CN113702618A - 快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱测试方法 - Google Patents

快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法。能够通过污染物溶液渗透土体使二者吸附交换，以回灌出流液至污染源的形式形成污染物溶液与土体质量恒定的闭合系统，无需土体消解即可获取土体的吸附特性；实现了入流、出流溶液浓度较快接近的目的，易于判断吸附平衡，且缩短了土柱试验平衡时间。本发明克服了批试验所获取土颗粒吸附特性与实际土体吸附特性存在较大差异的问题，克服了常规土柱试验时间较长、吸附平衡难以确定、数值计算边界条件难以表征的问题，更真实地测定实际场地中土体的吸附特性。

Description

快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱测试方法
技术领域
本发明涉及一种土体吸附特性室内试验测试方法，具体涉及一种土体污染物等温吸附曲线的循环闭合土柱测试装置及方法，用于场地土壤中污染物迁移分析模拟及土质防污屏障污染物击穿时间的计算。
背景技术
目前，我国城市化进程非常迅速，工业与市政环保基础设施建设及运营管理水平相对滞后，导致我国城市地下水土污染日益严重。为应对日益严重的水土污染问题，数十年间国内外已进行了大量场地治理研究及工程，其中以土-膨润土及膨润土防水毯(GCL)等土质材料建造而成的垂直阻隔墙技术具有安全可靠、成本低、处理快速等特点，在污染场地原位治理中应用较多。采用上述垂直阻隔墙技术对污染源进行风险管控设计时需进行墙体服役寿命计算，表征土体对污染物吸附能力的等温吸附曲线则是决定设计计算准确性的最关键因素。
土体的等温吸附曲线常用批试验及土柱试验测定。在批试验中，土在溶液中处于接近完全分散颗粒的状态，与溶液中的污染物充分接触吸附，与场地或防污屏障中土体较密实的状态存在显著不同，测试获得的等温吸附曲线往往较实际情况偏大，即获得的土对污染物的吸附能力偏高，进而导致分析模拟的场地污染物迁移偏慢或设计计算的防污屏障服役寿命偏长。
土柱试验可测定一定密实程度的土体对污染物的吸附特性。与批试验相比，常规土柱试验测试的土体密实程度可与工程现场接近，测试过程中污染物的迁移、吸附行为与其在场地、防污屏障中的相似。然而，该方法存在以下不足：有明显拖尾现象，即出流溶液浓度达到相对稳定后长时间(达数月)无法达到源浓度水平，造成难以准确判断土体与溶液中的污染物是否达到吸附平衡；试验结束后需通过完全消解土体来获取土体上污染物的总吸附量，但无法区分土体中土颗粒吸附的污染物与孔隙水中的污染物的分配关系；试验后需要采用解析解或数值计算方法模拟试验的污染物出流曲线来确定相关污染物迁移参数，但污染源浓度与土柱入流界面污染物浓度因分子扩散作用存在差异，计算分析时采用的边界条件一般难以表征常规土柱试验实际的入流边界条件，造成所确定的污染迁移参数准确性低。
发明内容
针对批试验及常规土柱试验的不足，本发明的目的在于提供一种测试土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验装置及方法。通过循环土柱上表面溶液至污染源溶液混合筒消除污染源与土柱入流界面间的浓度差，保证了后续数值计算中边界条件的准确性；通过回灌出流溶液至污染源溶液混合筒实现入流、出流溶液浓度的快速趋同，显著缩短试验结束时间，并避免了土体孔隙液污染物浓度难以准确判断导致的数据处理偏差；借鉴批试验系统中污染物总量保持恒定的优点，装置形成了溶液与污染物的闭合系统，实现土体吸附量的简便测定与计算分析。
本发明的技术方案如下：
第一步：测试前准备
以一定压力将待测土体固结压入土柱筒，达到试验所需的孔隙比和土体厚度；根据待测土体和污染物溶液之间的土水比S/L向污染源溶液混合筒中注入初始浓度c0的污染物溶液；
所述的土水比S/L，为待测土体1的干土质量与污染物溶液4的质量之比，具体实施选取土水比介于1:10～1:25之间。
第二步：循环入流测试
S1、将三通阀保持在连通污染源溶液混合筒和土柱筒的状态，污染源-入流管路-土柱筒-蠕动泵及相应管路是一个完整闭合回路，打开污染源溶液混合筒底部的出水阀门，污染源溶液混合筒提供恒定水压，进而驱动污染源溶液混合筒内的污染物溶液流经土柱筒内的待测试土体后流入到收集系统中，使得污染物溶液在一定压力驱动下流经待测土体并被收集系统收集，蠕动泵以循环速度运行，保证污染源溶液混合筒和土柱筒内部溶液不存在浓度差，便于边界条件表征；
此过程中，每间隔24h，从收集系统和污染源溶液混合筒中取少量溶液待测，并进行以下S2、S3回灌收集系统中的污染物溶液至污染源溶液混合筒中，污染源溶液混合筒中的溶液为入流溶液，收集系统中的溶液为出流溶液；根据入流溶液、出流溶液的电导率监测结果对试验结束时间进行初步判断获得试验结束时间tpredict；
S2、调整三通阀连通污染源溶液混合筒和收集系统5，将蠕动泵8流速调整至回灌速度运行，将收集系统中的出流溶液驱动回灌至污染源溶液混合筒内，然后重新调整污染源溶液混合筒所提供的恒定水压为S1步骤时候的回灌前的水压；
S3、重新调整三通阀连通污染源溶液混合筒和土柱筒，保持蠕动泵流速调整回循环速度，且调整使得污染源溶液混合筒和土柱筒内部溶液浓度达到平均；
所述第二步的S1中，通过在线监测系统实时监测入流溶液和出流溶液的pH和电导率值，入流溶液的pH及电导率连续在1min以上波动不超过±2％时，则回灌作业导致的污染源溶液混合筒2及土柱桶3内部溶液浓度差已被消除。
所述第二步的S1中，对土体吸附特性已知情况下，根据入流溶液、出流溶液的电导率监测结果对试验结束时间进行初步判断获得试验结束时间tpredict：
tpredict＝tEC×Rd,predict
式中，tpredict为试验结束时间；tEC为入流溶液、出流溶液的出流电导率监测值相等时间或出流电导率稳定时间；Rd,predict为估计土柱阻滞因子，根据批试验获取的分配系数折减计算获取其大概分布范围。
第三步：试验结束及其条件
于所述第二步计算得到的试验结束时间tpredict下以原子吸收分光光度计方式测试所收集的入流溶液、出流溶液的浓度，并判断：若连续3天收集的入流溶液、出流溶液的浓度波动均不超过±2％时，终止第二步的循环入流测试，此时污染源溶液混合筒和土柱筒内的溶液浓度相同，以溶液浓度作为吸附平衡浓度ce；
第四步：吸附数据处理
根据平衡浓度ce，采用以下公式计算土体吸附量S：
Figure BDA0003175420070000031
其中，ρd为土体干密度，表示土体孔隙中完全没有水时的密度；n为土体孔隙率，表示土体孔隙体积与土体总体积之比；1000g/L表示溶液密度；
第五步：重复选定多个初始浓度c0的污染物溶液并重复进行第一步至第四步，获取多个平衡浓度ce及其对应的土体吸附量，以平衡浓度ce为横坐标、土体吸附量S为纵坐标绘制待测土体的等温吸附曲线，具体可采用Henry、Freundlich或Langmuir等等温吸附模型对等温吸附曲线进行相应拟合。
本发明通过回灌土柱试验中的出流溶液至污染源实现快速准确测定土体等温吸附曲线等。
所述方法还包括以下第六步；
第六步：水动力弥散系数拟合
依水流方向建立一维坐标系x，以待测土体上边界(入流边界)为原点，按照以下控制方程进行模型计算，对试验获取的入流溶液、出流溶液的平衡浓度曲线进行拟合，获得待测土体的水动力弥散系数：
Figure BDA0003175420070000041
其中，Dh为待测土体的水动力弥散系数；va为污染物溶液在待测土体中的达西流速；t表示时间，c表示土体孔隙液浓度。
上式中，土体吸附量S与孔隙液浓度c的关系即为第四步中获取的土体等温吸附方程。
所述的试验过程中污染物溶液4与待测土体1的体积及质量保持不变，数据处理中根据污染物溶液4试验前后浓度变化快速计算待测土体1的污染物吸附量。
所述的循环速度取为1±0.2PV/h，其中PV为土柱孔隙体积；所述的回灌速度满足在5～10min内将收集系统中的全部出流溶液回灌至污染源溶液混合筒中。
所述S3中，回灌后采用污染源水压调整方法，对于污染源溶液混合筒马氏瓶，在回灌后打开马氏瓶通气阀门并接通负压，降低马氏瓶内气压至通气细管中液面降低至缺口处，关闭通气阀门，此时马氏瓶提供的水压依然处于通气细管缺口液面处。
所述第六步中设置以下入流及出流边界条件进行拟合求解获得待测土体的水动力弥散系数：
入流边界：
Figure BDA0003175420070000042
出流边界：
Figure BDA0003175420070000043
其中，
Figure BDA0003175420070000044
及
Figure BDA0003175420070000045
分别为土体中吸附量及孔隙液浓度的平均值，cin表示入流溶液浓度，1000mL/L表示毫升与升单位间的转换。
方法采用土柱试验装置包括污染源溶液混合筒、土柱筒、收集系统和循环及回灌管路；污染源溶液混合筒和土柱筒之间连通，且同时污染源溶液混合筒经循环及回灌管路和土柱筒连通，土柱筒经循环及回灌管路连通到收集系统，收集系统和土柱筒直接连通。
所述的循环及回灌管路包括蠕动泵和三通，污染源溶液混合筒位于土柱筒的上方，污染源溶液混合筒底部经流通池和管路连通到土柱筒顶部；污染源溶液混合筒内容置污染物溶液，污染源溶液混合筒内插装有溶液回灌探管，溶液回灌探管上端穿出污染源溶液混合筒后和蠕动泵的出口连通，蠕动泵的入口和三通的第一端连通；土柱筒内底部容置待测试土体，土柱筒内插装有循环探管，循环探管上端穿出土柱筒后和三通的第二端连通；三通的第三端经管路连通到收集系统中，收集系统经流通池和管路连通到土柱筒底部。
所述的溶液回灌探管底部连通到污染源溶液混合筒内的底部。
所述的循环探管底部连通到土柱筒内待测土体的上方。
本发明能够通过污染物溶液渗透土体使二者吸附交换，以回灌出流液至污染源的形式形成污染物溶液与土体质量恒定的闭合系统，无需土体消解即可获取土体的吸附特性；实现了入流、出流溶液浓度较快接近的目的，易于判断吸附平衡，且缩短了土柱试验平衡时间；试验过程中可以基于入流、出流溶液电导率的在线监测初步判断试验结束时间。
本发明的有益效果主要有以下几点：
1、与批试验测试相比，所描述的土体等温吸附曲线循环土柱测试装置及方法更能真实测定实际场地一定密实状态下的土体等温吸附曲线，而非分散的土颗粒的吸附特性。
2、所描述的测试土体吸附特性的循环土柱试验装置及方法，借助回灌实现土柱试验中入流、出流溶液浓度的快速趋同，缩短试验时间，试验过程中通过入流、出流溶液浓度达到一致直观判断土柱吸附是否达到平衡。
3、所描述的测试土体吸附特性的循环土柱试验装置及方法，通过循环污染源溶液混合筒和土柱筒内的溶液，消除了管路中因扩散及回灌导致的溶液浓度差，解决了数值计算中的边界条件难以准确表征的问题。
4、所描述的测试土体吸附特性的循环土柱试验装置及方法，在试验过程中，试验系统中污染物总量恒定，可根据试验前污染源的初始浓度及达到平衡后的平衡浓度及试验系统土水比，直接计算得到污染物在土柱中的吸附量，无需进行土体消解即可获取土柱的等温吸附曲线。
附图说明
图1为本发明试验装置示意图。
图2为通过本发明实施获取的出流液电导率监测曲线示例。
图3为通过本发明实施获取的污染物入流出流曲线结果示例。
图4为通过本发明实施获取的土柱等温吸附曲线示例。
图5为通过本发明实施获取的水动力弥散系数拟合结果示例。
附图中，1、待测试土体；2、污染源溶液混合筒；3、土柱筒；4、污染物溶液；5、收集系统；6、入流管路；7、循环及回灌管路；8、蠕动泵；9、三通；溶液回灌探管2-1；通气细管2-2；循环探管3-1。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所述，本发明方法实施采用了一种实现测试土体吸附特性的土柱试验装置。方法采用土柱试验装置包括污染源溶液混合筒2、土柱筒3、收集系统5和循环及回灌管路7；污染源溶液混合筒2和土柱筒3之间连通，且同时污染源溶液混合筒2经循环及回灌管路7和土柱筒3连通，土柱筒3经循环及回灌管路7连通到收集系统5，收集系统5和土柱筒3直接连通。
循环及回灌管路7包括蠕动泵8和三通9，污染源溶液混合筒2位于土柱筒3的上方，污染源溶液混合筒2底部经流通池和管路6连通到土柱筒3顶部；污染源溶液混合筒2内容置污染物溶液4，污染源溶液混合筒2设有桶盖，桶盖连接有通气细管2-2，通气细管2-2伸入污染物溶液4内。污染源溶液混合筒2内插装有溶液回灌探管2-1，溶液回灌探管2-1上端穿出污染源溶液混合筒2后和蠕动泵8的出口连通，蠕动泵8的入口和三通9的第一端连通；土柱筒3内底部容置待测试土体1，土柱筒3内插装有循环探管3-1，循环探管3-1上端穿出土柱筒3后和三通9的第二端连通；三通9的第三端经管路6连通到收集系统5的容器中，收集系统5的容器经流通池和管路6连通到土柱筒3底部。
污染源溶液混合筒和土柱筒之间的流通池中设有监测探头，监测探头连接到在线监测系统，在线监测系统通过监测探头实时检测该流通池中溶液的pH和电导率。
收集系统和土柱筒之间的流通池中设有监测探头，监测探头连接到在线监测系统，在线监测系统通过监测探头实时检测该流通池中溶液的pH和电导率。
污染源溶液混合筒提供稳定的上部水压，可使用马氏瓶，其中额外设置有溶液回灌探管2-1。
污染源溶液混合筒与土柱筒间设置有循环及回灌管路与蠕动泵，实现出流溶液回灌的功能，且通过循环达到试验期间污染源溶液混合筒与土柱筒内的测试溶液不存在浓度差的目的，便于数值计算中入流边界条件的表征。
土柱筒中设置有循环探管3-1，循环探管3-1与三通相连接，用于提升土柱筒中污染物溶液的循环效果。
污染源溶液混合筒与土柱筒间的管路及收集系统均可分别安装有在线pH及电导率监测系统，以便于确定溶液循环效果及初步判断试验结束时间。
对于马氏瓶形式的污染源溶液混合筒2，污染源溶液混合筒2所提供的稳定上水压即为通气细管缺口处水面高度×10kN/m3(溶液重度)，试验系统下水压为收集系统5中溶液液面高度×10kN/m3，二者差值即为试验水压差。污染物溶液在水压差驱动下以一定流速流经待测土体1进入收集容器5，调整三通阀连接污染源溶液混合筒2和土柱筒3，利用蠕动泵8循环污染源溶液混合筒2及土柱桶3间污染物溶液以消除浓度差。
定时采集收集容器5中的出流溶液，同时取出少量溶液同污染源溶液混合筒2中少量入流溶液一并通过原子吸收分光光度计等方法测试污染物浓度，调整三通阀连接污染源溶液混合筒2和收集系统5将其余出流溶液通过循环/回灌管路7及蠕动泵8回灌至污染源溶液混合筒2中。
随后将三通阀切换回初始状态，继续循环污染源溶液混合筒2及土柱筒3中的溶液，监测入流管路6中的pH及电导率，保证二者间入流溶液浓度在循环后达到相等。
试验过程中实时监测试验系统中入流及出流pH及电导率，入流溶液与出流溶液测试结果相同或出流溶液测试结果稳定时刻记为无吸附性阴离子迁移平衡时间tEC，预估土柱阻滞因子×tEC即为初步判断的试验结束时间。试验进行时间接近预估试验结束时间时关注入流、出流溶液浓度，在入流溶液4和收集系统5中出流溶液浓度一致后，结束试验，依据试验前初始浓度c0及吸附平衡后的平衡浓度ce，根据系统土水比S/L计算得到平衡浓度对应的土柱平衡吸附量。通过多组不同初始浓度循环土柱试验绘制完整的土柱等温吸附曲线。基于所获得土柱等温吸附曲线及数值计算可进一步获取土体水动力弥散系数。
下面结合具体实施例对本发明中土体等温吸附曲线循环土柱测试方法作进一步说明。以下实施例是为了有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。实施例中没有特别说明的操作，参照发明内容中已经给出的方法进行，在此不再赘述。
实施例：
针对某高岭土，采用本发明提出的测试装置及方法，测试100kPa压力下固结后土体的对Pb2+污染物的吸附特性，此时高岭土孔隙比为1.8，土体干密度为928kg/m3。首先进行Pb2+初始浓度为1250mg/L的试验：
第一步，以100kPa压力将一定质量饱和高岭土土体1固结压入土柱筒3，达到试验设计所需孔隙比1.8及土体厚度2cm，此时土柱总固相质量为146g，孔隙体积约100mL。根据土水比1:20向马氏瓶形式的污染源溶液混合筒2中注入2.92L浓度为1250mg/L的污染物溶液4。
第二步，根据试验方案确定的水压差固定污染源溶液混合筒2，本例实验中水压差选取为25kPa，将马氏瓶固定于满足通气细管高于收集系统5液面2.5m处；打开污染源溶液混合筒2出水阀门，此时污染物溶液4以1.3cm/d的流速流经待测土柱1并被收集系统5收集，期间三通阀连接污染源溶液混合筒2和土柱筒3，将蠕动泵8以100mL/h流速运行以循环污染源溶液混合筒2和土柱筒3内部溶液。试验过程中全程通过在线监测系统监测并记录入流、出流溶液的pH及电导率值。
第三步，24h后，从收集系统5及污染源溶液混合筒2中各取1mL溶液，调整三通阀使污染源溶液混合筒2和收集系统5连通，打开蠕动泵8，以300mL/h的回灌速度将其余出流溶液在10min内回灌至污染源溶液混合筒2。
第四步，回灌完成后，调整污染源溶液混合筒2所提供的水压，将负压连接至通气阀门降低马氏瓶内气压后关闭通气阀门，以保持污染源溶液混合筒2提供的水压在回灌后依然处于通气细管缺口处的恒定值。回调三通阀再次使污染源溶液混合筒2和土柱筒3连通，保持蠕动泵8运行，重新调整至100mL/h的循环速度平均污染源溶液混合筒2和土柱筒3内部溶液浓度，期间监视入流管路中溶液pH及电导率，保证循环已使污染源溶液混合筒2和土柱筒3内部溶液充分混合。
第五步，继续试验并重复第三至四步。根据出流液电导率监测图2，本次试验电导率于约75h时达到稳定，即tEC＝75h。根据对待测高岭土预进行的批实验估算1250mg/L源浓度下土柱阻滞因子Rd,predict介于3.5～5，判断试验结束时间tpredict约为260～375h。
第六步，于试验进行的第15天(360h)以原子吸收分光光度计方式测试所收集的入流及出流溶液浓度，发现试验进行至约第12天(300h)后入流、出流溶液浓度连续3天达到相等的935mg/L，如图3所示。试验过程中并未出现传统土柱试验中的拖尾现象，可以判断土体中孔隙液浓度亦稳定于该浓度，停止试验。这一试验结束时间符合第五步中的试验结束时间判断，相较于已有传统土柱试验技术缩短2至4倍，显著缩短了试验时间。此时土柱污染物吸附量为
Figure BDA0003175420070000081
同样进行初始浓度为250、500、750、1000mg/L的循环土柱试验，即可无需进行土体消解得到如图4所示的完整土柱等温吸附曲线，基于Freundlich等温吸附模型拟合得到高岭土土柱的等温吸附方程：
S＝0.351×ce 0.406
第七步，基于上述获取的完整等温吸附曲线带入污染物迁移控制方程，通过多场耦合软件模拟拟合可以得到图5所示的污染物入流、出流曲线模拟结果，此时计算所使用水动力弥散系数Dh＝7.5×10-10m2/s，为试验使用高岭土在1.8孔隙比、1.3cm/d流速下的水动力弥散系数值。
由此可见，本发明能够针对土体进行快速吸附特性测试，试验过程中易于判断土体的吸附平衡，试验全程无需对土体进行消解即可快捷、精确获取不同平衡浓度下对应的平衡吸附量，具有其突出显著的技术效果；在进一步数值计算分析的辅助下，本发明还可以获取土体的水动力弥散系数，进一步扩展了本发明的应用范围。
相比批试验，本发明试验方法可以更真实地测定实际场地中土体的吸附特性，克服了批试验所获取土颗粒吸附特性与实际土体吸附特性存在较大差异的问题，适用于各种原状、重塑黏土或粉土土体的吸附特性测试。相比传统土柱试验，本发明试验方法克服了常规土柱试验时间较长、吸附平衡难以确定、数值计算边界条件难以表征的问题。

Claims (10)

1.一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：方法包括以下步骤：
第一步：测试前准备
将待测土体(1)固结压入土柱筒(3)，达到试验所需的孔隙比和土体厚度；根据待测土体(1)和污染物溶液(4)之间的土水比S/L向污染源溶液混合筒(2)中注入初始浓度c0的污染物溶液(4)；
第二步：循环入流测试
S1、将三通阀(9)保持在连通污染源溶液混合筒(2)和土柱筒(3)的状态，打开污染源溶液混合筒(2)底部的出水阀门，污染源溶液混合筒(2)内的污染物溶液(4)流经土柱筒(3)内的待测试土体(1)后流入到收集系统(5)中，蠕动泵(8)以循环速度运行，保证污染源溶液混合筒(2)和土柱筒(3)内部溶液不存在浓度差；
此过程中，每间隔24h，从收集系统(5)和污染源溶液混合筒(2)中取溶液，污染源溶液混合筒(2)中的溶液为入流溶液，收集系统(5)中的溶液为出流溶液；根据入流溶液、出流溶液的电导率监测结果对试验结束时间进行初步判断获得试验结束时间tpredict；
S2、调整三通阀(9)连通污染源溶液混合筒(2)和收集系统5，将蠕动泵8流速调整至回灌速度运行，将收集系统(5)中的溶液驱动回灌至污染源溶液混合筒(2)内，然后重新调整污染源溶液混合筒(2)所提供的恒定水压为S1步骤时候的回灌前的水压；
S3、重新调整三通阀(9)连通污染源溶液混合筒(2)和土柱筒(3)，保持蠕动泵(8)流速调整回循环速度，且调整使得污染源溶液混合筒(2)和土柱筒(3)内部溶液浓度达到平均；
第三步：试验结束及其条件
于所述第二步计算得到的试验结束时间tpredict下测试所收集的入流溶液、出流溶液的浓度，并判断：若连续3天收集的入流溶液、出流溶液的浓度波动均不超过±2％时，终止第二步的循环入流测试，此时污染源溶液混合筒(2)和土柱筒(3)内的溶液浓度相同，以溶液浓度作为吸附平衡浓度ce；
第四步：吸附数据处理
根据平衡浓度ce，采用以下公式计算土体吸附量S：
Figure FDA0003175420060000021
其中，ρd为土体干密度，表示土体孔隙中完全没有水时的密度；n为土体孔隙率，表示土体孔隙体积与土体总体积之比；1000g/L表示溶液密度；
第五步：重复选定多个初始浓度c0的污染物溶液(4)并重复进行第一步至第四步，获取多个平衡浓度ce及其对应的土体吸附量，以平衡浓度ce为横坐标、土体吸附量S为纵坐标绘制待测土体(1)的等温吸附曲线。
2.根据权利要求1所述的一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：所述第一步的土水比S/L，为待测土体1的干土质量与污染物溶液4的质量之比，具体实施选取土水比介于1:10～1:25之间。
3.根据权利要求1所述的一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：所述第二步的S1中，通过在线监测系统实时监测入流溶液和出流溶液的pH和电导率值，入流溶液的pH及电导率连续在1min以上波动不超过±2％时，则回灌作业导致的污染源溶液混合筒2及土柱桶3内部溶液浓度差已被消除。
4.根据权利要求1所述的一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：所述第二步的S1中，对土体吸附特性已知情况下，根据入流溶液、出流溶液的电导率监测结果对试验结束时间进行初步判断获得试验结束时间tpredict：
tpredict＝tEC×Rd,predict
式中，tpredict为试验结束时间；tEC为入流溶液、出流溶液的出流电导率监测值相等时间或出流电导率稳定时间；Rd,predict为估计土柱阻滞因子。
5.根据权利要求1所述的一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：所述方法还包括以下第六步；
第六步：水动力弥散系数拟合
依水流方向建立一维坐标系x，以待测土体上边界为原点，按照以下控制方程进行模型计算，对试验获取的入流溶液、出流溶液的平衡浓度曲线进行拟合，获得待测土体(1)的水动力弥散系数：
Figure FDA0003175420060000022
其中，Dh为待测土体(1)的水动力弥散系数；va为污染物溶液(4)在待测土体(1)中的达西流速；t表示时间，c表示土体孔隙液浓度。
6.根据权利要求1所述的一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：所述的循环速度取为1±0.2PV/h，其中PV为土柱孔隙体积；所述的回灌速度满足在5～10min内将收集系统(5)中的全部出流溶液回灌至污染源溶液混合筒(2)中。
7.根据权利要求1所述的一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：所述第六步中设置以下入流及出流边界条件进行拟合求解获得待测土体(1)的水动力弥散系数：
入流边界：
Figure FDA0003175420060000031
出流边界：
Figure FDA0003175420060000032
其中，
Figure FDA0003175420060000033
及
Figure FDA0003175420060000034
分别为土体中吸附量及孔隙液浓度的平均值，cin表示入流溶液浓度，1000mL/L表示毫升与升单位间的转换。
8.根据权利要求1所述的一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：方法采用土柱试验装置包括污染源溶液混合筒(2)、土柱筒(3)、收集系统(5)和循环及回灌管路(7)；污染源溶液混合筒(2)和土柱筒(3)之间连通，且同时污染源溶液混合筒(2)经循环及回灌管路(7)和土柱筒(3)连通，土柱筒(3)经循环及回灌管路(7)连通到收集系统(5)，收集系统(5)和土柱筒(3)直接连通。
9.根据权利要求8所述的一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：所述的循环及回灌管路(7)包括蠕动泵(8)和三通(9)，污染源溶液混合筒(2)位于土柱筒(3)的上方，污染源溶液混合筒(2)底部经流通池和管路(6)连通到土柱筒(3)顶部；污染源溶液混合筒(2)内容置污染物溶液(4)，污染源溶液混合筒(2)内插装有溶液回灌探管(2-1)，溶液回灌探管(2-1)上端穿出污染源溶液混合筒(2)后和蠕动泵(8)的出口连通，蠕动泵(8)的入口和三通(9)的第一端连通；土柱筒(3)内底部容置待测试土体(1)，土柱筒(3)内插装有循环探管(3-1)，循环探管(3-1)上端穿出土柱筒(3)后和三通(9)的第二端连通；三通(9)的第三端经管路(6)连通到收集系统(5)中，收集系统(5)经流通池和管路(6)连通到土柱筒(3)底部。
10.根据权利要求8所述的一种快速测定土体等温吸附曲线的循环闭合系统土柱试验方法，其特征在于：所述的溶液回灌探管(2-1)底部连通到污染源溶液混合筒(2)内的底部；所述的循环探管(3-1)底部连通到土柱筒(3)内待测土体(1)的上方。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005013786A (ja) * 2003-06-23 2005-01-20 Gifu Prefecture 土壌からの重金属流出量の推定方法及び推定プログラム
CN105021547A (zh) * 2015-07-08 2015-11-04 浙江大学 一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法
CN107389896A (zh) * 2017-06-12 2017-11-24 河海大学 表层床沙污染物吸附/解吸特性测量装置及其使用方法
CN110231452A (zh) * 2019-05-23 2019-09-13 武汉大学 基于等温吸附曲线预测土壤粘粒含量或盐分含量的方法
CN110296915A (zh) * 2019-07-29 2019-10-01 河海大学 一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法
CN110681685A (zh) * 2019-10-29 2020-01-14 浙江大学 污染场地土壤-地下水一体式模拟修复装置及方法
CN111257541A (zh) * 2020-03-12 2020-06-09 湖南科技大学 一种连续测定土体状态等温吸附曲线的方法
CN112266792A (zh) * 2020-10-22 2021-01-26 江西省地质工程(集团)公司 一种重金属污染土壤复合钝化剂及其制备方法
CN112964610A (zh) * 2021-01-30 2021-06-15 浙江大学 一种模拟污染物在土-膨润土竖向阻隔墙内运移的超重力模型试验装置及方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005013786A (ja) * 2003-06-23 2005-01-20 Gifu Prefecture 土壌からの重金属流出量の推定方法及び推定プログラム
CN105021547A (zh) * 2015-07-08 2015-11-04 浙江大学 一种测定黏性土体非线性等温吸附曲线的方法
CN107389896A (zh) * 2017-06-12 2017-11-24 河海大学 表层床沙污染物吸附/解吸特性测量装置及其使用方法
CN110231452A (zh) * 2019-05-23 2019-09-13 武汉大学 基于等温吸附曲线预测土壤粘粒含量或盐分含量的方法
CN110296915A (zh) * 2019-07-29 2019-10-01 河海大学 一种吹填区土壤盐分弥散系数土柱试验确定法
CN110681685A (zh) * 2019-10-29 2020-01-14 浙江大学 污染场地土壤-地下水一体式模拟修复装置及方法
CN111257541A (zh) * 2020-03-12 2020-06-09 湖南科技大学 一种连续测定土体状态等温吸附曲线的方法
CN112266792A (zh) * 2020-10-22 2021-01-26 江西省地质工程(集团)公司 一种重金属污染土壤复合钝化剂及其制备方法
CN112964610A (zh) * 2021-01-30 2021-06-15 浙江大学 一种模拟污染物在土-膨润土竖向阻隔墙内运移的超重力模型试验装置及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GUAN-NIAN CHEN ET AL.: "Measurement of contaminant adsorption on soils using cycling modified column tests", 《CHEMOSPHERE》 *
张文杰等: "黏土–膨润土屏障中氯离子对流扩散规律研究", 《岩土工程学报》 *

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