水體結(jié)冰過程中物質(zhì)的遷移規(guī)律

于愛鑫,張 巖,高 寧,喬玲敏,唐元慶,趙萬里

(1.煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005;2.威海市文登區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局,山東 威海 264200)

1 研究方法

1.1 主要儀器與裝置

本實(shí)驗(yàn)配置溶液均使用超純水,檢測儀器為AquaMate8000紫外-可見水質(zhì)分析儀．

為模擬自然水體自上而下的結(jié)冰過程,本研究采用一種自制的敞口單向?qū)Ю浣Y(jié)冰模擬裝置(圖1)．將圓柱形玻璃桶體(直徑16 cm、桶高40 cm)用EPS保溫材料包裹,阻斷桶體與外界進(jìn)行熱量傳遞,為方便冰柱取出,在桶外壁與保溫材料之間包裹溫控加熱片,桶內(nèi)放置電阻絲(鎳鉻合金)測厚裝置．將上述裝置置于低溫試驗(yàn)箱中,低溫試驗(yàn)箱最低制冷溫度可達(dá)-40 ℃,溫度上下波動(dòng)不超過0.5 ℃．

1.EPS保溫層;2.加熱片;3.測冰厚裝置;4.T形支架;5.玻璃盛水容器.

1.2 研究方法

本實(shí)驗(yàn)開展室內(nèi)模擬結(jié)冰過程,設(shè)計(jì)了以下3部分實(shí)驗(yàn)．

(2)配置一定濃度(同上)的溶液24 L,平均分成3份分別倒入結(jié)冰模擬器中,置于-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃的低溫箱中,當(dāng)冰厚達(dá)到10 cm時(shí),采集冰樣和冰下水樣,冰樣融化后待測．

(3)配置3種不同濃度(同上及其濃度的0.5倍和2倍)的溶液24 L,平均分成3份分別倒入結(jié)冰模擬器中,置于-10 ℃的低溫箱中,當(dāng)冰厚達(dá)到10 cm時(shí)采集冰樣和冰下水樣,冰樣融化后待測．

1.3 測試指標(biāo)檢測方法

用分配系數(shù)K表示結(jié)冰過程中5種物質(zhì)的遷移能力和排出效應(yīng),即:

K=Ci/Cw，

其中:Ci—冰中污染物質(zhì)量濃度,mg/L;

Cw—冰下水中污染物質(zhì)量濃度,mg/L．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同結(jié)冰厚度下各物質(zhì)的質(zhì)量濃度分布規(guī)律

2.2 不同結(jié)冰溫度下各物質(zhì)的質(zhì)量濃度分布規(guī)律

2.3 不同初始濃度下各物質(zhì)的質(zhì)量濃度分布規(guī)律

圖2 物質(zhì)在冰-水間的分布規(guī)律及其隨結(jié)冰厚度的變化

圖3 物質(zhì)在冰-水間的分布規(guī)律及其隨結(jié)冰溫度的變化

圖4 物質(zhì)在冰-水間的分布規(guī)律及其隨溶液初始質(zhì)量濃度的變化

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)冰過程中5種物質(zhì)的遷移規(guī)律

圖5 冰體結(jié)構(gòu)剖面

3.2 結(jié)冰厚度對5種物質(zhì)遷移規(guī)律的影響

3.3 結(jié)冰溫度對5種物質(zhì)遷移規(guī)律的影響

由圖3知,結(jié)冰溫度越低,冰中5種物質(zhì)分配系數(shù)K越大,即隨溫度降低分配系數(shù)呈增加趨勢,物質(zhì)向冰下水體中遷移的能力越弱,包裹在冰體中的物質(zhì)含量越多．這是因?yàn)榻Y(jié)冰溫度越低,冰體中產(chǎn)生更多的晶核數(shù)、冰晶分枝形狀和冰晶顆粒,冰的凍結(jié)速率增大,使得冰-水界面上5種物質(zhì)的邊界厚度減小,冰體內(nèi)包裹5種物質(zhì)的薄晶體數(shù)量增多[27]．另外,水溫度過低時(shí),溶液需要較大的面積釋放潛熱,冰晶將呈枝狀生長,并在主干上產(chǎn)生更高級的分枝,促進(jìn)冰晶形成的同時(shí),很容易捕獲物質(zhì),這都導(dǎo)致分配系數(shù)隨溫度的降低而增大[28],這與NAKAWO等[22]的研究結(jié)果一致．

3.4 初始濃度對5種物質(zhì)遷移規(guī)律的影響

4 結(jié) 論

(1)模擬結(jié)冰過程中,硝態(tài)氮、氨氮、磷酸鹽、總錳、總鐵的濃度關(guān)系均為:冰中的濃度<冰前水的初始濃度<冰下水的濃度,分配系數(shù)K均小于1,表明5種無機(jī)離子在結(jié)冰過程中均由冰體向冰下水體遷移,并用結(jié)晶學(xué)理論對這一遷移規(guī)律做出了解釋．

(2)結(jié)冰溫度越高時(shí),5種無機(jī)離子的分配系數(shù)均減小;結(jié)冰厚度越大時(shí),除硝態(tài)氮外,其余4種無機(jī)離子分配系數(shù)均減小;溶液初始濃度越高時(shí),除氨氮外,4種無機(jī)離子的分配系數(shù)均減?。@表明結(jié)冰溫度對5種無機(jī)離子遷移規(guī)律影響不大,而冰厚和溶液初始濃度對硝態(tài)氮和氨氮的遷移規(guī)律有一定的影響．

(3)模擬結(jié)冰過程中冰厚、溫度和濃度都影響硝態(tài)氮、氨氮、磷酸鹽、總錳、總鐵的遷移過程,在自然結(jié)冰過程中影響無機(jī)離子遷移的因素還有很多,這需要進(jìn)一步研究．