓度分布，通过定期测量流出液的核素浓度，验证实验周期和调整真空箱中的负压值。并且泵入到空管中的地下水的其流量和流速根据实验要求可进行相应的调整。
参见附图1和2所示，本方案还提供一种用于如上所述的强吸附核素快速迁移土柱实验方法的实验装置，其包括有空柱管2、蠕动泵3、真空箱1、真空发生装置以及流出液体收集器4，其中蠕动泵3与空柱管2的上端相连通，真空发生装置与真空箱1相连通，用于使得真空箱1处于真空负压状态，流出液体收集器4放置在真空箱1内，流出液体收集器4与空柱管2的底端相连通，用于收集从空柱管2内流出的液体。具体的，本实施例中的真空发生装置包括有真空泵9、压力表11以及橡胶管10，其中橡胶管10连接在真空泵9和真空箱1之间，压力表11设置在橡胶管10上，用于监测橡胶管10内的压力值。真空箱1的顶端面上设置有多个导流孔8，其中空柱管2通过设置有的橡胶管5与导流孔8相连。导流孔8设置为多个，本实施例中的真空箱1其上端面开设有十二个导流孔8，其主要是为了可以同时进行多个平行实验，即可以同时开展不同影响因素条件下的平行实验。
为了防止空柱管2中的土壤对底端的橡胶管造成堵塞，本实施例中的原状土样或者填充扰动土样为放置在筛板6上，筛板6设置在空柱管2的内腔底端处。并且为了能够使得空柱管2中的液体能够均匀的渗透到下方的橡胶管中，本实施例在筛板6的上端面铺设有一层聚乙烯细颗粒，并对应的在空柱管2下方的橡胶管上设置有阀门7，通过阀门7可以实现对橡胶管内的液体流通关闭。
实施例一：参见附图3和4所示，实验条件为粉质壤土，喷淋量控制为52mL/d，放射性示踪核素采用Sr-90，总活度为1.24×106Bq，负压值设定为0cm，实验周期为390d。实验周期内收集底部流出液未探测到Sr-90，说明Sr-90迁移曲线的浓度峰未穿透土柱体。实验结束后，将土柱解体为每层3mm的样品，并测量Sr-90的浓度，发现Sr-90浓度峰垂直向下迁移了约3.0cm，峰值浓度为2641Bq/cm3。
表1粉质壤土Sr-90实测浓度分布
| 深度(cm) | 浓度(Bq/cm<sup>3</sup>) | 深度(cm) | 浓度(Bq/cm<sup>3</sup>) |
| 0.0 | 717.2 | 6.6 | 962.8 |
| 0.3 | 921.3 | 6.9 | 876.1 |
| 1.2 | 1817.2 | 7.2 | 691.8 |
| 1.5 | 1811.3 | 7.5 | 632.5 |
| 1.8 | 2138.9 | 7.8 | 506.7 |
| 2.7 | 2140.8 | 8.1 | 396.9 |
| 3.0 | 2641.5 | 8.4 | 332.2 |
| 3.3 | 2569.9 | 8.7 | 247.7 |
| 3.6 | 2189.0 | 9.0 | 205.2 |
| 3.9 | 2313.3 | 9.3 | 157.4 |
| 4.2 | 2350.6 | 9.6 | 141.6 |
| 4.5 | 2129.5 | 9.9 | 90.9 |
| 4.8 | 1942.6 | 10.2 | 70.7 |
| 5.1 | 1870.0 | 10.5 | 52.7 |
| 5.4 | 1619.4 | 10.8 | 43.9 |
| 5.7 | 1454.9 | 11.1 | 32.5 |
| 6.0 | 1340.4 | 11.4 | 21.5 |
| 6.3 | 1178.4 | 11.7 | 19.4 |
分别建立平衡吸附、非平衡吸附(单点吸附模型)两种模式下的核素迁移一维垂直入渗数值模型。计算得到两种模式下Sr-90在土柱体中的计算浓度分布曲线，将实测分布曲线与计算分布曲线对比分析。根据拟合程度，求得Sr-90在粉质壤土中的分配系数Kd、弥散度α、一级速率系数β。
粉质壤土平衡吸附、非平衡吸附两种模式下的计算浓度分布曲线已经差别不大，均可以描述Sr-90在粉质壤土介质中的迁移行为，但是用非平衡吸附模式更为恰当。分配系数为66.0mL/g，弥散度α为1.7cm，β为13.2/d。
实施例二：参加附图5和6所示，实验条件为粘土，喷淋量控制为60mL/d，放射性示踪核素采用Sr-90，总活度为1.24×106Bq，负压值设定为-300cm，实验周期为390d。实验周期内收集底部流出液未探测到Sr-90，说明Sr-90迁移曲线的浓度峰未穿透土柱体。实验结束后，将土柱解体为每层3mm的样品，并测量Sr-90的浓度，发现Sr-90浓度峰垂直向下迁移了约1.2cm，峰值浓度为2390Bq/cm3。
表2粘土Sr-90实测浓度分布
| 深度(cm) | 浓度(Bq/cm<sup>3</sup>) | 深度(cm) | 浓度(Bq/cm<sup>3</sup>) |
| 0.0 | 2253.5 | 3.9 | 1117.6 |
| 0.3 | 2248.5 | 4.2 | 944.8 |
| 0.6 | 2315.9 | 4.5 | 753.2 |
| 0.9 | 2306.0 | 4.8 | 574.6 |
| 1.2 | 2224.8 | 5.1 | 528.9 |
| 1.5 | 2260.1 | 5.4 | 412.3 |
| 1.8 | 2168.5 | 5.7 | 292.2 |
| 2.1 | 2133.1 | 6.0 | 214.8 |
| 2.4 | 1963.9 | 6.3 | 190.1 |
| 2.7 | 1813.7 | 6.9 | 55.5 |
| 3.0 | 1638.8 | 7.5 | 24.5 |
| 3.3 | 1402.7 | 8.1 | 16.3 |
| 3.6 | 1320.6 |
分别建立平衡吸附、非平衡吸附(单点吸附模型)两种模式下的核素迁移一维垂直入渗数值模型。计算得到两种模式下Sr-90在土柱体中的计算浓度分布曲线，将实测分布曲线与计算分布曲线对比分析。根据拟合程度，求得Sr-90在粘土中的分配系数Kd、弥散度α、一级速率系数β。
粘土平衡吸附、非平衡吸附两种模式下的计算浓度曲线几乎已经没有区别，均可以描述Sr-90在粘土介质中的迁移行为。分配系数为210mL/g，弥散度α为3.5cm，β为42.0/d。
综上所述，本方案通过将待实验目标土壤和地下水岩土介质放置在空柱管中，并在空柱管中加入强吸附核素作为示踪剂，实验时向空柱管中泵入新鲜的地下水，使得注入的地下水沿着空柱管中的目标土壤和地下水岩土介质向下渗漏，并在空柱管的底端设置有接收其渗漏液体的流出液体收集器，而该流出液体收集器处于一个真空环境中，能够使得空柱管中的液体顺利的流入到该流出液体收集器中，通过定期的对流入到流出液体收集器中的液体进行收集，记录其体积并测量其核素浓度，实现强吸附核素迁移参数以及迁移能力的快速检测。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法，其特征在于，该实验方法为：根据目标场地土壤和地下水岩土介质的特性，将相应的原状土样或者填充扰动土样放入空管中；在上述空管下方放置有产生真空负压的真空箱，在该真空箱内放置有与空管底端相连通的流出液体收集器，在空管中注入有强吸附核素作为示踪剂，并向空管中泵入新鲜的地下水，流出液体收集器收集从空管中流出的地下水并定期取出，记录收集到的液体体积并测量其内核素浓度；在收集液体实验结束后，将空管中的土样解体成薄片，测量每片土壤样品中的相应核素的浓度，得到在土柱体垂向上的浓度分布情况，求解核素迁移参数。
2.根据权利要求1所述的一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法，其特征在于：泵入到空管中的地下水其流量和流速根据实验要求可进行相应的调整。
3.根据权利要求1或2所述的一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法，其特征在于：土样解体成薄片的厚度为3mm。
4.一种用于实现如权利要求1所述的一种强吸附核素快速迁移土柱实验方法的实验装置，其特征在于：其包括有空柱管、蠕动泵、真空箱、真空发生装置以及流出液体收集器，其中所述蠕动泵与所述空柱管的上端相连通，所述真空发生装置与所述真空箱相连通，用于使得所述真空箱处于真空负压状态，所述流出液体收集器放置在所述真空箱内，所述流出液体收集器与所述空柱管的底端相连通，用于收集从所述空柱管内流出的液体。
5.根据权利要求4所述的一种强吸附核素快速迁移土柱实验装置，其特征在于：所述真空发生装置包括有真空泵、压力表以及橡胶管，其中所述橡胶管连接在所述真空泵和真空箱之间，所述压力表设置在所述橡胶管上。
6.根据权利要求4或5所述的一种强吸附核素快速迁移土柱实验装置，其特征在于：所述真空箱的顶端面上设置有多个导流孔，其中所述空柱管通过设置有的橡胶管与所述导流孔相连。
7.根据权利要求4所述的一种强吸附核素快速迁移土柱实验装置，其特征在于：所述空柱管其内腔底端面处设置有筛板。
8.根据权利要求7所述的一种强吸附核素快速迁移土柱实验装置，其特征在于：在所述筛板上端面上铺设有聚乙烯细颗粒。
9.根据权利要求4所述的一种强吸附核素快速迁移土柱实验装置，其特征在于：在所述空柱管的底端处还设置有阀门。
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