离子强度和pH对高岭石胶体运移影响的实验研究

离子强度和pH是控制胶体运移的两个重要化学影响因素。本文通过高岭石胶体（Kaolinite胶体）在饱和石英砂柱中的出流实验,分析了离子强度（0.0015～0.03mol L^-1）和pH值（5～9）两个因素的变化对胶体运移的影响。结果表明：随离子强度增加,Kaolinite胶体沉淀量增大,运移受阻增强。Kaolinite胶体在中性环境（pH值约为7.10）中沉淀量最小,在酸性环境（pH值约为4.98）中沉淀量最大。     

胶体颗粒对不同粒径饱和多孔介质渗透性的影响

探讨胶体颗粒在多孔介质中迁移所发生的物理、化学及生物作用过程,在许多学科中具有重要的科学意义。采用室内石英砂柱实验,开展了定水头条件下不同浓度和粒径的胶体颗粒在饱和多孔介质中的运移行为研究。共使用了3种胶体粒径、3种浓度的胶体溶液和3种粒径范围的石英砂。实验表明:多孔介质的相对渗透系数K/K0(K为各时刻计算所得的渗透系数,K0为初始渗透系数)减小程度与颗粒浓度成正比;胶体颗粒越大,越易在表层沉积,而小颗粒易向下部迁移,但总体来看粒径效应没有浓度效应明显;当胶体颗粒在不同粒径的饱和多孔介质中迁移时,粒径大的多孔介质各段K/K0均有明显降低,而粒径小的只在表层变化明显。不同条件下总体相对渗透系数与时间之间呈二次方相关关系,但当多孔介质粒径较小时,相关性不显著。介质渗流流速及砂柱不同位置胶体颗粒浓度变化与介质渗透性变化相对应。用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)进行定性表征,进一步说明胶体颗粒会堵塞多孔介质孔隙影响其渗透性。实验中发现当输入浓度C0小于0.5 g·L–1且dp/Dp>0.018(dp为胶体颗粒粒径,Dp为石英砂算数平均粒径)时,会出现多孔介质局部K/K0增大的现象。     

孔隙水流速对胶体在饱和多孔介质中运移的影响

采用室内石英砂柱出流实验和数学模型,研究了流速对自然土壤胶体、蒙脱石胶体和腐殖酸钠胶体在饱和多孔介质中运移的影响。结果表明:孔隙水流速影响着胶体在多孔介质中的运移过程,流速的提高可加速土壤胶体的出流过程,减小蒙脱石胶体和腐殖酸钠胶体的沉积率。胶体的运移过程除受孔隙水流速的影响外,胶体特性的不同亦决定着胶体运移过程的差异,由于胶体表面性质不同,与介质之间的作用力不同,决定了胶体运移过程中的沉积和释放。     

多孔不锈钢基体上多孔SiO2陶瓷膜的制备

为了研究SiO₂陶瓷在孔径1 μm的多孔不锈钢基体上的成膜性能,利用正硅酸乙酯通过胶溶法制得SiO₂溶胶,对其制备过程中氨水的添加量、胶溶温度和胶溶时间以及SiO₂陶瓷膜层制备过程中溶胶的陈化时间、黏合剂种类、制膜液浓度和烧结温度进行了探讨。结果表明,溶胶制备时氨水的添加量为2.1 mol/mol,胶溶温度50℃,胶溶时间12 h;SiO₂陶瓷膜层制备时溶胶的陈化时间为24 h,黏合剂为聚乙烯醇1750（PVA 1750）,制膜液浓度为0.047 mol/L,烧结温度为850℃;该条件下可以制得连续的颗粒状斜方相SiO₂晶体陶瓷膜。     

多孔介质溶质运移边界层理论初探

研究了溶质运移边界层条件和边界层运动方程。采用一个小的运移通量脉冲定义边界层应满足的特征值。应用加Ｌａｐｌａｃｅ变换方法求解边界层问题的浓度解，并推导出边界层运动方程。边界层问题浓度解与精确解比较表明在计算浓度方面误差很小。边界层运动方程的一个重要应用是估算溶质运移参数。这个估算参数的新方法是应用边界层随时间运动的观测信息。这个方法简单，节省时间，并能充分利用边界层运动观测资料。     

腐殖酸-高岭石胶体对铀(VI)在饱和多孔介质中迁移过程的影响

为探讨可溶性有机质存在条件下黏土矿物胶体对铀（VI）在饱和多孔介质中迁移的影响,选取2种石英砂（细砂和粗砂）分别构建均质构型的石英砂柱,研究了饱和水流条件下腐殖酸存在时高岭石胶体对铀在2种不同粒径石英砂中迁移的影响。结果表明,示踪溶质在2种均质石英砂柱中的穿透曲线相似且分布对称。当在石英砂柱中只通入铀（VI）溶液时,铀（VI）在2种粒径石英砂柱中的穿透量均较小（<25%）,此时大量的铀（VI）通过络合作用吸附在石英砂表面上。当通入溶液中存在腐殖酸和高岭石胶体时,铀（VI）在2种石英砂柱中的穿透量增加,且在600~850 μm石英砂中（58.36%）比250~425 μm石英砂中（42.68%）穿透量更多。这充分表明腐殖酸—高岭石胶体和石英砂粒径是影响铀（VI）在地下环境中迁移的重要因素。     

胶体作用下饱和土壤中Cd运移的数值模拟

通过室内土柱出流实验探讨了饱和壤砂土中Cd在SiO2胶体作用下的运移行为,并用对流-弥散方程(Convection-Dispersion Equation,CDE)对实验结果进行了数值模拟。结果表明,土壤中SiO2胶体的存在抑制了Cd的运移,土壤对Cd的吸附以动力学反应为主。耦合Freundlich等温吸附的单点非平衡模型(One Site Nonequilibrium Model,OSM)能较好地模拟Cd在壤砂土中的运移,模拟得到的吸附特性参数β较小,表明壤砂土吸附表面的不均一性较强。SiO2胶体的穿透时间较早,耦合沉淀-释放反应的CDE模型可以很好地描述SiO2胶体在壤砂土中的运移。胶体作用下的CDE模型成功地模拟了SiO2胶体存在时Cd的运移;同时,参数敏感性分析结果表明,胶体对Cd的吸附速率系数kamc、kaic越小,解吸速率系数kdmc、kdic越大,越有利于Cd的运移。     

胶体作用下饱和土壤中Cd运移的数值模拟

通过室内土柱出流实验探讨了饱和壤砂土中Cd在SiO2胶体作用下的运移行为,并用对流-弥散方程(Convection-Dispersion Equation,CDE)对实验结果进行了数值模拟.结果表明,土壤中SiO2胶体的存在抑制了Cd的运移,使Cd穿透时间较晚,出流浓度较低,土壤对Cd的吸附以动力学反应为主.耦合Freun-dlich等温吸附的单点非平衡模型(One Site Nonequilibrium Model,OSM)能较好地模拟Cd在壤砂土中的运移,模拟得到的吸附特性参数β较小,表明壤砂土吸附表面的不均一性较强.SiO2胶体的穿透时间较早,耦合沉淀-释放反应的CDE模型可以很好地描述SiO2胶体在壤砂土中的运移.胶体作用下的CDE模型成功地模拟了SiO2胶体存在时Cd的运移;同时,参数敏感性分析结果表明,胶体对Cd的吸附速率系数κamc、κaic越小,解吸速率系数κdmc、κdic越大,越有利于Cd的运移.     

非均质性对保守溶质及蒙脱石胶体在饱和多孔介质中运移的影响

选取2种粒径玻璃珠构建6种不同构型的柱子(2个均质和4个非均质),研究了饱和条件下多孔介质构型对保守溶质和蒙脱石胶体运移的影响。结果表明:在2种均质介质中,保守溶质的穿透曲线相似且对称,蒙脱石胶体在大粒径玻璃珠中的移动性更强。当介质中存在大孔隙通道时,优先流现象的出现会加速保守溶质和蒙脱石胶体的迁移,大孔隙通道与周围介质交界面越大保守溶质和蒙脱石胶体的拖尾现象越明显且穿透峰较低。在大、小粒径玻璃珠均匀混合填装的柱子中,保守溶质穿透曲线形状与均质柱子相似,蒙脱石胶体的移动性介于大、小粒径玻璃珠均匀填装的柱子之间。蒙脱石胶体在玻璃珠分层填装的柱子中,大粒径与小粒径交界面区域会有更多的蒙脱石胶体滞留。研究表明非均质性对保守溶质和蒙脱石胶体在土壤和地下环境中的运移过程有重要的影响。     

地下环境中胶体促使下的污染物运移研究进展

大量的研究证据表明,胶体能促使地下环境中污染物的运移。胶体的沉积、释放和运移等动力学过程受许多因素的控制,如胶体的表面性质(亲水或疏水)、胶体的稳定性、水溶液的化学组分、离子强度、pH值和水的流速等。许多研究者已提出了考虑不同影响因素的模型从理论上或用实验室土柱试验来模拟胶体的运移行为。在未来应加强野外条件下不同类型的天然介质中胶体促使下污染物运移的影响因素、作用机制和运移过程的研究,这有助于人们提出有效的策略或发展新的治理技术以防止污染的扩大或修复污染,最终达到保护地下环境的目的。     

非水相流体在多孔介质中迁移的研究进展

从非水相流体（NAPLs）在多孔介质中的持留特性、渗透特征、迁移的数学模型以及试验方法和技术等方面综述了非水相流体在多孔介质中迁移理论的研究进展。在分析国内外研究现状的基础上，指出了今后非水相流体在多孔介质中迁移理论研究的方向和发展趋势，提出了需要进一步研究的关键性问题。     

非饱和含湿多孔介质在考虑毛细滞后影响时的传热传质理论

本文通过在液体渗流中引入毛细滞后的影响，采用液相运动的最小梯度假设，导出了非饱和含湿多孔介质的含湿饱和度方程，能量方程和气相总压力方程，从而建立了非饱和含湿多孔介质在受毛细滞后影响时传热质的较普遍理论。     

高岭石在醋酸-醋酸铵缓冲体系中的溶解特征

室温下(25℃±1℃)采用间歇法(batchmethod)模拟研究高岭石在pH5.5、pH4.5和pH3.5的HAC/NH4AC缓冲液中的溶解。实验结果表明:质子能够促进高岭石Al和Si的释放,且Al、Si的释放能力随反应液酸度的增加而增强,Al、Si溶解的一致性与酸度有关。pH5.5时,可能因Al的沉积而导致整个实验期间Al、Si释放表观不一致;pH4.5和pH3.5时,反应前期Al优先释放,而在反应后期Al、Si趋于一致。pH5.5、pH4.5和pH3.5的HAC/NH4AC缓冲液中高岭石溶解速率分别为:3.09×10-14mol/(m2·s)、6.31×10-14mol/(m2·s)和1.13×10-13mol/(m2·s)。HAC/NH4AC缓冲液中质子作用下高岭石溶解反应级数和速率常数分别为0.28和1.12×10-12。     

铁、锰、铝氧化物固体吸附剂对胡敏酸和富里酸吸附机理研究

研究了Fe2O3、MnO2或Al2O3固体吸附剂对胡敏酸和富里酸的吸附机制和影响因素。结果表明:相同pH下,Fe2O3、MnO2或Al2O3固体吸附剂对腐殖酸的吸附量随着腐殖酸(胡敏酸HA和富里酸FA)有机碳浓度的增加而增加;不同pH下,对HA的吸附量依照pH3·0>pH5·0>pH7·0的顺序递减。相同pH下,随着HA有机碳浓度的增加,三种固体吸附剂对HA的吸附百分率减小。相同pH下,三种固体吸附剂对FA的吸附百分率呈单峰形,随着酸度的降低,峰位向添加的有机碳低浓度处迁移。吸附量用Langumuir方程拟合能得到极显著相关的方程,在相同pH下,三种固体吸附剂吸附HA的最大吸附量Smax和吸附亲和力常数K小于FA,而标准自由能变ΔGmo却略大于FA;298·2K温度下,三种固体吸附剂吸附胡敏酸和富里酸的ΔGmo<0,表明在等温等压不做非体积功情况下吸附是自发进行的反应。     

在DAP-CaCO3体系与DAP-石灰性土壤体系中NH3的挥发与磷的吸附之间的关系

本工作是研究在CaCO₃体系和石灰性土壤体系中NH₃的挥发与磷的吸附之间相互作用的化学变化,结果表明:在NH₄Cl—CaCO₃体系中,通气的pH值比不通气的低,但溶液中Ca²⁺浓度正好相反。在K₂HPO₄-CaCO₃体系中,在24小时内,通气与不通气的,CaCO₃吸附磷没有差异。在24小时反应期间,在DAP-CaCO₃体系中,因溶液pH值不断增高,NH₃的挥发对CaCO₃吸附磷的影响也就逐渐降低。在石灰性土壤体系中,施用尿素加过磷酸钙或单施尿素时,几乎没有发现NH₃的挥发,而施DAP时,在6天后,NH₃的挥发损失占加入的56%,且DAP处理的土壤,其水溶性磷未通气比通气的高。尿素加过磷酸钙处理的,其水溶性磷通气与未通气的没有差异。另外,尿素加过磷酸钙或过磷酸钙单独处理的土壤,水溶性磷含量均相同。所有这些均表明,在石灰质体系中,NH₃的挥发(如果发生的话)能够加强CaCO₃对磷的吸附,而磷的吸附又能加强NH₃的挥发,两者是相互影响和相互促进的过程。     

THERMODYNAMICS AND THERMOCHEMISTRY OF THE EXCHANGE REACTION BETWEEN NH4+ AND Mn2+ IN A MONTMORILLONITE CLAY

The exchange reaction between NH₄⁺ and Mn³⁺ was studied on a montmorillonite clay at several temperatures and different ionic strengths. Manganese was preferred to ammonium; this preference increased with the temperature and dilution of the dialysate. Comparison with published data concerning exchanges involving NH₄⁺ and the alkaline-earths showed that in the sequence of increasing selectivity: Mg²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Ba²⁺, Mn²+ lies between Mg²⁺ and Ca²⁺. The enthalpy change was measured calorimetrically and calculated by application of the van't Hoff law to the temperature coefficient of the equilibrium constants. Both values were in good agreement. The excellent recoveries of Mn²⁺ at the end of the exchange reaction and the constancy of the cation exchange capacity over the whole range of surface composition ruled out the possibility of significant adsorption in the MnOH⁺ form. The behaviour of manganese was very similar to that of the alkaline-earth cations.     

农耕地土壤137Cs与210Pbex深度分布过程对比研究

探讨了137Cs与210Pb_ex在农耕地土壤深度分布过程的差异。基于137Cs与210Pb_ex的不同沉降过程,考虑到核素由犁耕层向犁底层的扩散,对农耕地土壤137Cs、210Pb_ex的深度分布过程进行了理论推导,并以杨凌符家庄麦田剖面的实测数据予以验证,同时讨论了实测符家庄麦田剖面137Cs、210Pb_ex深度分布的规律特征及其原因,以此阐明了137Cs与210Pb_ex在农耕地土壤深度分布过程的差异。137Cs源于大气核试爆,没有持续沉降补充,犁耕层和犁底层土壤137Cs深度分布一直处于随时间变化的非稳定态;而210Pb_ex是天然核素,存在大气沉降的持续补充,犁耕层和犁底层土壤210Pb_ex深度分布最终呈稳定态。农耕地土壤137Cs、210Pb_ex深度分布的实测值曲线与理论值曲线的差异,尤其210Pb_ex,可能与耕作深度的变化历史或土地利用(覆被)变化有关。     

添加H2O2改性和HNO3/H2SO4改性生物质炭对一种酸性水稻土吸附Cd (Ⅱ)的影响

选择稻草、玉米秸秆和油菜秸秆作为制备生物质炭的原料，分别用H2O2和HNO3/H2SO4对生物质炭进行改性处理，以未改性的生物质炭和HCl处理的生物质炭作为对照。按土重3%的比例向采自安徽郎溪的酸性水稻土中添加上述生物质炭，在经历一个干湿交替周期后，进行Cd(Ⅱ)吸附/解吸实验，研究添加生物质炭对水稻土吸附Cd(Ⅱ)的影响及其机制。结果表明，两种改性方法均有效增加了生物质炭表面的质子结合位点数，且HNO3/H2SO4改性对生物质炭表面羧基官能团的扩增效果更显著。官能团的增加使得添加了HNO3/H2SO4改性生物质炭的水稻土对Cd(Ⅱ)的专性吸附能力显著增强。因此，添加HNO3/H2SO4改性生物质炭可以作为酸性水稻土吸附固定重金属Cd的一种新型方法。     

Relationship between soil CO2 concentrations and forest-floor CO2 effluxes

To better understand the biotic and abiotic factors that control soil CO₂ efflux, we compared seasonal and diurnal variations in simultaneously measured forest-floor CO₂ effluxes and soil CO₂ concentration profiles in a 54-year-old Douglas fir forest on the east coast of Vancouver Island. We used small solid-state infrared CO₂ sensors for long-term continuous real-time measurement of CO₂ concentrations at different depths, and measured half-hourly soil CO₂ effluxes with an automated non-steady-state chamber. We describe a simple steady-state method to measure CO₂ diffusivity in undisturbed soil cores. The method accounts for the CO₂ production in the soil and uses an analytical solution to the diffusion equation. The diffusivity was related to air-filled porosity by a power law function, which was independent of soil depth. CO₂ concentration at all depths increased with increase in soil temperature, likely due to a rise in CO₂ production, and with increase in soil water content due to decreased diffusivity or increased CO₂ production or both. It also increased with soil depth reaching almost 10 mmol mol⁻¹ at the 50-cm depth. Annually, soil CO₂ efflux was best described by an exponential function of soil temperature at the 5-cm depth, with the reference efflux at 10 °C (F₁₀) of 2.6 μmol m⁻² s⁻¹ and the Q₁₀ of 3.7. No evidence of displacement of CO₂-rich soil air with rain was observed.Effluxes calculated from soil CO₂ concentration gradients near the surface closely agreed with the measured effluxes. Calculations indicated that more than 75% of the soil CO₂ efflux originated in the top 20 cm soil. Calculated CO₂ production varied with soil temperature, soil water content and season, and when scaled to 10 °C also showed some diurnal variation. Soil CO₂ efflux and concentrations as well as soil temperature at the 5-cm depth varied in phase. Changes in CO₂ storage in the 0–50 cm soil layer were an order of magnitude smaller than measured effluxes. Soil CO₂ efflux was proportional to CO₂ concentration at the 50-cm depth with the slope determined by soil water content, which was consistent with a simple steady-state analytical model of diffusive transport of CO₂ in the soil. The latter proved successful in calculating effluxes during 2004.