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基于第一性原理的乌梁素海冰、水介质中重金属迁移特征研究

孙驰  
【摘要】:我国寒区湖泊具有长冰封期和冰层较厚的特征,污染物在湖冰环境介质中的分布、迁移和转化规律极具特征。乌梁素海地处蒙新高原湖区,水体每年都要经历4~5个月的冰封期,冰体作为湖泊冰封期重要介质之一,污染物在冰、水介质中的分布和迁移直接影响湖泊的水生态环境。湖水温度达到水的凝固点时湖水发生物态变化,液态水凝固析出冰晶形成冰与水的固、液共存态,湖水中的重金属在湖水结冰过程中即在冰体中存留又向冰下水体迁移。本文首次将量子力学的第一性原理引入到湖泊冰封期水环境的研究中,建立重金属在冰、水介质中的微观模型,从结合能的角度探究重金属在冰、水介质中的迁移机理,以期揭示重金属在冰、水介质中的迁移规律和特征。通过绘制重金属的分布图定性描述冻融过程中重金属的分布和迁移规律,计算冻融过程中重金属的界面迁移通量,确定湖泊冻融过程中重金属的迁移量。在湖水结冰过程中,冰体中的重金属浓度较低,致使随着冰厚的增加,冰下水体的重金属浓度逐渐增大,Fe、As、Cr、Cu、Zn、Mn、Cd、Hg、Pb由湖泊冰体迁移至水体中的量分别 55762.88 kg、569.02 kg、565.71 kg、340.13 kg、28186.89 kg、10652.02 kg、9.91kg、19.02 kg和103.01 kg。在湖冰消融阶段,随着冰体密实度的减小,冰体中重金属的浓度增大,由于融冰水的淡化作用,冰下水体中重金属的浓度逐渐减小,Fe、As、Cr、Cu、Zn、Mn、Cd、Hg、Pb由湖泊水体迁移至冰体中的量分别是35338.44 kg、326.83 kg、570.58 kg、436.54 kg、16019.78 kg、4778.24 kg、4.20 kg、18.39 kg和 80.32 kg。分别建立重金属在冰介质和水介质中微观模型的基础上,基于第一性原理计算得到了重金属与冰体和水体的结合能。Fe、As、Cr、Cu、Zn、Mn、Cd、Hg、Pb与冰体的结合能分别为 2.86 eV、2.78 eV、2.59 eV、2.54eV、2.51 eV、2.5 eV、2.47 eV、2.29 eV 和 2.25 eV,与水体的结合能分别为 2.88 eV、2.86 eV、2.81 eV、2.7 eV、2.71 eV、2.76 eV、2.74 eV、2.59 eV和2.68 eV,各重金属与水体的结合能均大于与冰体的结合能,结合能值越大指示着重金属在此介质中越稳定。因此,在湖水冻结过程中,重金属离子由冰体向水体迁移,这与乌梁素海冰生长过程中重金属由冰体向水体的排出效应相一致,据此结合能的大小可以作为描述重金属在冰-水介质中迁移驱动力,从机理上揭示了重金属在冰、水介质中的迁移过程。污染物迁移过程受各种环境因子的多重影响,为了进一步探究湖泊结冰过程中重金属迁移规律,通过一维模拟湖泊单向结冰实验,模拟了不同环境条件(初始浓度、环境pH、环境温度)下,重金属在冰-水介质中浓度的分配比值,即分配系数K的变化情况,结果显示,环境pH值和温度不变时,初始浓度越大,分配系数K越小,初始浓度和温度不变时,环境pH越大,分配系数越小,初始浓度和pH值不变时,结冰环境温度越低,分配系数越大。在单一环境因子变化条件下,重金属在冰体中的浓度大小顺序均为:FeAsCrCuMnZnCdHgPb,在冰-水介质的分配系数大小顺序均为:FeAsCrCuMnZnCdHgPb,结果与第一性原理计算的重金属与冰体的结合能的大小顺序一致,由此可知,不同种类重金属的迁移能力不同,除了与重金属的结合能有关,还与金属离子的自身性质如离子半径有关,不同重金属离子,结合能在冰体中随离子半径的增大而减小,离子半径较大的结合在冰体中的量较少。不同重金属和冰体中的结合能与其分配系数呈三次函数关系,分配系数越大表明由冰体向水体中迁移的量就越小,重金属与冰体的结合能越大,由冰体向水体的迁移能力越小。综上所述,第一性原理的结合能可以准确的解析重金属离子在冰、水介质中的迁移特征,通过将冰封期湖水中污染物的分配系数与第一性原理的结合能耦合,可以从机理上解析重金属在冰、水介质中的迁移过程,为寒区湖泊冰封期水环境研究提供了一个新的视角和相关理论依据基础。


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