《土柱實驗》教學(xué)指導(dǎo)書

1、土柱實驗教學(xué)指導(dǎo)書、實驗?zāi)康?、加強對黃土特性的學(xué)習(xí)，掌握土壤彌散系數(shù)的概念和方法；2、觀察污染物在土壤中的遷移情況；3、深入了解土壤對污染物的吸附和解析模型；4、熟悉模擬實驗數(shù)據(jù)的記錄和處理，是將來進行污染物運移數(shù)學(xué)模擬的基礎(chǔ)。二、實驗內(nèi)容1、測定土壤的彌散系數(shù)2、觀察污染物在土壤中的遷移3、建立土壤對污染物的等溫吸附模型和吸附動力學(xué)模型；4、建立土壤對污染物的等溫解析模型和解析動力學(xué)模型；三、儀器相片活性碳夾層柱身出水口出水或入水孔四、模擬實驗土柱和裝置1、土柱的概述實驗土柱通常分為兩種：非擾動的原狀土柱和填裝的土柱。原狀土柱 較好的代表了研究對象的原土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)。填裝土柱可以是經(jīng)過

2、篩 分的一種土壤，也可以是按一定比例混合的幾種土壤。填裝土柱不能保持原 土壤結(jié)構(gòu)，但是，適用于一定目的的專門研究。例如，通過改變各種參數(shù)(土壤 粒徑、比表面和礦物組分，土壤水的pH值，或土壤的不同混合比例等)，來 研究土壤對特定污染物的吸附性能。2、土柱的尺寸土柱的尺寸沒有硬性的規(guī)定，一般認為圓形土柱的長度大于其直徑的 2.5倍即可。不過對于要求精確的模擬土柱，其尺寸還要考慮以下幾個方 面(1)污染物通常含有多種物質(zhì)，在設(shè)計實驗的過程中應(yīng)當以遷移能力 最強的污染物為標準來設(shè)計土柱，一般來說遷移能力上，有機污染物陽 離子污染物陰離子污染物。(2)由于在土柱內(nèi)建立穩(wěn)定的非飽和流場的方法不同，當土柱

3、下段含 水率偏高，不能滿足實驗要求時，必須要增長土柱的長度。(3)對于不同的實驗?zāi)康模仨毟鶕?jù)測量方法和測量數(shù)據(jù)來確定土柱 長度與直徑的比值。3、入水方式入水方式通常有從上往下滲水和從下往上飽水兩種。通常前者用于， 地表污染物往土壤中的下滲，可以比較正確的反應(yīng)該條件下污染物在土壤 中的遷移情況，但是無法用于研究土壤對其的吸附作用。而從下往上飽水， 可以讓土壤與污染物充分接觸，是研究土壤對污染物吸附機理和模型的最 佳方式。一般情況下，土柱模型都采用定流量水，在要求并不是很高的實驗中， 通常使用雙馬氏瓶來固定入水水頭，但是在精度很高或者對要求很大，很 小或很穩(wěn)定的水流量時，必須使用蠕動泵入水。4、

4、土柱的注意事項(1)礫石層 不管入水方式如何，必須在入水口的土壤前鋪設(shè)1-2cm厚 的礫石層，防治水流對土壤層的沖刷，從上往下滲水時尤其必須注意。而 在出水口土壤后也必須鋪設(shè)1-2cm的礫石層，防治土壤堵塞。(2)尼龍絲網(wǎng) 任何不同材料的層位之間，都應(yīng)該放置尼龍絲網(wǎng)，且必 須根據(jù)流向和材料來選擇尼龍絲網(wǎng)的目數(shù)，當順流向且材料由細變粗時， 尼龍網(wǎng)需要目數(shù)足夠大以阻擋細材料往粗材料中的滲透。(3)反應(yīng)滲透墻 根據(jù)實驗的目的和所研究的污染物種類，可以適當?shù)?在土柱中添加反應(yīng)滲透墻。反應(yīng)滲透墻的材料組成厚度都必須經(jīng)過詳細的 計算以選取合適的數(shù)值。(4)柱身出水處 首先為了防止土壤對柱身處水口的堵塞，必

5、須在出水 口前布置合適的尼龍絲網(wǎng)；其次在不同的實驗中，此出水口有不同的功能， 例如水頭的測量和水質(zhì)電導(dǎo)率的測量。(5) 土柱內(nèi)側(cè)必須粗糙，以防止水沿內(nèi)測管壁的優(yōu)先流。5、附屬設(shè)備馬氏瓶、蠕動泵、橡皮管、示蹤劑、電導(dǎo)率儀及探頭和收集樣品用的 容器。五、實驗步驟1、設(shè)計實驗確定所用污染物溶液、土柱尺寸、填充物類型和反應(yīng)滲透墻情況。2、裝填土柱裝填前，需先測定所填土壤的部分系數(shù)，如粒徑大小、級配組成、礦 物組成、孔隙度、干容重丫和含水量S。裝填時采用干堆法，且要利用土壤的干容重丫和含水量S進行計算。根據(jù)不同的土柱尺寸，每次裝填的高度在H須在5-10cm之間，而每 次裝填的重量為：W=V- Y （1

6、+S）式中：V每次裝入土體體積（cm 3）;丫天然土體干容重（g/cm 3）;S室內(nèi)土壤含水量（）;在每次裝入 W（g） 土壤后，利用壓實器進行土壤壓實，使其達到規(guī)定的土 壤土柱高度Ho如此試驗土柱的干容重與天然情況下土壤干容重將相等或者接近，由 此來控制土柱筒內(nèi)土壤的孔隙率與天然情況下的土壤孔隙率基本相符。 3、準備外設(shè)根據(jù)設(shè)計的入水方式，準備馬氏瓶或蠕動泵且將其連通；準備容器收集出 水口的樣品；對于柱身的出水處，根據(jù)計劃準備電導(dǎo)率或水壓表或直接采 樣。4、記錄數(shù)據(jù)根據(jù)不同的實驗?zāi)康挠涗洈?shù)據(jù)，具體內(nèi)容見下章。5、結(jié)果分析對記錄數(shù)據(jù)進行處理，分析實驗結(jié)果；然后需要對數(shù)據(jù)和結(jié)果進行驗 證，最后得

7、到結(jié)論及建議。具體內(nèi)容見下章。六、實驗結(jié)果處理（一） 測定試驗土柱的彌散系數(shù)1、示蹤劑的選擇一般條件下，試驗中采用氯化鈉作為示蹤物質(zhì)，以氯離子作為測定土的 示蹤劑。雖然氯離子對于土壤膠體來講屬于惰性離子，但由于陽離子的其仍 具有一定吸附作用，為了合理地確定出土柱體的動力彌散系數(shù)，須首先進 行氯離子的靜態(tài)平衡吸附試驗，以確定土壤對它的最大吸附量及平衡液濃 度。2、土壤對氯離子的吸附試驗稱量20g風干的土壤盛入三角瓶內(nèi)，再加入200ml氯離子濃度分別為 200Ppm , 400Ppm , 600Ppm , 800Ppm , 1000Ppm , 1200mp 的溶液（水 土比 為10: 1）,在水浴

8、振蕩器上振蕩5個小時，靜置20小時，用離心機離心 澄清，取上清液分析其平衡液濃度，用差減法求得土壤膠體對氯離子（CI -） 的吸附量。繪制土壤對氯離子吸附平衡曲線。該實驗可以得到，土壤對氯離子的最大吸附濃度X。在下面進行的土柱實 驗中，先用X濃度的氯離子溶液使土柱中突然達到飽和，然后用2/3X濃 度的氯離子溶液進行彌散系數(shù)的測定。3、流體動力彌散系數(shù)的測定在土柱入口連續(xù)恒定地注入氯離子濃度為1500mg/I ,出口取樣測定氯 離子的濃度。以出口處氯離子濃度C為Y軸，相應(yīng)時間為X軸繪制穿透 曲線。根據(jù)穿透曲線查找以下數(shù)值：即當C/C 0=0.16 , 0.5 , 0.84時的時刻： t 0.1

9、6 ； t 0. 5 ； t 0.8 4 ,將時間t 0. 5的數(shù)據(jù)代入下列公式V=L/t 0. 5V流速；L土柱長度；得到速度V,然后帶入DL=v3（t 0.8 4-t 0.16）2/8LDL 彌散系數(shù)這樣就能得到土壤的彌散系數(shù)。（二）建立土壤對污染物的等溫吸附（解析）模型和吸 附（解析）動力學(xué)模型1、實驗過程吸附過程土柱先用蒸儲水飽和后，開始加入初始含污染物溶液，調(diào)節(jié) 該溶液流速為Y進行淋濾試驗，按一定間隔時間采取淋出液若干毫升進行 污染物含量測定.并記錄淋入、淋出液的體積。當淋出液污染物濃度接近或 達到初始溶液污染物濃度時，可以近似認為污染物的吸附過程達到飽和狀 態(tài)，停止淋濾。解吸過程將

10、上述污染物吸附達到飽和狀態(tài)的試驗土柱擱置36 h之后， 加入與初始溶液pH值相當?shù)恼魞λM行污染物的淋溶（流速與上面實驗需 要一致）解吸試驗過程。同樣間隔時間取淋出液樣分析污染物含量，并記錄 當時淋入、淋出液體積。當淋入液的體積與上述吸附過程停止淋濾時所加 初始溶液的體積相同時，即可停止污染物的解吸淋溶試驗。2、建立等溫吸附（解析）模型數(shù)據(jù)處理的基本思路在于，分析數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系，然后應(yīng)用適當 的方程進行擬合。對于等溫吸附（解析）模型，現(xiàn)在有三種理論可以用來解釋，分別是： Henry 曲線：G=K dC式中：G吸附量；C 平衡時液相離子濃度（mg/L ）;Kd吸附平衡常數(shù)（L/g ）。Fre

11、ndlich 曲線：G=KC n式中：G 吸附量；K 常數(shù)；n 表示該等溫吸附線線性度的常數(shù)，介于0與1之間；當液相中 被吸附組分濃度很低，或在砂土（ CEC值小）中產(chǎn)生吸附時，n-1 ;C 平衡時液相離子濃度（mg/L ）;Langmiur 曲線：Sm KC1 KC式中：Sm 某組分的最大吸附濃度（mg/kg ）；K與鍵能有關(guān)的常數(shù)；實驗完成后，將淋出液中溶質(zhì)的平均濃度C為X軸，溶質(zhì)在土壤中的 單位吸附量（單位殘留量）G為Y軸，繪制等溫吸附（解析）曲線，對該曲線 分別進行上述三種模型的模擬，最后根據(jù)模擬的結(jié)果進行分析。3、建立吸附（解析）動力學(xué)模型吸附（解析）動力學(xué)模型，通常有下面四種，分別是：Elovich 方程：c=a+b - lnt 雙常數(shù)速率方程：lnc=a+b - lnt 拋物線擴散方程：c=a+bt 1