环境地球化学模型的应用与发展

环境地球化学模拟是环境科学、地球化学等学科交叉的一个重要领域。这里在总结形态与饱和度模型、表面吸附模型、反应途径模型、逆向模型、复合反应溶质运移模型以及动力学模型原理的基础上,对包含上述模型的各种地球化学模拟软件进行了优缺点比对。总结了各模型在当前环境地化研究领域的重要应用课题,这将为从事相关领域的研究提供一些相对较新、较综合的信息,最后还针对环境地球化学模型的不足进行了相关探讨,对地球化学模型的发展趋势进行了预测。     

地下水地球化学模拟

地下水地球化学模拟是评价地下水水质，模拟水－岩相互作用，查明地下水－岩石相互作用下污染物迁移形式和变化特点，以及预测地下水化学演变的有效方法。本文概述了地下水地球化学模拟的基本理论，讨论了地下水地球化学模拟中的组分存在形式的计算，质量平衡反应模型及反应路径模拟的研究内容和方法，并指出了其存在的问题及发展方向。     

黏性岩土的化学渗透效应及其研究进展

化学渗透现象引起的"耦合流"研究,已广泛应用于地球科学、环境科学和土木工程等多个领域。回顾了自20世纪50年代以来化学渗透以及黏土半透膜效应的研究进展。分别从理论基础、试验研究和数值模型等3个方面综述了黏土岩土的化学渗透效应的理论及其研究进展,重点阐述了化学渗透现象及其黏土半透膜效应的室内试验、场地试验及野外证据以及化学渗透"耦合流"的不连续模型和连续模型。指出今后应重点研究黏性土化学渗透效应对地下水流及溶质运移的影响研究。这将有利于我国进一步开展考虑化学渗透效应的地下水数值模拟研究。     

层状盐岩造腔仿真软件开发及其实用性验证

国内层状盐岩具有夹层多、不溶物含量高等特点,现有造腔软件不能很好地模拟国内层状盐岩水溶造腔过程。基于流体力学和化学动力学等理论,建立能够描述盐岩造腔过程的数学模型,并提出了夹层垮塌判据。结合国内层状盐岩水溶造腔工艺特征,开发出能模拟含夹层盐岩水溶造腔的软件Salt Cavern Builder V1.0。该软件可模拟纯盐岩、多夹层盐岩的水溶造腔过程,能较好地反映出造腔方案在现场造腔过程中每个阶段的实施效果。通过大尺寸型盐造腔相似试验,模拟无夹层和含单一夹层的腔体形状扩展过程。基于相似理论基础,在现场造腔工艺条件下,造腔软件模拟出的结果与试验得到的结果接近,验证了该软件的实用性。     

煤基质中甲烷扩散动力学特性研究

甲烷在煤基质中的质量传递过程可用费克第一定律或费克第二定律来模拟。本文通过等温吸附-解吸实验的动力学数据,以费克第二定律为理论基础,对煤基质球形单元模型建立了试验求取扩散特性的方法。晋城煤样等温吸附及解吸实验的数据处理结果表明,吸附-解吸速率均随压力及煤样气含量的增加而增加;吸附速率与解吸速率随压力的变化曲线基本相同。      

黄铁矿中金的吸附─还原─生长模型的确立

为什么黄铁矿富含金，目前的解释众说不一。笔者采用模拟实验与理论综合分析相结合的方法，把自然金在黄铁矿中的形成机理概括为：“化学吸附－氧化还原－晶体生长”成因模型。该模型的建立，丰富和深化了金矿成矿理论，能圆满解决传统溶液化学理论无法解决的问题，为界面成矿学说提供了理论和实验依据。同时，笔者强调指出，自然界团－液界面广泛存在，界面吸咐作用的结果不可低估，应给予足够重视。     

利用GCMC分子模拟技术研究页岩气的吸附行为和机理

揭示页岩气的吸附机理是阐明页岩气的吸附规律及转化条件、建立具有普适意义的定量评价模型的基础.采用GCMC（Grand Canonical Monte Carlo）分子模拟方法,对不同温压条件下CH₄和CO₂在不同孔径的伊利石狭缝形孔隙中的吸附行为进行模拟,结果表明,分子模拟与实验所得的吸附量归一化到单位表面积才具有相同的内涵和比较的意义.在此基础上进行的对比表明,分子模拟与实验结果相近,奠定了由分子模拟考察页岩气吸附行为和机理的基础:气体吸附于矿物表面的内因（机理）是气-固分子之间的范德华力和库仑力,伊利石表面对CO₂的吸附能力比其对CH₄的吸附能力强是其结合能更高的反映;CH₄和CO₂在伊利石表面的吸附虽然并非严格的单分子层吸附,但以一个强吸附层为主;孔径减小到微孔后吸附相密度将发生叠加,形成微孔填充,也是其结合能叠加的结果.      

油气田地区土壤-水环境中有机污染的数值模拟及模型预测

针对油气田地区的地下水污染日益突出问题，文章综合考虑石油类有机污染物在包气带中扩散、吸附解吸、分配和生物降解等环境行为，建立了土壤－水环境体系有机污染物迁移转化的非平衡动力学模型，并编制了RBCA有限元程序，预测污染物在土壤－水环境中浓度分布变化趋势，探讨了模拟参数κd、κ变化对有机污染物迁移的影响。模拟结果表明：吸附解吸速率参数的变化对污染物达到平衡状态起着决定性作用，其结果可为定量研究有机污染物在土壤－水环境中的归宿提供可靠的理论根据，同时为油气田勘探开发过程中的污染控制与治理措施提供依据和理论指导。     

某化工厂废液CODCr在包气带中的迁移规律及数值模拟

为揭示精对苯二甲酸工厂废液在粉土包气带中的吸附、降解和迁移规律、迁移速度,通过静态吸附、厌氧降解以及土柱淋滤实验,确定土壤水化学参数及溶质反应参数,结合数学模型和模拟软件进行研究.实验结果为:包气带粉土对废水CODCr的吸附可以用线性方程表示,分配系数为0.155cm3/g;对CODcr的降解系数λ为0.009 7d-1;CODCr在土柱中迁移的纵向弥散度为0.15cm.通过HYDRUS-1D软件模拟CODCr迁移曲线,拟合值与实测值对照结果良好;使用该模型对CODCr浓度的运移预测表明,包气带厚为17m时,CODCr浓度为4 000mg/L时以1m定水头持续淋滤情况下经过11.63a可到达潜水面.     

地下水溶质运移三维有限元模拟软件的设计与应用

介绍了含水层系统地了下水溶质运移三维有限元要模拟软件（ＧＴＳ３ｄ）的设计思路，该软件充分考虑到从模型的建立，数据与参数的输入，模拟计算到计算结果可视化与表达的整个过程，通过键盘或鼠标控制下拉式菜单结构而有机地组织在一起，实现了数据输入，计算结果输出的全部图形功能，该软件成功地用于广西北海市涠洲岛含有水层系统的海水入侵模拟研究     

盾构隧道衬砌CAD软件的设计及应用

基于荷载-结构法并采用面向对象的设计方法,介绍了盾构隧道衬砌计算机辅助设计（GeoFBA）软件编制的理论依据、软件的适用范围及特点。软件考虑了各种可能的线性和非线性模式以及规范验算方法,实现了计算的图形化输入,适用于管片通缝和错逢拼装计算。该软件已经得到了广泛的应用,为工程设计人员和科研人员提供了有力的工具,极大地提高了设计人员的生产效率。     

Composition of acidification effluents of sandstones through geochemical calculation: validation of fluorosilicate equilibria by potentiometric assay of F

Laboratory fitting of an acidification model designed for sandstone reservoirs requires the determination of the residual HF concentration at the downstream end of the acidified plug. The program MINEQL, for calculating chemical equilibria in aqueous systems, was extended to handle acidification effluents. A set of 87 representative solutions was studied using MINEQL and selective F potentiometric data. Comparison of the results furnished by both methods led to the validation of the calculation of the fluorosilicate equilibria and established a relation giving the residual HF concentration from the potentiometric measurement of the effluent.     

The adsorption of plutonium IV and V on goethite

The adsorption of Pu(IV) and Pu(V) on goethite (αFeOOH) from NaNO₃ solution shows distinct differences related to the different hydrolytic character of these two oxidation states. Under similar solution conditions, the adsorption edge of the more strongly hydrolyzable Pu(IV) occurs in the pH range 3 to 5 while that for Pu(V) is at pH 5 to 7. The adsorption edge for Pu(V) shifts with time to lower pH values and this appears to be due to the reduction of Pu(V) to Pu(IV) in the presence of the goethite surface. These results suggest that redox transformations may be an important aspect of Pu adsorption chemistry and the resulting scavenging of Pu from natural waters.Increasing ionic strength (from 0.1 M to 3 M NaCl or NaNO₃ and 0.03 M to 0.3 M Na₂SO₄) did not influence Pu(IV) or Pu(V) adsorption. In the presence of dissolved organic carbon (DOC), Pu(V) reduction to Pu(IV) occurred in solution. Pu(IV) adsorption on goethite decreased by 30% in the presence of 240 ppm natural DOC found in Soap Lake, Washington waters. Increasing concentrations of carbonate ligands decreased Pu(IV) and Pu(V) adsorption on goethite, with an alkalinity of 1000 meq/l totally inhibiting adsorption.The Pu-goethite adsorption system provides the data base for developing a thermodynamic model of Pu interaction with an oxide surface and with dissolved ligands, using the MINEQL computer program. From the model calculations we determined equilibrium constants for the adsorption of Pu(IV) hydrolysis species. The model was then applied to Pu adsorption in carbonate media to see how the presence of CO₃^?2 could influence the mobility of Pu. The decrease in adsorption appears to be due to formation of a Pu-CO₃ complex. Model calculations were used to predict what the adsorption curves would look like if Pu-CO₃ complexes formed.     

土壤热磁组分形貌特征及元素富集方式

利用光学显微镜和带能谱的扫描电子显微镜（SEM）等方法研究了土壤热磁组分的形貌特征、结构、表面性质及矿物组成,并与化学分析相结合,探讨了土壤热磁组分对矿化指示元素的富集作用和机理。研究结果表明,土壤热磁组分以铁锰氧化物为主,是由土壤中非晶质铁锰氧化物转化而来的。通过对土壤、土壤热磁组分、土壤非磁性组分中铁锰氧化物与成矿及其伴生元素的相关关系分析,证实了土壤热磁组分对矿化指示元素的富集作用,为深化土壤热磁组分测量方法的基础理论提供了依据。对比试验结果表明,土壤热磁组分测量较常规土壤测量具有更强的发现由深部矿体引起的微弱矿化信息的能力。     

深部开采覆岩应力变化规律模拟实验研究

为了研究深部开采条件下覆岩结构运动所引发的动力破坏特征及巷道围岩中采动支承压力分布规律,以某矿20180工作面覆岩为研究对象,通过相似材料模拟实验,得出了深部开采条件下覆岩应力变化规律。结果表明:顶板垮落规律显著,初次来压步距较长,周期来压步距基本相似;开采过程中底板与顶板支撑压力是动态变化的,并具有同步性;随着顶板岩层高度的增加,应力集中系数逐渐减小。根据底板和顶板的应力变化规律,将底板和顶板划分为五个区域,为深部开采条件下工作面巷道超前支护,采空区瓦斯抽放及矿压控制提供可靠理论依据。     

不同煤级煤对H2S气体的吸附差异及吸附模型

为了研究不同煤级煤对H₂S气体的吸附差异及吸附模型,采集新疆气煤,山西潞安瘦煤、晋城无烟煤3个煤样进行了工业分析、煤岩分析和平衡水条件下的等温吸附实验。采用Langmuir,BET,D-R和D-A吸附模型,利用拟合软件对等温吸附实验数据进行了非线性回归拟合,并检验拟合程度。结果表明:煤对H₂S的吸附量随着煤化程度的加深而增加,为第Ⅰ类等温吸附线;其中Langmuir模型的拟合效果最好,n=1的D-A模型的拟合效果次之,BET模型的拟合效果较差,模型对实验数据的拟合效果与吸附模型中参数个数无明显关系;煤吸附H₂S可用单分子层吸附理论来解释。      

高表面活性矿物对Zn~(2+)的吸附机理及其环境意义

本文利用高表面活性矿物蒙脱石、蛭石、沸石在一定的介质条件下对Zn2 +进行吸附实验研究。蒙脱石和蛭石对Zn2 +的等温吸附线呈双“S”型 ,而沸石对Zn2 +的等温吸附线则呈“Langmuir”型。三种矿物对Zn2 +的吸附容量大小顺序为 :蒙脱石 >蛭石 >沸石。运用粉晶X射线衍射、红外光谱、差热及热重分析等技术对矿物及矿物吸附Zn2 +后的结构特征进行了研究。结果表明 ,蒙脱石吸附锌后其层间域中吸附锌大量水解形成新的物相 ,而蛭石与沸石吸附锌后水解很少。这为利用高表面活性矿物控制和治理环境污染及其可循环利用提供了理论依据。     

A Review of Study on Fe-C Interaction and Their Adsorption Properties to Soil Heavy Metal

Nowadays, the Fe-C coprecipitate mechanism is recognized by more and more scholars and becomes the hot topic in the environmental science. On the basis of discussing the interaction between iron oxide and organic matter, and the adsorption research progress of Fe-C complexes on heavy metals, the immobilization potential of Fe-C complexes on heavy metals in polluted soil were illustrated. The surface properties and physical characterizations of iron oxide are changed regularly with the interaction of organic matter, which lead to the higher adsorption capacity of Fe-C complexes in contrast to single iron oxide. Besides, the influences of pH values, organic matter types and surface properties of iron oxides on the adsorption capacity of Fe-C complexes on heavy metals were discussed. The excellent adsorption performance of Fe-C complexes in certain conditions will provide important theoretical basis for contaminated soil remediation.     

自然水体生物膜、悬浮颗粒物和沉积物吸附铅、镉的热力学参数比较

采用实验室模拟的方法研究了松花江自然水体生物膜、悬浮颗粒物和沉积物吸附铅、镉的热力学规律。根据吸附热力学参数（Γ_max、k和K_d）综合比较3种固相物质的吸附能力,并讨论吸附能力存在差异的原因。结果表明：Langmuir型及Freundlich等温式可以很好地描述3种固相物质吸附热力学规律,三者吸附铅、镉的能力为生物膜>悬浮颗粒物>沉积物,生物膜、悬浮颗粒物和沉积物对铅的吸附能力均明显高于对镉的吸附能力。     

超临界状态下煤岩吸附/解吸二氧化碳的实验

查明超临界状态下煤岩对CO₂的吸附/解吸特征,能为煤层气开采现场注CO₂的注入参数选取提供理论依据。以山西屯留矿的瘦煤和寺河矿的无烟煤为研究对象,借助ISO-300型等温吸附实验仪分别进行了不同温度(35℃、45℃、55℃)、最高压力达到CO₂临界压力以上时的吸附/解吸实验。结果表明:超临界状态下,随着压力升高,容量法测得的吸附量存在最大值,不代表煤样的绝对吸附量,而是Gibbs吸附量;根据煤岩在高压下吸附CO₂的本质,计算出超临界状态下煤岩吸附/解吸CO₂的真实量。超临界状态下煤岩吸附CO₂的真实量与压力之间符合langmuir吸附曲线,随着吸附压力的升高,Gibbs吸附量与绝对吸附量之间的差值越来越大;随着温度的升高,煤样的饱和吸附量降低;同样条件下,高变质程度的无烟煤对CO₂的饱和吸附量大于瘦煤;超临界状态下煤样对CO₂的绝对吸附等温线和绝对解吸等温线是可逆的。