含水率和流速变化对土壤吸附规律影响的实验研究-YJZ

个高 5cm , 直径 7cm , 两端加贴有陶土板的圆柱体,
陶土板用来阻止土样中土壤细颗粒及其它杂质流
出而保持样液的纯净, 便于取样分析, 动态饱和吸
附实验装置如图 2 所示。
实 验 过 程 为 将 风 干 粉 质 粘 土 分 层, 按 密 度
1. 45g cm 3 均匀装入土样室中, 然后用蒸馏水将土
平衡吸附后, 含水量越高的土 样 中 浓 度 越 低, 而 吸 附 量 越 高。 由此可得出如下结论, 吸 附达到平衡后溶液浓度相同
时, 随 含 水 量 升 高 吸 附 量 增 大。
吸附过程是一个十分复
杂的物理化学过程, 土壤中吸 附的主要方式是物理化学吸
图 3 吸附量随含水量与浓度变化图
附, 即阳离子代换吸附作用和阴离子代换吸附作用。代换吸附是一种离子将土壤胶体中其它 种离子代换出来的能力, 不仅取决于电荷价, 离中代换离子浓度越大, 代换能力 (即吸附量) 越大, 而被代换的离子浓度越大, 代换
第 17 卷第 2 期 雷电波等: 含水率和流速变化对土壤吸附规律影响的实验研究
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能力越小。
吸附初始阶段, 不同含水量土壤中浓度相同的吸附性离子代换能力相同, 但随吸附向均
衡状态的推进, 低含水量土壤溶液中被代换的离子浓度由于要比高含水量土壤溶液中被代
S n′= C n (V 入 -
Η0W 干) - C 出 V 出 + C n- 1Η0W 干
W干
(3)
式中 C n ——第 n 次渗入液浓度 (Λg m l) ; C n- 1 ——第 n- 1 次渗入液浓度 (Λg m l)。 S n′——第 n 次渗入液所增加的均衡吸附量 (Λg m l) ;
图 4 动态吸附 GT 与静态吸附对比图
参 考 文 献
1 尉庆丰. 粘土和土壤中的反应动力学. 土壤通报, 1992, 23 (2) 2 严健汉, 詹重慈. 环境土壤学. 武汉: 华中师范大学出版社, 1985 3 S A k ra tanaku l. So rp t ion p rocesses a s influenced by po re w a ter velocity, 2, Exp eri2
S
=
W
(C 0 m
C)
(1)
式中 W ——倒入土壤溶液体积 (m l) ; S ——土壤对铬离子的吸附量 (Λg g) ;
m ——干土样质量 (g) ; C ——吸附平衡时溶液中铬离子浓度 (Λg m l) ;
C 0 ——倒入土壤中溶液的铬离子浓度 (Λg m l)。
实验 1 观测结果如表 1 所示。
换的离子浓度高, 抑制吸附作用能力则更强。即含水量越低, 被代换的离子浓度就越高, 吸附
量也就越小, 最终形成均衡吸附状态下
不同含量的土壤吸附量的差异。
3. 2 饱和土壤中静态、动态吸附比较及
差异的产生原因
由表 2、表 4 的数据, 得到 C —S 的多
项式回归拟合曲线, 如图 4 所示。由图可
知, 对应于相同浓度的铬离子浓度, 动态
5. 93
13. 76
25. 30
61. 11
136. 04
表中 V 时——渗出体积 (m l) ; V 入——渗入液体积 (m l) , 通过马氏瓶刻度读出;
C 0 ——马氏瓶内溶液浓度 (Λg m l) ; C ——渗出样液的浓度 (Λg m l)。 2. 2 实验观测数据的计算
瓶高度保持不变。 实验数据如表 3 所示。
表 3
饱和土样中动态吸附实验结果
C 0 (Λg m l)
1
5
10
20
50
100
200
V 入 (m l)
170
175
165
186
178
171
174
V 出 (m l)
170
175
165
186
178
171
174
C (Λg m l)
1. 16
0. 93
20 14. 490 1. 582
50 33. 551 4. 724
100 68. 300 9. 104
200 151. 241 14. 073
2 饱和土壤中动态吸附实验
2. 1 实验装置及实验过程
整个实验装置由供液马氏瓶、土样室、接样液
瓶三部分组成, 供液马氏瓶用来装一定体积的待
入渗溶液, 且使瓶内溶液保持定水头; 土样室为一
含水率和流速变化对土壤吸附规律 影响的实验研究
雷电波 杨金忠
(武汉水利电力大学)
摘 要 通过重铬酸钾溶液的静态吸附实验和动态吸附实验分别研究了含水量变化及流 速变化对土壤中吸附作用的影响, 得到以下结论: ①饱和土壤的吸附量大于非饱 和土壤中的吸附量, 且具有土壤含水量越低, 吸附量越小的趋势; ②动态流场中 溶质的吸附量比在静态不动水体中溶质的吸附量要大。
1含水量变化影响吸附作用的规律及原因分析图3吸附量随含水量与浓度变化图根据表1数据以溶液浓度c含水量为xy轴吸附量s为z轴作出sc散点图及其在xy平面上的投影点如图3所示由图3可见4个土样中含水量不同而初始浓度相同的溶液达到平衡吸附后含水量越高的土样中浓度越低而吸附量越高
第 17 卷第 2 期 华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 V o l. 17 N o. 2 1996 年 6 月 Jou rnal of N o rth Ch ina In stitu te of W ater Con servancy and H ydroelectric Pow er J une 1996①
样自下而上饱和, 再用浓度为 1Λg m l 的重铬酸钾 溶液置换马氏瓶中的蒸馏水, 此后每当样液瓶中
图 2 动态吸附实验装置图
承接的样液量达可测体积约 10m l 时, 换用新接样瓶继续接样, 记下每次换瓶时间, 测定取 下的接样瓶内的溶液体积及浓度。持续这一换瓶过程, 直至出现测得的取样瓶中浓度等于马
由于一系列浓度由低到高的溶液对同一土样进行渗透, 因此 S n′仅对应第 n 次渗入液所 增加的均衡吸附量, 而第 n 次渗入液所对应的真实均衡吸附量应为所有 S ′1, S ′2, …, S n′之和。 最终得到浓度与均衡吸附量数据见表 4。
表 4
饱和土样动态吸附实验计算结果
① 收稿日期 1996—01—29 国家自然科学基金资助项目
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华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 1996 年 6 月
图 1 静态吸附实验装置图 所取样液用分光光度计进行浓度分析。 浓度分析采用比色法。 比色分析就是利用某种
试剂与被测定的元素或离子作用, 生成有色的化合物或悬浊液, 并根据颜色的深浅或悬浊的 程度用比色的方法来确定其含量。
吸附量要比静态吸附量大。 差异产生的
原因同样可用物理化学吸附的离子代换
能力来解释。在动态水流吸附实验中, 由
于土样边界上溶液的不断流入被代换离
子不断被带走而保持低浓度, 但对静态
吸附, 随着吸附进行, 土样溶液中被代换
的离子浓度则很快升高, 因此与水流动
态条件下的吸附相比, 其吸附性离子交 换吸附能力较小。
m en ta l resu lt s,W a ter R esou rce R esea rch, 1983, 135 (6)
Exper im en ta l Studys about the Inf luences on Adsorption Processes by Var ieties of W a ter Con ten t and W a ter Flow Sta te
第 17 卷第 2 期 雷电波等: 含水率和流速变化对土壤吸附规律影响的实验研究
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表 2
C 0 (Λg m l) C (Λg m l)
1 1. 651
S (Λg g)
0. 187
铬离子饱和吸附实验结果
5 3. 150 0. 531
10 6. 934 0. 882
1. 2 实验内容 供试土壤为风干粉质粘土, 饱和体积含水量为 0. 45。实验 1, 用蒸馏水体作溶剂, 重铬酸
钾作溶质, 配制出浓度为 100Λg m l 的重铬酸钾溶液, 量取不同体积的溶液, 分别倒入 4 个 盛有相同重量土样的铁瓷碗内, 获得含水量依次为 0. 32, 0. 36, 0. 41, 0. 45 的 4 种土样。实验 2, 用同样的溶质、溶剂、土样配制出浓度不同的一系列饱和土样。根据铬离子的性质[2], 土壤 颗粒对铬离子的吸附很快到达平衡状态, 因此实验中采用 3 天作为到达平衡吸附的时间。实 验 1 与实验 2 中所得土样都于 3 天后取样, 所得样液用比色法进行测定, 再由下式计算土壤 对铬离子的吸附量。
对于起始浓度为 1Λg m l 的渗入液, 根据质量守恒关系, 均衡吸附量由下式计算
S ′1 = C 1 (V 入 -
Η0W 干) -
W干
C出V 出
(2)
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华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 1996 年 6 月
式中 S ′1 ——土样对铬离子的吸附量 (Λg g) ; C 1 ——第 1 次渗入液浓度 (Λg m l) ; Η0 ——饱和含水量; W 干——干土重 (g) ; C 出——渗出样液浓度 (Λg m l) ; V 入——渗入体积 (m l) ; V 出——渗出体积 (m l)。 其它渗入液系列的吸附量则用公式 (3) 计算, 同样以质量守恒为基础
C (Λg m l) S (Λg g)
1 0. 362
5 0. 813
10 1. 514
20 2. 277
50 7. 775
100 14. 568
200 20. 554
3 实验结果分析
3. 1 含水量变化影响吸附作用的规律及原因分析
根据表 1 数据, 以溶液浓 度 C , 含水量 Η为 X , Y 轴, 吸 附 量 S 为 Z 轴 作 出 S —C , Η 散点图及其在 X Y 平面上的 投 影 点, 如 图 3 所 示, 由 图 3 可见 4 个土样中含水量不同 而初始浓度相同的溶液达到
氏瓶内的渗入液浓度即 1Λg m 为止, 这时吸附作用达到均衡。 据所记录时间得到吸附达到 均衡的时间为 3h。吸附达到均衡的时间与溶液浓度无关[2]。以后依次在马氏瓶内换用 5Λg m l, 10Λg m l, 20Λg m l, 50Λg m l, 100Λg m l, 200Λg m l 浓度的溶液, 每次经过渗流 3h 后, 测 定取样瓶中承接的样液体积及浓度。 最后取土样测定出饱和含水量。 整个实验过程中马氏
1 饱和、非饱和土壤中重铬酸钾溶液静态吸附实验
1. 1 实验设备及实验方法 实验装置由三部分组成: 抽气系统、取样液系统以及土样。抽气系统由真空泵、压力室以
及负压计组成, 用以产生抽取样液所需负压; 样液抽取装置由取样瓶、瓷头以及连接导管组 成, 其中取样瓶要求方便取换且易于密封; 土样装在带盖铁瓷碗内, 实验装置如图 1 所示。 试验中将瓷头埋入土样, 活塞塞紧取样瓶, 使其不漏气, 打开真空泵, 形成一定负压, 并 监测负压计, 当抽入取样瓶的样液达可测量时, 即关上真空泵, 取下取样瓶, 得到所需的样 液。 下次实验更换土样、瓷头、取样瓶, 取样过程相同。
关键词 吸附 含水量 动态吸附 静态吸附 中图法分类号 S 153. 3
引 言
溶质吸附现象与地下水污染紧密相关, 溶质吸附作用的研究对地下水污染的防治以及 污水净化等具有重要意义和价值。目前对溶质吸附作用的研究可归纳为两类: 一类以L ang2 m u ir. F reund lich 的基本吸附模型为基础, 探求应用条件并推广到更为复杂的溶质运移过 程; 另一类是通过实验研究吸附机理以及影响吸附的主要因素。 例如, 通过不同土壤质地的 吸附实验发现吸附量随土壤粘粒含量增加而增加的规律; 通过原状土壤与分散扰动土壤的 对比吸附实验发现原状土壤吸附量小于分散土壤吸附量的规律。 这些实验研究大多是在饱 和溶液静态条件下进行的。本文在此基础上进行了关于吸附作用的室内实验, 探求含水量变 化对吸附规律的影响以及饱和土壤溶液中动态和静态吸附规律的差异。
表 1
含水量变化时土样的吸附实验结果
C 0 (Λg m l) C (Λg m l)
S (Λg g) Η
100 82. 7 3. 428 0. 32
100 79. 6 4. 654 0. 36
100 76. 2 6. 452 0. 41
100 69. 3 8. 881 0. 45
由于抽气产生的最大负压有限, 只对 4 个偏高含水量进行了实验, 实验 2 观测结果如表 2 所示。