运移参数对GCL中污染物运移的影响研究

分析了运移参数的变化对GCL中污染物运移的影响。从衬垫底部浓度比、对流和扩散通量、污染物累积运移量等方面,对污染物在GCL中的运移进行了计算。结果表明,减小渗透系数和扩散系数可以有效减缓衬垫底部浓度比的增加速度。渗透系数对对流通量的大小、扩散通量的变化速度的影响较大;扩散系数主要影响最大扩散通量。当渗透系数较大时,可以忽略扩散累积运移量,用对流累积运移量代替总累积运移量引起的误差很小。当渗透系数较小时,忽略扩散运移量可能产生较大的误差,尤其是在扩散系数也较大的情况下误差更加明显。      

煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散性能

为验证土工合成黏土衬垫（Geosynthetic Clay Liners,GCL）作为煤矸石处置场衬垫层建设材料的可行性,采用垂直式双筒扩散装置进行室内扩散试验,研究了煤矸石淋滤液中典型污染物Zn2+、Mn2+和SO₄2-在人工钠化膨润土GCL中的扩散性能,使用有限层法模拟软件POLLUTE V7对污染物随时间变化的曲线进行拟合,确定3种污染物在人工钠化膨润土GCL中的扩散系数。研究结果表明,污染物在GCL中的扩散系数低于它们在传统压实黏土衬垫层中的扩散系数,从而能更有效地控制煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散迁移行为。      

非等温分布条件下三层复合衬垫中有机污染物一维瞬态运移规律研究

针对非等温分布条件下由土工膜(geomembrane,简称GMB)+土工复合膨润土衬垫(geosynthetic clay liner,简称GCL)+压实黏土衬垫(compacted clay liner,简称CCL)组成的3层复合衬垫中有机污染物一维瞬态运移问题,考虑了对流、扩散、机械弥散、吸附、降解和热扩散等因素,建立了相应的数学模型。该模型可考虑扩散系数和渗透系数等参数随温度变化。利用有限差分法,获得了该模型的数值解。通过将所建模型计算结果分别与试验结果、已有解析模型计算结果和COMSOL软件计算结果进行对比,验证了所建模型的正确性。基于所定义的击穿时间t_b,以甲苯作为代表性有机污染物分析和讨论了不同因素对运移行为的影响。结果表明：(1)非等温分布条件会使渗透系数、扩散系数和线性吸附系数等参数发生变化,其中渗透系数和扩散系数的变化会加快运移过程,尤其是扩散系数,而线性吸附系数的变化会减慢运移速率;(2)复合衬垫上部和底部温度差ΔT的增大会使击穿时间t_b减小,底部运移通量J_b增大;当ΔT为0、10、20、30、40 ...     

室内模拟试验确定横向扩散系数的研究--以吉林市第二松花江某江段为例

确定河流横向扩散系数的主要方法有经验公式法和河流示踪试验法.以室内模拟试验求横向扩散系数的方法是一种新的尝试,采用几何相似原理,通过不同流量、流速条件下的室内模拟试验,计算出与河流相应条件下的横向扩散系数,所得结果(0.086 m2/s)与同条件下现场分析计算的结果(0.079～0.088 m2/s)基本一致.模拟试验不仅克服了野外条件下示踪剂投放和测试条件的不便,还能够更好地研究不同水动力条件下污染物的扩散运移规律.     

基于有机污染物扩散的复合衬垫厚度的概率设计

有机污染物在复合衬垫中的运移以扩散方式为主。目前关于运移参数不确定性及其对衬垫性能影响的研究还不多,复合衬垫厚度的设计也没有考虑不确定性的影响。总结了运移参数已有的成果,采用蒙特卡罗法研究了半无限条件下运移参数的变异性对衬垫底部污染物质量浓度和通量的影响,并对衬垫厚度进行了设计。研究表明:土工膜中有机污染物的分配系数和扩散系数的变异性对质量浓度和通量的影响可以忽略,而土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数的变异性对其影响则非常显著。确定性方法计算的结果偏于危险,有必要加强对土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数概率特性的研究。以甲苯为例进行黏土衬垫厚度设计,结果表明:概率计算方法得到的黏土衬垫厚度约为确定性方法的1.71~1.81倍,采用概率方法进行衬垫设计更合理。     

CCL吸附特性及孔隙率降低对污染物运移的影响

假定孔隙均匀地分布于土体的物质空间内和土骨架对污染物的吸附特性服从平衡线性,对基本体积质量关系进行分析,提出了由于土体对污染物的吸附而引起的孔隙率降低的估算公式。在考虑土体孔隙率变化的条件下,建立了污染物一维运移的控制方程,并考虑垃圾生物降解效应、压实黏土衬里（CCL）防渗层、下覆有限厚度含水层等实际情况,确定了初始条件和边界条件。对所建立的初边值问题进行了数值求解,且对某假想填埋场情况进行了变动参数与对比计算,结果表明,由于土颗粒对污染物的吸附所引起的孔隙率降低,显著地降低了污染物对压实黏土衬里的穿透能力。与常孔隙率情况相比,CCL中污染物的峰值浓度降低近10 %,含水层中污染物浓度降低更显著。当考虑土体孔隙率变化时,弥散对污染物运移具有控制作用,分布系数对污染物的运移具有重要影响。     

复合衬层中变系数有机污染物迁移规律分析

土工膜和下伏压实黏土组成的复合衬层已被广泛用作填埋场的防渗屏障系统。有机污染物在复合衬层中迁移时,其主要运移机制是扩散作用。假设有机污染物在土工膜中稳态扩散,并假设在下伏衬层中扩散系数为迁移距离的线性函数,且考虑降解作用的影响,建立了有机污染物在复合衬层中的一维扩散模型,针对零浓度下边界条件,获得了模型解析解。基于该解析解,分析讨论了相关参数的敏感性。结果表明,相关参数对计算结果影响很大,降解半衰期对污染物运移同样存在较大影响。该解析模型仅适用于有机污染物在两层复合衬垫中的迁移问题,可为填埋场的初步设计提供参考     

粘土矿物酸溶解反应特征

应用界面化学理论与实验方法分析了膨润土在酸性水溶液中的溶解反应特征,进而探讨其反应机理。膨润土在酸性水溶液中的溶解受到矿物表面吸附、离子交换和解吸附等界面化学过程的制约,与溶液中的酸度、反应时间及温度有关。处于粘土结构单元中不同位置的离子溶解趋势不同。探讨了膨润土在不同条件下Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｆｅ３＋、Ａｌ３＋溶出的特征,Ｃａ２＋的溶解是吸附控制过程,Ｍｇ２＋、Ｆｅ３＋、Ａｌ３＋是吸附和反应控制的综合结果。     

Pb、Sr和REE在矿物中的扩散补偿关系及其对扩散系数的预测

对现有实验扩散数据的检查发现，不仅Pb、Sr和REE元素在不同矿物中存在着扩散补偿关系，不同元素在同一矿物或同族矿物中也满足扩散补偿关系。阴离子孔隙度作为矿物内部离子堆积密度的一种量度，它与Pb和REE扩散活化能之间存在负的线性相关性，在固定温度下与Sr扩散系数（lnDT)之间呈正的线性相关，因而可以用于预测元素在矿物中的扩散系数。本文分别采用离子孔隙度法和双补偿法预测了Pb、Sr和REE在不同矿物中的扩散系数，这些结果与已有的实验数据在实验误差范围内是一致的，因此可以应用到与扩散有关的地球化学动力学研究中。     

有机污染物在含土工膜复合隔离墙和含水层系统的运移半解析模型

为评估土工膜与土-膨润土组成的复合隔离墙对有机污染物的防污性能,建立了污染物在源区域发生降解扩散时透过复合隔离墙的一维瞬态扩散模型。通过拉普拉斯变换和Talbot数值反演获得了模型解。第3类入流边界条件下,考虑源区的扩散和降解时,第1类隔离墙(土工膜/土-膨润土)和第2类隔离墙(土-膨润土/土工膜/土-膨润土)100 a的击穿浓度分别较源浓度恒定时减少了59%和53%。由于假设土工膜渗透系数高于10^–12 m/s,污染物在复合隔离墙中的对流作用不能忽略,因此,采用第2类复合隔离墙使土-膨润土能更好地发挥主导隔离作用。将土工膜的渗透系数从10^–10 m/s减少到10^–16 m/s,第1类复合隔离墙的击穿时间从26 a增加到188 a,第2类复合隔离墙的击穿时间从32 a增加到81 a。利用抽水井调整墙体内外为负水头差及提高源区的污染物降解能力,可使隔离墙的防污性能得到较大提升。     

高塌落度防渗墙填料扩散系数快速测定的透析试验

扩散是低渗透系数情况下溶质迁移的主要方式,目前尚没有测定高塌落度防渗墙填料扩散系数的试验方法。根据沥出试验原理,将处于流动状态的填料用半透膜包裹进行透析试验,通过有限圆柱中溶质迁移解析解对溶质迁移过程进行拟合求其扩散系数,探讨了试验和数据处理的相关问题,研究了膨润土含量和盐浴浓度对扩散系数的影响规律。结果表明,随拟合天数增加,填料中NaCl有效扩散系数减小,而误差增大;高塌落度填料中溶质迁移明显比压实土样中快,按拟合误差小于0.5%作为试验数据取舍依据,这一误差要求实际上是对溶质迁移以扩散为主导这一条件的量化,保证了采用纯扩散解析解进行数据拟合的合理性;扩散系数随填料中膨润土含量增加而减小,随盐浴浓度增加而减小,但在试验范围内数值变化不大,透析试验是快速测定防渗墙填料中溶质有效扩散系数的可行方法。     

Modelling approaches for anion-exclusion in compacted Na-bentonite

The accessible porosity for Cl⁻ in bentonite is smaller than the the total porosity due to anion repulsion (exclusion) by the surface of montmorillonite, the main mineral in bentonite. The accessible porosity is a function of the bentonite density and the salt concentration. Anion exclusion data were gathered from the literature, reprocessed in a coherent data set, and modelled using four different models. Very simple models, with or without anion access to the interlayer space, are successful in reproducing trends in anion exclusion in bentonite as a function of ionic strength in the external solution and montmorillonite bulk dry densities in the bentonite. However, a model that considers clay microstructure changes as a function of bentonite compaction and ionic strength is necessary to reproduce observed trends in the data for all experimental conditions within a single model. Our predictive model excludes anions from the interlayer space and relates the interlayer porosity to the ionic strength and the montmorillonite bulk dry density. This presentation offers a good fit for measured anion accessible porosities in bentonites over a wide range of conditions and is also in agreement with microscopic observations.     

基于脉动注浆的宾汉流体渗透扩散机制研究

脉动注浆虽已在注浆防渗加固工程中得到推广应用,但浆液在脉动压力下的渗透扩散机制却鲜有报道,导致理论远滞后于工程实践。以宾汉流体流变方程、渗流方程及颗粒沉积理论为基础,推导了脉动压力下宾汉流体的渗透扩散理论计算公式,分析了脉动注浆参数对浆液扩散距离的影响,并通过室内注浆模拟试验对其进行了验证。结果表明,脉动压力下宾汉流体渗透注浆扩散理论计算值与试验实测值间存在一定误差,但能满足工程要求,可用于指导工程施工。随着脉动注浆连续时间的增长或地层初始孔隙率的增大,浆液扩散距离随之增大,而随着脉动注浆间隔时间的增长或地层初始孔隙率的减小,浆液扩散距离随之减小,实际注浆工程中为确保有效的浆液扩散距离,宜根据岩土体孔隙率合理地调节脉动连续时间和脉动间隔时间。研究成果可为脉动注浆理论研究提供借鉴,为实际施工提供理论指导。     

Ar和H在矿物中的扩散补偿关系及其对扩散系数的预测

对现有实验扩散数据的检查发现 ,Ar和H两种元素在不同矿物中分别存在着扩散补偿关系。孔隙度作为矿物内部离子堆积密度的一种量度 ,它与Ar和H的扩散活化能之间存在负的线性相关性 ,因而可以用于预测元素在矿物中的扩散系数。文中采用离子孔隙度法预测了Ar和H在不同矿物中的扩散系数 ,得到的结果与已有的实验数据在实验误差范围内是一致的。由于扩散补偿效应 ,同一物质在不同矿物中的扩散速率在特定温度下趋于汇聚 ,Ar扩散的转折温度为 (86 0± 10 0 )℃ ,H扩散的转折温度为 (330± 50 )℃。这为地质过程中Ar和H扩散的封闭温度提供了一种借鉴 ,因此伴随Ar扩散的地质时钟在低于 86 0℃时才开始启动 ,共存矿物间的氢同位素地质温度计仅当温度低于 330℃时才是有效的。     

Anion exclusion effects in compacted bentonites: Towards a better understanding of anion diffusion

Diffusion of ³⁶Cl⁻ in compacted bentonite was studied using through-diffusion, out-diffusion and profile analysis techniques. Both the bulk dry density of the bentonite and the composition of the external solution were varied. Increasing the bulk dry density of the bentonite resulted in a decrease of both the effective diffusion coefficient and the Cl-accessible porosity. Increasing the ionic strength of the external solutions resulted in an increase of both the effective diffusion coefficient and the Cl-accessible porosity. This can be explained by anion exclusion effects (Donnan exclusion). At high ionic strength values (I ? 1 M NaCl) the Cl-accessible porosity approaches the interparticle porosity. This interparticle porosity is the difference between the total and interlayer porosity of the bentonite. The interlayer porosity was found to depend on the degree of compaction. Up to a bulk dry density of 1300 kg m⁻³ the interlayer is built up of 3 water layers. Between 1300 and 1800 kg m⁻³ the interlayer water is reduced from 3 to 2 layers of water. Above 1800 kg m⁻³ evidence for a further decrease to 1 layer of water was found. These findings are in agreement with X-ray data found in the literature showing a decrease of the basal spacing of montmorillonite (the main clay mineral in bentonite) with increasing degree of compaction. The relationship between the effective diffusion coefficient of Cl⁻ and the diffusion-accessible porosity can be described by an empirical relationship analogous to Archie’s law. To predict the effective diffusion coefficient of Cl⁻ in compacted bentonite, the diffusion coefficient of Cl⁻ in water, the bulk dry density and the ionic strength of the pore water have to be known.     

灰色理论在膨润土矿质组分研究中的应用

不同浓度的硫酸溶液(5％，10％，15％，20％，25％，30％)与黑山膨润土作用后，膨润土矿质组分的含量发生了有规律的变化，运用灰色理论中的关联度理论对膨润土及其酸化土的11个矿质组分的变化规律进行分析研究，结果发现：硅、钠、钾、钛在不同浓度的硫酸作用下有相似的变化，表现为不易溶出；铁、铝、镁有相似的变化，表现为随着硫酸浓度的增加溶出越多；膨润土中锰和磷的含量很低，膨润土在较低的硫酸浓度作用下锰和磷部分溶出，后随着硫酸浓度的增加不易再溶出；钙在较低的硫酸浓度作用下全部溶出。这与其化学性质及所处蒙脱石的晶层位置有关。所得上述信息可用于预测各组分在不同环境条件下的行为变化。     

膨润土在核废料处置环境中的膨胀衰减规律研究

利用Phreeqc软件模拟了核废料处置库中高压实膨润土中发生的化学反应,建立了K+、Ca2+、Na+、Mg2+ 4种阳离子的离子交换和矿物溶解沉淀的一维运移反应模型。模拟了核废料处置环境中,膨润土化学组分在不同流体环境下随时间和空间的变化规律,验证了膨胀性的衰减主要是由Na基蒙脱石转变为Ca基蒙脱石引起。结合膨润土化学组分变化结果,对膨润土膨胀性衰减程度进行了评估。得到1万年后海水和地下水环境下的高庙子膨润土膨胀性衰减系数分别达到0.83和0.92,MX80膨润土达到0.79和0.90。     

Multi‐species diffusion analysis in porous media under various dry density and temperature conditions: molecular dynamics simulation,homogenization analysis,and finite element method

In porous media, chemical species that dissolve in pore water can be transported via diffusion mechanisms or advective fluxes, close to or far away from where precipitation occurs. In the case of a high‐level radioactive waste disposal system, compacted bentonite is used in a buffer material in an engineering barrier system to minimize the amount of specific nuclides that breach into the surrounding host rock. To minimize breaching, it is very important to understand the transport mechanism of multiple chemical species in porous media. In the following research, we introduced FEM analysis methods using the results of the molecular dynamics simulation and homogenization analysis (MD/HA) method. First, the diffusion coefficients of ions (Cl^?, I^?, and Na⁺) in different water layers of Na‐beidellite were calculated using the MD/HA procedure under various dry density (1.2, 1.6, and 2.0 Mg/m³) and temperature (293, 323, and 363 K) conditions. Next, using FEM analysis that used the MD/HA results as input parameters, the diffusion behaviors of ions in porous media were calculated. The results indicate that the diffusion coefficients of the interlayer water in Na‐beidellite are different from the diffusion coefficients under dry density conditions. Further, the concentration profiles (C_t/C₀) of iodine and chloride are proportional to temperature but inversely proportional to dry density. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

高庙子膨润土中蒙脱石碱性溶蚀的矿物学证据

高放废物地下处置库运营过程中,衬砌混凝土在地下水作用下产生的强碱性溶液,会扩散进入膨润土缓冲屏障,长期将使屏障性能发生退化。采用不同 pH 值的 KOH 溶液模拟衬砌混凝土溶出的碱性溶液,在室内进行为期一年的常温接触扩散试验,开展X射线荧光光谱（X-ray fluorescence spectroscopy,简称XRF）、X射线衍射（X-ray diffraction,简称 XRD）、扫描电镜（scanning electron microscope,简称 SEM）和能谱（energy dispersive spectrometry,简称 EDS）试验,研究强碱性溶液缓慢扩散对高庙子膨润土矿物的影响。XRF试验结果表明,当 KOH 溶液的 pH>12.6时,膨润土中 Si 元素的含量开始减少,即含Si 矿物蒙脱石、石英、方石英等发生了溶解;同时,K元素含量增多,表明膨润土与碱溶液发生离子交换反应,溶液中大量的K⁺进入蒙脱石层间。XRD 试验结果表明,在 pH=12.6时,蒙脱石矿物的 001峰开始右移、变宽,峰值强度大大减弱;在pH>13时,衍射角θ整体向右偏,晶面间距由原始膨润土样的1.385 3 nm（13.853 Å）减小为1.221 0 nm（12.210 Å）,表明蒙脱石矿物晶层被压缩。随着 KOH 溶液 pH 值增大,膨润土中蒙脱石、石英等矿物的含量明显减少,长石类矿物的含量逐渐增加,伊利石和斜发沸石的含量也呈现略微增多的趋势。SEM 试验结果表明,随着溶液 pH 的增大,蒙脱石部分晶层会发生重叠,进而产生部分裂隙和孔洞,加速蒙脱石的溶蚀进程。在为期一年的接触扩散试验中,pH=13.8的 KOH 溶液扩散深度超过7.5 mm,并且在碱溶液与膨润土接触面上观察到新生成的伊利石微晶,证实强碱性溶液会导致蒙脱石溶解及伊利石化。