土柱实验

1《土柱实验》教学指导书一、实验目的1、加强对黄土特性的学习，掌握土壤弥散系数的概念和方法；2、观察污染物在土壤中的迁移情况；3、深入了解土壤对污染物的吸附和解析模型；4、熟悉模拟实验数据的记录和处理，是将来进行污染物运移数学模拟的基础。二、实验内容1、测定土壤的弥散系数2、观察污染物在土壤中的迁移3、建立土壤对污染物的等温吸附模型和吸附动力学模型；4、建立土壤对污染物的等温解析模型和解析动力学模型；三、仪器相片活性碳夹层柱身出水口出水或入水孔四、模拟实验土柱和装置1、土柱的概述实验土柱通常分为两种：非扰动的原状土柱和填装的土柱。原状土柱较好的代表了研究对象的原土壤结构及理化性质。填装土柱可以是经过筛2分的一种土壤,也可以是按一定比例混合的几种土壤。填装土柱不能保持原土壤结构,但是,适用于一定目的的专门研究。例如,通过改变各种参数(土壤粒径、比表面和矿物组分,土壤水的pH值,或土壤的不同混合比例等)，来研究土壤对特定污染物的吸附性能。2、土柱的尺寸土柱的尺寸没有硬性的规定，一般认为圆形土柱的长度大于其直径的2.5倍即可。不过对于要求精确的模拟土柱，其尺寸还要考虑以下几个方面(1)污染物通常含有多种物质，在设计实验的过程中应当以迁移能力最强的污染物为标准来设计土柱，一般来说迁移能力上，有机污染物阳离子污染物阴离子污染物。(2)由于在土柱内建立稳定的非饱和流场的方法不同,当土柱下段含水率偏高，不能满足实验要求时，必须要增长土柱的长度。(3)对于不同的实验目的，必须根据测量方法和测量数据来确定土柱长度与直径的比值。3、入水方式入水方式通常有从上往下渗水和从下往上饱水两种。通常前者用于，地表污染物往土壤中的下渗，可以比较正确的反应该条件下污染物在土壤中的迁移情况，但是无法用于研究土壤对其的吸附作用。而从下往上饱水，可以让土壤与污染物充分接触，是研究土壤对污染物吸附机理和模型的最佳方式。一般情况下，土柱模型都采用定流量水，在要求并不是很高的实验中，通常使用双马氏瓶来固定入水水头，但是在精度很高或者对要求很大，很小或很稳定的水流量时，必须使用蠕动泵入水。4、土柱的注意事项(1)砾石层不管入水方式如何，必须在入水口的土壤前铺设1-2cm厚的砾石层，防治水流对土壤层的冲刷，从上往下渗水时尤其必须注意。而在出水口土壤后也必须铺设1-2cm的砾石层，防治土壤堵塞。(2)尼龙丝网任何不同材料的层位之间，都应该放置尼龙丝网，且必须根据流向和材料来选择尼龙丝网的目数，当顺流向且材料由细变粗时，尼龙网需要目数足够大以阻挡细材料往粗材料中的渗透。(3)反应渗透墙根据实验的目的和所研究的污染物种类，可以适当的在土柱中添加反应渗透墙。反应渗透墙的材料组成厚度都必须经过详细的计算以选取合适的数值。(4)柱身出水处首先为了防止土壤对柱身处水口的堵塞，必须在出水口前布置合适的尼龙丝网；其次在不同的实验中，此出水口有不同的功能，例如水头的测量和水质电导率的测量。(5)土柱内侧必须粗糙，以防止水沿内测管壁的优先流。5、附属设备3马氏瓶、蠕动泵、橡皮管、示踪剂、电导率仪及探头和收集样品用的容器。五、实验步骤1、设计实验确定所用污染物溶液、土柱尺寸、填充物类型和反应渗透墙情况。2、装填土柱装填前，需先测定所填土壤的部分系数，如粒径大小、级配组成、矿物组成、孔隙度、干容重γ和含水量S。装填时采用干堆法，且要利用土壤的干容重γ和含水量S进行计算。根据不同的土柱尺寸，每次装填的高度在H须在5-10cm之间，而每次装填的重量为：W=V·γ(1+S)式中：V——每次装入土体体积(cm3);γ——天然土体干容重(g/cm3);S——室内土壤含水量(%);在每次装入W(g)土壤后,利用压实器进行土壤压实,使其达到规定的土壤土柱高度H。如此试验土柱的干容重与天然情况下土壤干容重将相等或者接近,由此来控制土柱筒内土壤的孔隙率与天然情况下的土壤孔隙率基本相符。3、准备外设根据设计的入水方式，准备马氏瓶或蠕动泵且将其连通；准备容器收集出水口的样品；对于柱身的出水处，根据计划准备电导率或水压表或直接采样。4、记录数据根据不同的实验目的记录数据，具体内容见下章。5、结果分析对记录数据进行处理，分析实验结果；然后需要对数据和结果进行验证，最后得到结论及建议。具体内容见下章。六、实验结果处理（一）测定试验土柱的弥散系数1、示踪剂的选择一般条件下，试验中采用氯化钠作为示踪物质,以氯离子作为测定土的示踪剂。虽然氯离子对于土壤胶体来讲属于惰性离子,但由于阳离子的其仍具有一定吸附作用，为了合理地确定出土柱体的动力弥散系数，须首先进行氯离子的静态平衡吸附试验，以确定土壤对它的最大吸附量及平衡液浓度。42、土壤对氯离子的吸附试验称量20g风干的土壤盛入三角瓶内,再加入200ml氯离子浓度分别为200ppm，400ppm，600ppm，800ppm，1000ppm，1200mp的溶液(水土比为10：1)，在水浴振荡器上振荡5个小时，静置20小时，用离心机离心澄清，取上清液分析其平衡液浓度，用差减法求得土壤胶体对氯离子(CI-)的吸附量。绘制土壤对氯离子吸附平衡曲线。该实验可以得到，土壤对氯离子的最大吸附浓度X。在下面进行的土柱实验中，先用X浓度的氯离子溶液使土柱中突然达到饱和，然后用2/3X浓度的氯离子溶液进行弥散系数的测定。3、流体动力弥散系数的测定在土柱入口连续恒定地注入氯离子浓度为1500mg/l，出口取样测定氯离子的浓度。以出口处氯离子浓度C为Y轴，相应时间为X轴绘制穿透曲线。根据穿透曲线查找以下数值：即当C/C0=0.16，0.5，0.84时的时刻：t0.16；t0.5；t0.84，将时间t0.5的数据代入下列公式v=L/t0.5V——流速；L——土柱长度；得到速度V，然后带入DL=v3(t0.84-t0.16)2/8LDL——弥散系数这样就能得到土壤的弥散系数。（二）建立土壤对污染物的等温吸附(解析)模型和吸附(解析)动力学模型1、实验过程吸附过程土柱先用蒸馏水饱和后，开始加入初始含污染物溶液，调节该溶液流速为Y进行淋滤试验，按一定间隔时间采取淋出液若干毫升进行污染物含量测定.并记录淋入、淋出液的体积。当淋出液污染物浓度接近或达到初始溶液污染物浓度时，可以近似认为污染物的吸附过程达到饱和状态，停止淋滤。解吸过程将上述污染物吸附达到饱和状态的试验土柱搁置36h之后，加入与初始溶液pH值相当的蒸馏水进行污染物的淋溶(流速与上面实验需要一致)解吸试验过程。同样间隔时间取淋出液样分析污染物含量，并记录当时淋入、淋出液体积。当淋入液的体积与上述吸附过程停止淋滤时所加初始溶液的体积相同时，即可停止污染物的解吸淋溶试验。2、建立等温吸附(解析)模型数据处理的基本思路在于，分析数据之间的对应关系，然后应用适当的方程进行拟合。对于等温吸附(解析)模型，现在有三种理论可以用来解释，分别是：Henry曲线：G=KdC5式中：G——吸附量；C——平衡时液相离子浓度（mg/L）；Kd——吸附平衡常数（L/g）。Frendlich曲线：G=KCn式中：G——吸附量；K——常数；n——表示该等温吸附线线性度的常数，介于0与1之间；当液相中被吸附组分浓度很低，或在砂土（CEC值小）中产生吸附时，n→1；C——平衡时液相离子浓度（mg/L）；Langmiur曲线：KC1KCSSm式中：Sm——某组分的最大吸附浓度（mg/kg）；K——与键能有关的常数；实验完成后，将淋出液中溶质的平均浓度C为X轴，溶质在土壤中的单位吸附量(单位残留量)G为Y轴，绘制等温吸附(解析)曲线，对该曲线分别进行上述三种模型的模拟，最后根据模拟的结果进行分析。3、建立吸附(解析)动力学模型吸附(解析)动力学模型，通常有下面四种，分别是：Elovich方程：c=a+b·lnt双常数速率方程：lnc=a+b·lnt抛物线扩散方程：c=a+bt1/2一级反应动力学方程：lnc=a+bt其中：c为溶质在单位土体上的吸附量(mg/kg)；t为反应时间(h)；a为与初始浓度有关的试验常数；b为与吸附活化能有关的吸附速率常数。实验完成后，将淋出液时间t为X轴，溶质在土壤中的单位吸附量(单位残留量)c为Y轴，绘制吸附(解析)动力学曲线，对该曲线分别进行上述四种模型的模拟，最后根据模拟的结果进行分析。