专利名称：一种测定液体在饱和多孔介质中迁移参数的装置和方法
技术领域：
本发明属污染物测量技术领域，具体涉及一种测定液体在饱和多孔介质中迁移参数的装置和方法。利用该方法和装置可以测定污染物在土壤中的扩散系数D和分配系数Kd。
背景技术：
随着城市人口的增长和工业化的发展，各种废弃物的排放数量急剧增加，废弃物的处置成了当今世界所面临的严峻问题。目前世界上大多数国家对废弃物的处置仍以填埋为主。填埋场一般的做法是在填埋物和污染源周围建筑地下防渗围护体和防渗人工封底层，然后分层填埋、压实，用粘土做封顶层。现在欧美等国家已发展用高吸附性的活性屏障系统。在屏障系统的设计中，确定污染物在屏障中的迁移参数(包括扩散系数D和分配系数Kd)是最首要和关键的。迁移参数的测定虽然最准确地可从现场试验确定，但这样做会很费时间，而且会对环境造成污染，所以一般还是通过实验室模型试验确定。
JP2003106974公开了一种测定液体中的扩散系数的方法，它是通过测定由于扩散造成的溶液浓度的改变和溶液质量的改变，确定出扩散流量J和浓度梯度dc/dx，再根据Fick’s第一定律，求出扩散系数D。
JP9234329公开了一种通过研究达到吸附平衡产生的某种现象(特别是吸附质量改变)来计算(氧化)硅胶颗粒介质中扩散系数的方法。
US5627329公开了确定扩散剂在固体颗粒状物(如塑料、金属)中扩散系数的方法，用惰性气体通过含有扩散剂的颗粒状物，测定一段时间范围内流出的惰性气体中与扩散剂浓度成正比的一个参数，取参数～时间关系曲线中线性部分的斜率，再乘以一个常数，即得到扩散系数。此装置的缺点是加热的温度难选取，即要保证扩散剂不变成液体，又要使颗粒不会被软化或变成液体态，因为颗粒处于不同的状态，得到的扩散系数是不同的。
WO9733152公开了一种测定多孔介质中带电分子(即离子)扩散系数的方法和装置，多孔介质放在一个由非导电材料制成的水平向的容器中，容器两端各置一缓冲容器，每个缓冲容器中各有一根电极，在两根电极之间装有产生电位差的源以加速带电分子的运动。试验时将带电分子与多孔介质接触，测出这些带电分子的运动(如一定时间后覆盖的距离)，进而计算出扩散系数。此装置只适用于测定离子在多孔介质中的扩散。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单、使用方便、成本低廉的用于测定液体在饱和介质中迁移参数的装置和方法。
本发明设计的用于测定液体在饱和介质中迁移参数的装置，是一种纯扩散装置，具体为由聚乙稀塑料板制成的无盖模型槽，由多孔板(在聚乙稀塑料板上钻孔)将其隔成3部分中间部分为屏障室，放置多孔介质；左边部分为扩散源室，右边部分为蒸馏水室。
此装置的优点是1)制作简单，仅用几块聚乙稀塑料板即可拼装成，不需盖板，只需一块底板、几块侧板。
2)价格低廉。一个这样的盒子只要100元左右的成本。
3)本试验过程中，只有扩散过程存在，没有渗流的干扰，测得的扩散系数D是纯扩散系数D。
本发明的测定方法的具体步骤为(1)将多孔介质放入模型槽的中间部分，在多孔板靠多孔介质侧放置一张滤纸，以防多孔介质从孔中漏出；(2)在模型槽的左右两边部分加入蒸馏水(不能加满)，使多孔介质慢慢吸水饱和，排除介质孔隙中的空气，使多孔介质密实，这个过程持续的时间较长；(3)待多孔介质饱和后，在模型槽的一侧(左侧)加入含有扩散剂的液体，另一侧(右侧)加入蒸馏水，要使液体和蒸馏水的水位相等，这样就不会有渗流现象产生；另外水位面要低于多孔介质面，以免含有扩散剂的液体和蒸馏水溢出；(4)随着扩散的进行，液体扩散源中扩散剂的浓度逐渐下降；在试验过程中，一方面测定扩散源中扩散剂的浓度随时间的变化，另一方面测定多孔介质中不同位置上扩散剂的浓度。
扩散系数的计算本发明设计的测定装置是纯扩散装置，迁移方程用污染物在饱和多孔介质中的一维扩散方程来表示Rf∂c∂t=D∂2c∂x2---(1)]]>式中Rf是阻滞因子，假设吸附是线性吸附，则Rf＝1+(ρbkd/n)，n为孔隙率；ρb是多孔介质干密度；kd是吸附等温线的线性平衡系数(分配系数)。
本测定方法的边界条件如下C(x＞0；t＝0)＝0 (2)C(x＝0；t＝0)＝C0(3)C(x＝L；t＞0)＝0 (4)
式中L-多孔介质部分的长度，即测定装置中的屏障室长度L2。式2表示扩散发生前，多孔介质中不存在该种扩散剂；式(3)表示液体扩散源中扩散剂的初始浓度为常数C0；式(4)表示在整个扩散过程中，多孔介质靠蒸馏水侧扩散剂的浓度始终为0。
这里前两个条件是完全可以理解的。式4可以这样理解装置的右侧放的是蒸馏水，由于试验时间比较短，扩散剂扩散到达蒸馏水侧的量很少，又由于蒸馏水的稀释作用，所以假设是成立的。
随着扩散的进行，液体扩散源中扩散剂浓度由于扩散进入多孔介质中而减小C(0,t)=C0-1Hf∫0tf(0,τ)dτ---(5)]]>式中f(0，τ)是x＝0处扩散进入多孔介质中的扩散通量，f＝-D(dc/dx)，Hf是扩散源(污染源)的厚度(即测定装置中扩散源室的长度L1)。
本迁移模型是得不到解析解的，这里采用拉普拉撕(Laplace)变换方法，先将方程(1)进行Laplace变换，得到方程(1)的Laplace解的一般形式c＝B1exp(φ1x)+B2exp(φ2x) (6)f＝nDB1φ2exp(φ1x)+nDB2φ1exp(φ2x) (7)B1、B2—积分常数；φ1、φ2——下列方程的根φ1=v2D+v24D2+Rfs+λD=RfsD=sD*]]>φ2=v2D-v24D2+Rfs+λD=-RfsD=-sD*]]>B1、B2由边界条件经Laplace变换后求得，将B1、B2的值代入方程(6)、(7)，得浓度C的Laplace解如下C‾=C0exp(sRf/Dx)exp(2sRf/Dx)-exp(2sRf/DL)s[1-exp(2sRf/DL]-nDHfsRf/D[1+exp(2sRf/DL)]---(8)]]>其中S为Laplace(拉普拉撕)算子，是复参量。
对一组给定的参数(D、Rf)，由式(8)通过数值变换可得到任意时间、任意位置上扩散剂的浓度C值，所以通过试验求D和kd值是运用反分析方法。具体步骤如下扩散试验进行到某一时刻t，可测得多孔介质中不同位置上扩散剂的浓度值，得到浓度C与扩散距离x的关系曲线，调整扩散系数D和分配系数kd值，由式(8)得到浓度的半解析解，将此理论半解析解去拟合实验测得的浓度曲线，由此推倒出D和kd值。也可通过测定扩散源中扩散剂的浓度随时间的变化，调整D和kd值，用由式(8)得到的理论解去拟合浓度-时间曲线，得到估算的D和kd值。关于D值，可先用半无限平面内的解析解去预估。
本发明利用自己设计的纯扩散装置，通过测定扩散源中的浓度变化或扩散一定时间后土样不同位置上的浓度值，用理论曲线去拟合试验数据，得到匹配的D和kd值。此方法的优点是装置简便实用，成本低廉；纯扩散测定过程计算方法相对简单。
图1为本发明的测定装置。
图2为使用本发明获得的二个实例的Ca2+的浓度的距离(C-X)的关系曲线。
图3为使用本发明获得的一个实例的K+的浓度的距离(C-X)的关系曲线。
图4为使用本发明获得的一个实例的Zn2+的浓度的距离(C-X)的关系曲线。
图中标号B-模型槽宽度；H-模型槽高度，L1-扩散源室长度，L2-多孔介质室长度，L3-蒸馏水室长度。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步介绍本发明。
实施例1多孔介质材料采用上海地区浅层土(粉质粘土)(液限ωL＝30.5％，塑限ωP＝18.9％，塑性指数IP＝11.6)，扩散剂为CaCl2。模型尺寸如下B＝10cm，H＝15cm，L1＝10cm，L2＝10cm，L3＝10cm。试验步骤如下(1)试验前，将土样自然风干，去掉2mm以上的大颗粒；(2)将自然风干的土样放入装置的中间部分，分层夯实，测得土样干密度为1.5g/cm3，孔隙率为0.43；(3)在模型槽的左右两边加入蒸馏水，使得土样慢慢地吸水饱和，排除土孔隙中的空气，这个过程将持续比较长的时间(约半个月～1个月)；(4)待土样充分饱和后，在扩散源侧放入配制好的标准浓度的CaCl2(Ca2+的浓度为0.1mol/L)，另一侧加入蒸馏水，注意要使土屏障两边的水位高度相等，这样就不会产生渗流，还要注意两边的水位面要稍低于多孔介质面3cm左右。这样扩散过程就开始了，随着扩散的进行，扩散源中Ca2+的浓度逐渐下降。试验进行到63天后，测定土多孔介质中不同位置上Ca2+的浓度。
为了计算扩散系数D和分配系数kd值，以测试点离开扩散源的距离x为横坐标，以该点扩散剂Ca2+的浓度C为纵坐标，将实验测得的数据整理在C-X坐标系统内，见图2。用前面讲述的方法，假设不同的D、ρbkd值，将理论曲线向实验数据回归，成功地求出了与实验数据匹配的D、Rf值，Ca2+在土多孔介质中的扩散系数D值为11.1×106cm2/s，ρbkd值为0.6，相应的阻滞因子Rf值为2.40。
实施例2
其它条件同上，只是将扩散源改为CaCl2、KCl的混合溶液(Ca2+、K+的初始浓度均为0.1mol/L)，试验进行到63天后，测定土多孔介质中不同位置上Ca2+、K+的浓度。计算扩散系数的方法同上，Ca2+的结果见图2，K+的结果见图3，求出的Ca2+在土多孔介质中的扩散系数D值为11.1×10-6cm2/s，ρbkd值为0.15，相应的阻滞因子Rf值为1.34；K+在土多孔介质中的扩散系数D值为4.76～6.3×10-6cm2/s，ρbkd值为5～7，相应的阻滞因子Rf值为12.63～17.28。
实施例3其它条件同上，只是将扩散源改为ZnSO4溶液(Zn2+的初始浓度为0.1mol/L)，试验进行到63天后，测定土多孔介质中不同位置上Zn2+的浓度。计算扩散系数的方法同上，结果见图4，求出的Zn2+在土多孔介质中的扩散系数D值为9.5×10-6m2/s，ρbkd值为0.8，相应的阻滞因子Rf值为2.83。
本专利测得的上述扩散系数D和分配系数kd值经与国外文献中报道的用其它方法测得的结果比较，相当接近，发现的某些现象(如在扩散源侧浓度突变的现象、单种扩散剂与多种扩散剂情况下的迁移参数是不同的)在国外文献报道中也存在。说明本发明求得的迁移参数值是可靠的，方法是可行的。
权利要求
1.一种测定液体在饱和多孔介质中迁移参数的装置，其特征在于为由聚乙烯塑料板制成的无盖模型槽，由多孔板将其隔成3部分中间部分为用于放置多孔介质的屏障室，左边部分为扩散源室，右边部分为蒸馏水室。
2.一种测定液体在饱和多孔介质中迁移参数的方法，其特征在于具体步骤如下(1)将多孔介质放入模型槽的中间部分，在多孔板靠多孔介质侧放置一张滤纸，以防多孔介质从孔中漏出；(2)在模型槽的左右两边部分加入蒸馏水，使多孔介质慢慢吸水饱和，排除介质孔隙中的空气，使多孔介质密实；(3)待多孔介质饱和后，在模型槽的一侧加入含有扩散剂的液体，另一侧加入蒸馏水，使液体和蒸馏水的水位相等；另外水位面要低于多孔介质面；(4)随着扩散的进行，液体扩散源中扩散剂的浓度逐渐下降；在试验过程中，一方面测定扩散源中扩散剂的浓度随时间的变化，另一方面测定多孔介质中不同位置上扩散剂的浓度。
3.根据权利要求2所述的测定液体在饱和多孔介质中迁移参数的方法，其特征在于所述的扩散剂的浓度C由扩散方程的Laplace解给出C‾=C0exp(sRf/Dx)exp(2sRf/Dx)-exp(2sRf/DL)s[1-exp(2sRf/DL]-nDHfsRf/D[1+exp(2sRf/DL)]--(8)]]>其中，Rf是阻滞因子，Rf＝1+(ρbkd/n)，n为孔隙率，ρbO多孔介质干密度，kd为分配系数，Hf为扩散源厚度，D为扩散系数，S为拉普拉撕算子，是复参量，L为模型槽中多孔介质部分的长度。
4.根据权利要求3所述的测定液体在饱和多孔介质中迁移参数的方法，其特征在于运用下述反分析方法求得扩散系数D和分配系数Kd扩散试验进行到某一时刻t，可测得多孔介质中不同位置上扩散剂的浓度值，得到浓度C与扩散距离x的关系曲线，调整扩散系数D和分配系数kd值，由式(8)得到浓度的半解析解，将此理论半解析解去拟合实验测得的浓度曲线，由此推倒出D和kd值。
5.根据权利要求3所述的测定液体在饱和多孔介质中迁移参数的方法，其特征在于运用下述反分析方法求得扩散系数D和分配系数Kd通过测定扩散源中扩散剂的浓度随时间的变化，调整D和kd值，用由式(8)得到的理论解去拟合浓度-时间曲线，得到估算的D和kd值。
全文摘要
本发明为一种测定液体在饱和多孔介质中迁移参数的装置和方法。该装置为一无盖模型槽，由多孔板将其分成放置多孔介质的屏障室、扩散源室和蒸馏水室。测定方法利用测定装置，测定扩散剂浓度随时间的变化和多孔介质中不同位置的扩散剂的浓度。该浓度可用扩散方程的Laplace解表示，并通过反分析方法，求得迁移参数扩散系数D和分配系数K
文档编号G01N15/08GK1563942SQ20041001721
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月25日 优先权日2004年3月25日
发明者席永慧, 胡中雄 申请人:同济大学