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一种地层吸附阻滞因子的推算方法

阅读：930发布：2021-03-02

IPRDB可以提供一种地层吸附阻滞因子的推算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种地层吸附阻滞因子的推算方法，属于地下水及土壤污染领域，包括以下步骤：1)对地层土材料进行取样，并测定其颗粒粒径分布，得到特征粒径D10、D50和D90；2)测定地层土材料的颗粒比表面积S；3)对地层土材料开展Batch试验，得出典型污染物在该土材料上的吸附曲线4)取吸附曲线的平均斜率作为污染物在该土材料上的分配系数Kd；5)推算地层的吸附阻滞因子Rd；本发明通过确定地层材料的特征粒径、颗粒比表面积及分配系数，推算得到地层的吸附阻滞因子；同时，本发明无需大量的现场监测，也无需长时间尺度的室内试验，成本低廉、简单易行、快速有效，可广泛应用于地下水及土壤污染的预测和修复等工作，具备很好的实用性。，下面是一种地层吸附阻滞因子的推算方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种地层吸附阻滞因子的推算方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)对地层土材料进行取样，并测定其颗粒粒径分布，得到特征粒径D10、D50和D90；D10、D50和D90分别表示小于该粒径的土粒质量占总土质量的10％、50％和90％，单位为μm；

2)测定地层土材料的颗粒比表面积S，单位为m2/g；

3)对地层土材料开展Batch试验，得出典型污染物在该土材料上的吸附曲线，吸附曲线为不同污染物浓度下，单位质量土材料吸附污染物的不同质量所形成的曲线，横坐标为吸附前污染物在溶液中的浓度，纵坐标为吸附后单位质量土材料所吸附污染物的质量；

4)取吸附曲线的平均斜率作为污染物在该土材料上的分配系数Kd，单位为mL/g；

5)推算地层的吸附阻滞因子Rd：

2.根据权利要求1所述的一种地层吸附阻滞因子的推算方法，其特征在于：步骤1)中，所述的取样按照标准SL237—1999对地层土材料进行，选用筛析法、密度计法、移液管法及激光粒度仪测试法之一测定颗粒粒径分布。

3.根据权利要求1所述的一种地层吸附阻滞因子的推算方法，其特征在于：步骤2)中，颗粒比表面积按照标注GB/T 19587-2004进行，选用容重法、重量法和气相色谱法之一进行测定。

4.根据权利要求1所述的一种地层吸附阻滞因子的推算方法，其特征在于：步骤3)中，根据美国材料与试验协会标准D 4646-87进行Batch试验，步骤如下：a)先将风干后的高岭土土样置于烘箱中烘干后取出，冷却至室温后研磨为粉状，过筛后储存在密封袋中备用；

b)同时制备一定初始浓度的污染物溶液，稀释至不同的倍数，得到不同浓度的污染物溶液，储存备用；

c)将质量m的吸附剂与体积V及初始浓度C0的吸附质溶液混合；

d)为了使污染物与土颗粒充分接触，使土颗粒达到吸附饱和，将离心管置于置于恒温振荡器中振荡；

e)将离心管取出，在离心机离心，让土颗粒与污染物溶液分离；

f)最后，对离心管中上部的澄清溶液取样，测定溶液中污染物的平衡浓度Ce，由以下公式计算得出单位质量土材料吸附的污染物的量Cs：

5.根据权利要求1所述的一种地层吸附阻滞因子的推算方法，其特征在于：步骤5)中，地层吸附阻滞因子Rd由以下推算得到：粉体单位表面积吸附量等于土体孔隙单位表面积的吸附量，可以得到粉体分配系数Kd与土体分配系数Kdc的关系：式中，S为土颗粒比表面积，单位m2/g，Sc为土体孔隙比表面积，单位m2/g。土体分配系数Kdc则可以表示为：由式(5)得到地层阻滞因子Rd的表达式：

假设土柱中的孔隙均为圆形细管，设圆管直径，即等效孔径为d，单位μm，圆管数量为m，以及圆管长度为L，单位m，由此可计算孔隙比表面积Sc，单位为m2/g：把孔径累积分布曲线简化成倒S型的三段线，每段的孔径范围分别为d0～d20、d20～d80和d80～d100，假设每段的平均孔径分别为d10、d50和d90，则得到简化的等效孔径d的表达式，单位μm：假设土颗粒均为球体，根据球体堆积原理，得出孔径d与粒径D的关系：将式(9)带入式(8)可得：

将式(10)带入式(7)，孔隙比表面积Sc的表达式可以简化为：再将式(11)带入式(6)，即可得到地层吸附阻滞因子Rd：

说明书全文

一种地层吸附阻滞因子的推算方法

技术领域

[0001] 本发明属于地下水及土壤污染领域，具体涉及一种地层吸附阻滞因子的推算方法。

背景技术

[0002] 地下水污染是指由于人为活动造成地下水质恶化的现象。土壤污染是浅层地下水污染的一个重要来源，土壤中的一些污染物容易淋溶或随渗水进入地下水，日积月累造成浅层地下水水质变差，最终导致污染。

[0003] 地下水及土壤污染往往与污染物在地层中的对流、弥散、扩散、吸附密切相关，例如，垃圾填埋场渗沥液击穿防污屏障污染地下水、污染场地内的污染物向地下扩散等等。相对于对流、弥散和扩散而言，在很多情况下，地层对污染物的吸附作用会产生非常重要的影响，因此，在地下水和土壤污染的问题中，大多都涉及到人工黏土层或天然地层对污染物吸附性能的评价问题。

[0004] 目前，大多采用Batch试验结果评价地层材料的吸附性能。但是，同一种土材料在粉体和土体状态下对于同一种污染物的吸附参数会出现差异，Batch试验得到是松散的土颗粒粉体的吸附特性，直接用Batch试验得到的吸附参数来评价地层对污染物的吸附，会导致地下水和土壤污染的预测结果偏于不安全。而人工黏土层或天然地层对污染物的吸附则发生在土体孔隙中，其实际情况更接近于土柱吸附试验。

[0005] 但是，污染物在土柱中的扩散吸附过程十分缓慢，土柱试验耗时较长，往往长达数月之久；且扩散作用与吸附作用同时进行，扩散系数又难以准确确定，因此，土柱试验不仅试验周期长，而且获得吸附参数的准确性会受到扩散系数的影响。

[0006] 实际上，同一种土材料在粉体和土体状态下的吸附差异主要由土材料与污染物接触面积的差异造成，即土体孔隙比表面积小于粉体颗粒比表面积，是造成粉体和土体吸附参数差异的主要原因。

[0007] 因此，根据土体孔隙比表面积与粉体颗粒比表面积的差异对Batch试验得到的吸附参数进行修正，即可得到地层材料的吸附阻滞因子，可为地下水及土壤污染的计算提供新的方法。

发明内容

[0008] 发明目的：本发明的目的在于提供一种地层吸附阻滞因子的推算方法，解决目前地下水和土壤污染的问题中人工黏土层或天然地层对污染物吸附性能的评价问题。

[0009] 发明内容：为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

[0010] 一种地层吸附阻滞因子的推算方法，包括以下步骤：

[0011] 1)对地层土材料进行取样，并测定其颗粒粒径分布，得到特征粒径D10、D50和D90；D10、D50和D90分别表示小于该粒径的土粒质量占总土质量的10％、50％和90％，单位为μm；

[0012] 2)测定地层土材料的颗粒比表面积S，单位为m2/g；

[0013] 3)对地层土材料开展Batch试验，得出典型污染物在该土材料上的吸附曲线，吸附曲线为不同污染物浓度下，单位质量土材料吸附污染物的不同质量所形成的曲线，横坐标为吸附前污染物在溶液中的浓度，纵坐标为吸附后单位质量土材料所吸附污染物的质量；

[0014] 4)取吸附曲线的平均斜率作为污染物在该土材料上的分配系数Kd，单位为mL/g；

[0015] 5)推算地层的吸附阻滞因子Rd(-)：

[0016]

[0017] 所述的取样按照标准SL237—1999对地层土材料进行，选用筛析法、密度计法、移液管法及激光粒度仪测试法之一测定颗粒粒径分布。

[0018] 步骤2)中，颗粒比表面积按照标注GB/T 19587-2004进行，选用容重法、重量法和气相色谱法之一进行测定。

[0019] 步骤3)中，根据美国材料与试验协会标准D 4646-87进行Batch试验，步骤如下：

[0020] a)先将风干后的高岭土土样置于烘箱中烘干后取出，冷却至室温后研磨为粉状，过筛后储存在密封袋中备用；

[0021] b)同时制备一定初始浓度的污染物溶液，稀释至不同的倍数，得到不同浓度的污染物溶液，储存备用；

[0022] c)将质量m的吸附剂与体积V及初始浓度C0的吸附质溶液混合；

[0023] d)为了使污染物与土颗粒充分接触，使土颗粒达到吸附饱和，将离心管置于置于恒温振荡器中振荡；

[0024] e)将离心管取出，在离心机离心，让土颗粒与污染物溶液分离；

[0025] f)最后，对离心管中上部的澄清溶液取样，测定溶液中污染物的平衡浓度Ce，由以下公式计算得出单位质量土材料吸附的污染物的量Cs：

[0026]

[0027] 步骤5)中，地层吸附阻滞因子Rd由以下推算得到：

[0028] 粉体单位表面积吸附量等于土体孔隙单位表面积的吸附量，可以得到粉体分配系数Kd与土体分配系数Kdc的关系：

[0029]

[0030] 式中，S为土颗粒比表面积，单位m2/g，Sc为土体孔隙比表面积，单位m2/g。土体分配系数Kdc则可以表示为：

[0031]

[0032] 由式(5)得到地层阻滞因子Rd的表达式：

[0033]

[0034] 假设土柱中的孔隙均为圆形细管，设圆管直径，即等效孔径为d，单位μm，圆管数量为m(-)，以及圆管长度为L，单位m，由此可计算孔隙比表面积Sc，单位为m2/g：

[0035]

[0036] 把孔径累积分布曲线简化成倒S型的三段线，每段的孔径范围分别为d0～d20、d20～d80和d80～d100，假设每段的平均孔径分别为d10、d50和d90，则得到简化的等效孔径d的表达式，单位μm：

[0037]

[0038] 假设土颗粒均为球体，根据球体堆积原理，得出孔径d与粒径D的关系：

[0039]

[0040] 将式(9)带入式(8)可得：

[0041]

[0042] 将式(10)带入式(7)，孔隙比表面积Sc的表达式可以简化为：

[0043]

[0044] 再将式(11)带入式(6)，即可得到地层吸附阻滞因子Rd：

[0045]

[0046] 发明原理：本发明根据土体孔隙比表面积与粉体颗粒比表面积的差异对Batch试验得到的吸附参数进行修正，即可得到地层材料的吸附阻滞因子。

[0047] 有益效果：与现有技术相比，本发明的一种地层吸附阻滞因子的推算方法，通过确定地层材料的特征粒径、颗粒比表面积及分配系数，推算得到地层的吸附阻滞因子；同时，本发明无需大量的现场监测，也无需长时间尺度的室内试验，成本低廉、简单易行、快速有效，可广泛应用于地下水及土壤污染的预测和修复等工作，具备很好的实用性。

附图说明

[0048] 图1为阻滞因子进行有限元计算的结果与土工离心机试验结果的对比图；

[0049] 图2为计算地层吸附阻滞因子的方法流程图。

具体实施方式

[0050] 下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

[0051] 如图2所示，一种地层吸附阻滞因子的推算方法，它包括以下步骤：

[0052] 1)按照行业标准《土工试验规程》SL237—1999对地层土材料进行取样，并测定其颗粒粒径分布，得到特征粒径D10(μm)、D50(μm)和D90(μm)；D10(μm)、D50(μm)和D90(μm)分别表示小于该粒径的土粒质量占总土质量的10％、50％和90％。可选用筛析法、密度计法、移液管法及激光粒度仪测试法测定颗粒粒径分布；

[0053] 2)按照国家标准《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》GB/T19587-2004测定地层土材料的颗粒比表面积S(m2/g)；颗粒比表面积的测定可选用容重法、重量法和气相色谱法；

[0054] 3)根据美国材料与试验协会(ASTM)标准《Standard test method for 24-h batch-type measurement of contaminant sorption by soils and sediments》D 4646-87对地层土材料开展Batch试验，得出典型污染物在该土材料上的吸附曲线，吸附曲线为不同污染物浓度下，单位质量土材料吸附污染物的不同质量所形成的曲线，横坐标为吸附前污染物在溶液中的浓度，纵坐标为吸附后单位质量土材料所吸附污染物的质量；

[0055] Batch试验主要试验步骤如下：

[0056] a)先将风干后的高岭土土样置于105℃烘箱中24小时后取出，冷却至室温后研磨为粉状，过筛后储存在密封袋中备用；

[0057] b)同时制备一定初始浓度的污染物溶液，稀释至不同的倍数，得到不同浓度的污染物溶液，储存备用；

[0058] c)将一定质量m的吸附剂与一定体积V及初始浓度C0的吸附质溶液混合，本次试验采用1:10(g/mL)的土水比在离心管中混合；

[0059] d)为了使污染物与土颗粒充分接触，使土颗粒达到吸附饱和，将离心管置于恒温振荡器中以140rpm的转速、25℃的温度振荡24小时；

[0060] e)将离心管取出，在离心机中以3000rpm转速离心20分钟，让土颗粒与污染物溶液分离；

[0061] f)最后，对离心管中上部的澄清溶液取样，测定溶液中污染物的平衡浓度Ce，由以下公式计算得出单位质量土材料吸附的污染物的量Cs：

[0062]

[0063] 4)取吸附曲线的平均斜率作为污染物在该土材料上的分配系数Kd(mL/g)；

[0064] 5)根据公式(2)计算地层的吸附阻滞因子Rd(-)：

[0065]

[0066] 计算公式的推导过程：

[0067] 目前，常用以下公式得到由于计算的吸附阻滞因子Rd(-)：

[0068]

[0069] 式中，ρd为土体干密度(g/cm3)，n为土体孔隙率(-)，Kd为分配系数(mL/g)。由于Batch试验得到的分配系数Kd反映的是土颗粒粉体的吸附特性，如果直接用Batch试验得到的分配系数Kd计算阻滞因子，会得到一个偏不安全的结果。因此，须对Batch试验得到的分配系数Kd进行修正。

[0070] 根据试验发现，粉体单位表面积吸附量等于土体孔隙单位表面积的吸附量，可以得到粉体分配系数Kd与土体分配系数Kdc的关系：

[0071]

[0072] 式中，S为土颗粒比表面积(m2/g)，Sc为土体孔隙比表面积(m2/g)。土体分配系数Kdc则可以表示为：

[0073]

[0074] 将式(5)带入式(3)，得到地层阻滞因子Rd的表达式：

[0075]

[0076] 假设土柱中的孔隙均为圆形细管，设圆管直径(即等效孔径)为d(μm)，圆管数量为m(-)，以及圆管长度为L(m)，由此可计算孔隙比表面积Sc(m2/g)：

[0077]

[0078] 把孔径累积分布曲线简化成倒“S”型的三段线，每段的孔径范围分别为d0～d20、d20～d80和d80～d100，假设每段的平均孔径分别为d10、d50和d90，则可以得到简化的等效孔径d(μm)的表达式：

[0079]

[0080] 假设土颗粒均为球体，根据球体堆积原理，得出孔径d(μm)与粒径D(μm)的关系：

[0081]

[0082] 将式(9)带入式(8)可得：

[0083]

[0084] 将式(10)带入式(7)，孔隙比表面积Sc(m2/g)的表达式可以简化为：

[0085]

[0086] 再将式(11)带入式(6)，即可得到地层阻滞因子Rd的简化计算公式：

[0087]

[0088] 利用本发明得出的地层吸附阻滞因子Rd(-)计算重金属Cd击穿2m压实黏土衬垫的过程，并与该过程的土工离心机试验模拟结果进行对比。计算地层吸附阻滞因子Rd及计算重金属Cd击穿2m压实黏土衬垫过程所需的实测参数，如表1。

[0089] 表1模型衬垫参数和吸附参数

[0090]

[0091]

[0092] 图1中各点以时间为横坐标，重金属Cd在2m压实黏土衬垫底部的出渗浓度为纵坐标，考虑了重金属Cd单独存在(衬垫1)与混入COD和DDT(衬垫2)的两种工况。衬垫1工况下，有限元计算出的Cd浓度随时间变化以实线为标记，离心机试验结果以实心正方形为标记；衬垫2工况下，有限元计算出的Cd浓度随时间变化以虚线为标记，离心机试验结果以实心圆为标记。对比发现，利用本发明得出的压实黏土阻滞因子Rd进行有限元计算的结果与土工离心机试验结果非常接近，也说明了公式(1)的合理性和精确性。

标题	发布/更新时间	阅读量
地层的声波成像-专利编号CN105814458B	2020-05-12	270
识别非常规地层-专利编号CN104956177A	2020-05-13	85
地层测试器-专利编号CN102808616A	2020-05-12	388
地层保护剂-专利编号CN106566487A	2020-05-11	315
地层的声波成像-专利编号CN105814458A	2020-05-13	923
地层压裂方法-专利编号CN108625838A	2020-05-12	734
地层保护剂-专利编号CN106398658A	2020-05-11	621
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电致裂地层-专利编号CN104204405B	2020-05-11	870
电致裂地层-专利编号CN104204405A	2020-05-11	896

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