1、1饱和多孔介质中伊利土胶体絮凝沉积的物理化学影响机制指导老师：林国庆 负责人：邱丽霞 小组成员：刘芳 娄晶2摘要试验装置试验结果结论 材料 与 方法3摘要 胶体颗粒在多孔介质的运移过程中，水动力、水化学条件改变，容易使胶体絮凝沉积，以致颗粒尺寸增大，孔隙堵塞,进而引起含水层渗透性降低。本文采用动水絮凝砂柱试验来研究动水絮凝与水化学条件、水动力学条件之间的内在联系。试验向无胶体砂中通入不同离子强度（类型），1g/L的原位伊利土悬浮液，测定流出液颗粒浓度变化，计算总截留量和砂柱截留分布情况。结果表明，电导率越高胶体颗粒截留量越大；相同电导率的悬浮液NaCl比KCl胶体颗粒截留量小；渗流速度越大，胶
2、体颗粒截留量越小。试验得出，水化学因素、水动力学因素是影响胶体截留量的主要因素。4试验装置图1 试验装置简图Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up1-砂柱；2-取样口；3-蠕动泵；4-搅拌器；5-三通阀门；6-橡皮塞；7-工作台；8-量筒5含水层砂样 采样（大沽河下游）除杂自然风干筛分超声清洗试验材料6伊利土0.00.51.01.52.02.50.00.51.01.52.02.5 浓度吸光度浓度（g/L）y=1.1794xR2=0.9996试验材料图2 颗粒浓度和吸光度的关系曲线咸淡水驱替法：海水饱和蒸馏水驱替离心、烘干Fig.2
3、Relative curves between particles concentration and adsorption7伊利土试验材料流出液成分图14%3%8%13%62%伊利石 高岭石 蒙脱石 绿泥石 非粘土性物质图3Fig.3 The composition of effluent8试验方法将0.25-0.5mm无胶体砂等容重装入长度为20cm,内径为2.8cm的有机玻璃柱中，边装边敲砂柱的外壁,使所装砂样保持均匀和密实,按实际容重装柱，砂柱水平放置在固定架上，以消除重力影响。将砂柱与保定LEAD-1保定兰格蠕动泵相连接，在给定渗流速度（8.0rad/min）条件下通入电导率为500
4、0s/cm的NaCl溶液，直至流出液流量达到稳定；将通入溶液换成电导率为5000s/cm、1g/L的伊利土胶体溶液（悬浮液用磁力搅拌机搅拌，以保证通入的悬浮液物理化学性质稳定），从开始通入胶体悬浮液时开始计时，每隔1min取一次样（取样时间1min），测定砂柱流出液的体积和吸光度；一小时后将通入溶液换回电导率为5000s/cm的NaCl溶液，直至流出液澄清，计算流出液吸光度和总体积；将通入溶液换为蒸馏水，直至流出液澄清，计算流出液吸光度和总体积；将砂样等量推于四个250mL烧杯中，各加入150mL蒸馏水，轻轻搅拌，测其上清液吸光度，然后将砂样烘干，通过质量差得到各个烧杯悬浮液的质量，算出各部分
5、无胶体砂对胶体的截留量。9试验结果 -蒸馏水截留试验 多孔介质结构本身对运移的悬浮胶体颗粒会造成一定量的截留比例，本试验条件下，多次试验得出多孔介质截留百分比约为11%图4 粘土胶体流出液颗粒浓度变化曲线01020304050600.00.20.40.60.81.0颗粒浓度（g/L）时间（min）Fig.4 Variation of three colloid particles concentration in leach effluent10试验结果 -动水絮凝试验 胶体悬浮液的离子强度越大，流出液的颗粒浓度稳定值越小，但颗粒浓度出现突变的时间大致相同。01020304050600.00.
6、10.20.30.40.50.60.70.80.91.0颗粒浓度（g/L）时间（min）蒸馏水 1000 2000 3000 4000 5000图5 离子强度与流出液颗粒浓度变化关系图Fig.5 particle concentrations and ionic strengths of the effluent 絮凝吸附截留沉积孔隙堵塞&11试验结果 -动水絮凝试验渗流速度越大，流出液颗粒浓度稳定值越大，胶体颗粒截留量越少。渗流速度越大，絮凝颗粒受到的水力作用越大，已絮凝的颗粒越容易释放，随溶液流出，截留量减少。图6 渗流速度与流出液颗粒浓度变化关系图Fig.6 particle conce
7、ntration of the effluent and seepage velocity01020304050600.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9颗粒浓度（g/L）时间（min）1.03cm/min 1.17cm/min 1.31cm/min12试验结果 -动水絮凝试验010002000300040005000020406080100截留百分比%离子强度s/cm11.350.475.0376.8378.9684.8210002000300040000510152025303540截留百分比%离子强度s/cm 0-5cm 5-10cm 10-15cm 15-20cm
8、图7 离子强度与颗粒总截留百分比关系图Fig.7 ionic strength and the total percentage of colloid straining within porous media 图8 离子强度与胶体颗粒截留百分比关系图Fig.8 ionic strength and the percentage of colloid straining within porous media13试验结果 -动水絮凝试验 试验发现动水絮凝试验颗粒总截留百分比要比蒸馏水截留试验高出很多，且总截留百分比随着伊利土悬浮液离子强度的升高而升高。离子强度越高，胶体颗粒在水动力学条件下发生
9、碰撞的频率越高、絮凝沉积时间越短，越难被释放。胶体颗粒发生絮凝后颗粒自身尺寸增大、形状改变，在运移过程中更容易被孔隙结构捕获，造成堵塞，使得孔隙内径变小，故会有更多的颗粒被捕获，使得截留量越来越大。14试验结果 -动水絮凝试验 试验发现动水絮凝试验颗粒总截留百分比要比蒸馏水截留试验高出很多，且总截留百分比随着伊利土悬浮液离子强度的升高而升高。离子强度越高，胶体颗粒在水动力学条件下发生碰撞的频率越高、絮凝沉积时间越短，越难被释放。胶体颗粒发生絮凝后颗粒自身尺寸增大、形状改变，在运移过程中更容易被孔隙结构捕获，造成堵塞，使得孔隙内径变小，故会有更多的颗粒被捕获，使得截留量越来越大。15试验结果 -
10、动水絮凝试验用不同离子强度的伊利土悬浮液进行试验，砂柱的第四段（15-20）的截留量均是最多的，且随着电导率的增加，第四段的截留量占总截留量的比例也随之增加，但是砂柱前面各个长度的截留量相差不大。在水动力和水化学条件共同作用下，伊利土胶体在砂柱中会经历絮凝-释放-迁移-沉积的过程，其中释放主要是由于水流水力作用的影响。10002000300040000510152025303540截留百分比%离子强度s/cm 0-5cm 5-10cm 10-15cm 15-20cm16试验结果 -动水絮凝试验图9 氯化钾胶体悬浮液不同离子强度条件下流出液颗粒浓度变化规律Fig.9 Particle conce
11、ntration of the KCl effluent under different ionic strength01020304050600.00.10.20.30.40.50.60.7浓度（g/L）时间（min）电导率1000 电导率2000 电导率300001020304050600.000.010.020.030.040.050.060.070.08浓度（g/L）时间（min）电导率3000试验结果 -动水絮凝试验对比图9和图4可知，当悬浮液中阳离子为Na+时，流出液的稳定颗粒浓度随着离子强度的增加而降低。但是悬浮液中阳离子为K+时，只有离子强度为1000s/cm时的流出液颗粒浓度
12、变化规律以及最终稳定浓度与KCl悬浮液较为接近，其他离子强度条件下的流出液颗粒浓度变化则呈现一种新的规律。当离子强度为4000、5000s/cm的氯化钾电解液时，在试验时间（1h）内，颗粒完全被截留在多孔介质中，没有任何颗粒释放。这是因为：阳离子交换吸附能力的大小为：K+Na+1718结论（1）多孔介质本身对胶体颗粒截留有一定影响影响，在本试验条件下，多孔介质截留百分比为11.3%；（2）胶粒吸附絮凝、截留沉积导致堵塞孔隙是流出液颗粒浓度降低的主要影响因素；（3）相同水动力学条件下，离子强度越大，流出液颗粒稳定值越小，但颗粒浓度出现突变的时间大致相同；（4）相同水化学条件下，渗流速度越大，流出液颗粒稳定值越大，截留的颗粒越少；（5）动水絮凝试验颗粒截留百分比要比蒸馏水截留试验高出很多，且截留百分比随着伊利土悬浮液离子强度的升高而增升高，距离出水口越近，截留量越大；（6）离子类型对胶体截留影响明显，不同离子有着不同的动水絮凝规律，相同离子强度的悬浮液，NaCl比KCl胶体颗粒截留量小。19总结体会学到了更多海水入侵方面知识，建立起浓度兴趣提高了动手能力和科研创新能力更加严谨认真，养成良好习惯收获了友谊和快乐学无止境20 感谢学校给我们这次锻炼自己的机会，感谢老师一年来的精心指导和帮助，感谢师姐们热心的答疑解惑，更感谢和队友们的愉快合作！21谢谢！
