多孔介質(zhì)中重金屬反應(yīng)性運移的數(shù)值模擬研究.pdf

1、為充分研究不同理化因素對重金屬在土壤中運移的影響，降低不同因素之間的相互干擾，本文選取低反應(yīng)性多孔介質(zhì)石英砂為介質(zhì)，在條件可控的情況下進行多種重金屬反應(yīng)性運移實驗和數(shù)值模擬研究，進而為分析重金屬污染土壤中多組分反應(yīng)性運移行為及重金屬污染修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。本研究分別開展了Cu2+、Pb2+、Zn2+和Cd2+單組分和多組分溶液的室內(nèi)石英砂柱出流實驗，并對每種重金屬進行了改變pH值、改變脈沖溶液流速和改變離子強度的出流實驗。采用梯度正則化方

2、法對一維溶質(zhì)運移方程中源（匯）項的敏感性、實驗數(shù)據(jù)誤差影響和彌散系數(shù)敏感性進行了分析。實驗數(shù)據(jù)誤差對數(shù)值模擬影響的分析表明，誤差小于5％時數(shù)值解和精確解之間的誤差比較小，不同正則化參數(shù)對數(shù)值解影響比較小，但對迭代收斂速度影響比較大；誤差大于10％時，不同正則化參數(shù)對數(shù)值解影響比較大。數(shù)值模擬中最終實測數(shù)據(jù)的獲得需要在石英砂柱的不同切面處采集溶液，難以實現(xiàn)，本文采用出流端擬合曲線得到的數(shù)據(jù)，這可能也是數(shù)值模擬過程中擬合精度有所降低的原因。

3、本研究利用cxTFIT軟件（只考慮對流彌散作用）進行常規(guī)溶質(zhì)運移的模擬，利用PHREEQC軟件（考慮離子交換和吸附作用）進行耦合化學(xué)反應(yīng)的溶質(zhì)運移模擬，實驗和模擬結(jié)果表明：隨孔隙水流速增加，重金屬離子出流、到達峰值結(jié)束的時間逐漸提前；隨著pH值從7減小到4，重金屬離子峰值逐漸增大，pH越低，重金屬的出流提前，峰值變高；增加離子強度，重金屬離子的穿透曲線具有相似特征，均為隨著溶液背景離子強度的增大，出流峰值增大；重金屬離子混合溶液中離子強

4、度大于單一組分溶液離子強度，出流液中出流峰值與單一組分溶液出流峰值相比也有明顯增加，這與增加溶液背景離子強度的結(jié)果一致，說明增加離子強度可以加快重金屬在多孔介質(zhì)中的運移，降低石英砂對重金屬離子的吸附。對于單一重金屬離子運移的模擬，cxTFIT軟件和PHREEQC軟件擬合精確度均較高，決定系數(shù)及MSE相差不大，這主要是單一重金屬離子在多孔介質(zhì)中的吸附、離子交換等反應(yīng)相對簡單，而對于多組分重金屬離子在多孔介質(zhì)中運移的模擬，PHREEQC軟件

5、模擬結(jié)果要優(yōu)于CXTFIT軟件的模擬結(jié)果，這與PHREEQC軟件模擬過程中考慮了吸附、離子交換等反應(yīng)有關(guān)。對于不同理化條件下重金屬離子的運移，從擬合的決定系數(shù)平均值來看，Cu2+、Zn2+和Cd2+的擬合度要優(yōu)于Pb2+的擬合度，這主要是因為Pb2+的吸附強度較高，而且Pb2+在石英砂柱中發(fā)生的反應(yīng)較Cu2+、Zn2+、Cd2+復(fù)雜，模擬難度加大，模擬精度有所降低，對比吸附解吸兩個階段的模擬精度，吸附階段模擬精度較高，在解吸階段精度下降

6、很大。石英砂柱出流液中隨著重金屬組分的增加，出流液峰值隨之增加，并且出現(xiàn)輸出濃度大于輸入濃度（C/C0大于1）的情況，主要原因是受層析原理的影響，對Cd2+的影響要大于其它三種重金屬，Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+多組分溶液中Cd2+出流峰值C/C0最大值為1.526，這說明多組分在多孔介質(zhì)中運移的過程中，層析現(xiàn)象對Cd2+的影響要大于其它三種重金屬，這主要是受重金屬水解能力強弱的主導(dǎo)，水解常數(shù)pK:Pb2+(7.8)>Cu2+

7、(8.0)>Zn2+(9.0)>Cd2+(10.1)。多組分重金屬出流輸出濃度大于輸入濃度（C/C0大于1）情況對于數(shù)值模擬的影響也較為明顯，模擬精確度有所降低。為預(yù)測極端情況下多組分重金屬離子在高鹽或高pH值溶液中的運移規(guī)律，利用前面已經(jīng)調(diào)試的PHREEQC軟件對高鹽(0.25mol/l)和高pH值(pH=7.5)進行模擬，模擬情況與已知實驗結(jié)果較為吻合。本文顧及到了組分之間的相互作用，并在水動力彌散過程中耦合了吸附、離子交換等化學(xué)反