水体结冰过程中物质的迁移规律

于爱鑫,张 岩,高 宁,乔玲敏,唐元庆,赵万里

(1.烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005;2.威海市文登区住房和城乡建设局,山东 威海 264200)

1 研究方法

1.1 主要仪器与装置

本实验配置溶液均使用超纯水,检测仪器为AquaMate8000紫外-可见水质分析仪．

为模拟自然水体自上而下的结冰过程,本研究采用一种自制的敞口单向导冷结冰模拟装置(图1)．将圆柱形玻璃桶体(直径16 cm、桶高40 cm)用EPS保温材料包裹,阻断桶体与外界进行热量传递,为方便冰柱取出,在桶外壁与保温材料之间包裹温控加热片,桶内放置电阻丝(镍铬合金)测厚装置．将上述装置置于低温试验箱中,低温试验箱最低制冷温度可达-40 ℃,温度上下波动不超过0.5 ℃．

1.EPS保温层;2.加热片;3.测冰厚装置;4.T形支架;5.玻璃盛水容器.

1.2 研究方法

本实验开展室内模拟结冰过程,设计了以下3部分实验．

(2)配置一定浓度(同上)的溶液24 L,平均分成3份分别倒入结冰模拟器中,置于-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃的低温箱中,当冰厚达到10 cm时,采集冰样和冰下水样,冰样融化后待测．

(3)配置3种不同浓度(同上及其浓度的0.5倍和2倍)的溶液24 L,平均分成3份分别倒入结冰模拟器中,置于-10 ℃的低温箱中,当冰厚达到10 cm时采集冰样和冰下水样,冰样融化后待测．

1.3 测试指标检测方法

用分配系数K表示结冰过程中5种物质的迁移能力和排出效应,即:

K=Ci/Cw，

其中:Ci—冰中污染物质量浓度,mg/L;

Cw—冰下水中污染物质量浓度,mg/L．

2 实验结果

2.1 不同结冰厚度下各物质的质量浓度分布规律

2.2 不同结冰温度下各物质的质量浓度分布规律

2.3 不同初始浓度下各物质的质量浓度分布规律

图2 物质在冰-水间的分布规律及其随结冰厚度的变化

图3 物质在冰-水间的分布规律及其随结冰温度的变化

图4 物质在冰-水间的分布规律及其随溶液初始质量浓度的变化

3 结果分析

3.1 结冰过程中5种物质的迁移规律

图5 冰体结构剖面

3.2 结冰厚度对5种物质迁移规律的影响

3.3 结冰温度对5种物质迁移规律的影响

由图3知,结冰温度越低,冰中5种物质分配系数K越大,即随温度降低分配系数呈增加趋势,物质向冰下水体中迁移的能力越弱,包裹在冰体中的物质含量越多．这是因为结冰温度越低,冰体中产生更多的晶核数、冰晶分枝形状和冰晶颗粒,冰的冻结速率增大,使得冰-水界面上5种物质的边界厚度减小,冰体内包裹5种物质的薄晶体数量增多[27]．另外,水温度过低时,溶液需要较大的面积释放潜热,冰晶将呈枝状生长,并在主干上产生更高级的分枝,促进冰晶形成的同时,很容易捕获物质,这都导致分配系数随温度的降低而增大[28],这与NAKAWO等[22]的研究结果一致．

3.4 初始浓度对5种物质迁移规律的影响

4 结 论

(1)模拟结冰过程中,硝态氮、氨氮、磷酸盐、总锰、总铁的浓度关系均为:冰中的浓度<冰前水的初始浓度<冰下水的浓度,分配系数K均小于1,表明5种无机离子在结冰过程中均由冰体向冰下水体迁移,并用结晶学理论对这一迁移规律做出了解释．

(2)结冰温度越高时,5种无机离子的分配系数均减小;结冰厚度越大时,除硝态氮外,其余4种无机离子分配系数均减小;溶液初始浓度越高时,除氨氮外,4种无机离子的分配系数均减小．这表明结冰温度对5种无机离子迁移规律影响不大,而冰厚和溶液初始浓度对硝态氮和氨氮的迁移规律有一定的影响．

(3)模拟结冰过程中冰厚、温度和浓度都影响硝态氮、氨氮、磷酸盐、总锰、总铁的迁移过程,在自然结冰过程中影响无机离子迁移的因素还有很多,这需要进一步研究．