黏土介质的孔隙结构和连通通道及其水分分布特征

【摘要】：土壤污染问题在现今的生态环境问题中举足轻重,包括有工业污染、农业污染和生活垃圾污染等,污染物有重金属、农药和化肥等等,而其中的大多数有污染物长期存在并且不易消解的问题。处理土壤污染经常是旷日持久并且花费巨大,很多地区也因此荒废。这一部分原因是污染物富集在土体的微观孔隙空间中,导致对流不能直接影响到污染物的迁移消散。特别是对黏土,因重力水在对流过程中难以穿透,一直以来被作为隔水层处理,但却往往是污染物的集中富集区。正确认识黏土中的微观物理环境不仅有利于对污染物储存空间及运移通道的深入认识,还有助于理解污染物长期缓慢运移行为。本文以几种高纯度黏土矿物和若干从江汉平原采集的自然黏土为研究对象,从实验尺度针对黏土的微观孔隙结构展开一系列的研究。首先是综合分析黏土孔隙分布特征、形态特征、连通特征等等,然后在此基础上,分析黏土孔隙结构影响下的不同流体的运移或赋存状态。以非润湿性的气体为媒介,研究双重孔隙通道的气体扩散表征方法,并分析双通道下气体扩散行为;以强润湿性的水为研究对象,分析水分在黏土孔隙中的吸附行为和分布情况。本文研究的主要方法和认识如下:一、综合采用压汞实验、氮气吸附实验、水蒸气吸附实验和小角中子散射实验等互补的实验手段,查明黏土孔隙类型并计算孔径和孔体积等参数表征黏土孔隙结构,查明了黏土孔隙中存在的双孔隙系统以及分析了各自的控制因素。1.黏土孔隙可以分为微米和纳米这两种孔隙系统,孔径和孔隙体积分布均较为集中。微米孔隙大多为“墨水瓶”状,孔径主要集中在0.1～1μm,孔隙体积主要集中在1μm;纳米孔隙主要为狭缝型,孔径主要集中在2～13nm,孔隙体积主要由10nm和100nm大小的孔隙构成。从平均总孔隙体积上看,纳米孔隙约占总孔隙体积的比例达到29%,这在孔隙度均超过20%的黏土中已然不可忽视。这为污染物在纳米级别孔隙中的赋存提供了物理空间证据。2.黏土孔隙结构的控制因素可以分为外因和内因两个部分:外因主要是上部荷载对黏土颗粒排列产生影响的重力压实作用,其主要作用于微米孔隙,表现为深度每增加1m,微米孔隙总体积减小约0.021cm~3/g;内因主要是黏土颗粒本身的黏土矿物含量,其主要作用于纳米孔隙,表现为黏土矿物含量每增加1%,纳米孔隙总体积约增加1mm~3/g。这从侧面反映了微米孔隙主要由颗粒间孔隙构成,纳米孔隙主要由颗粒内的黏土矿物孔隙构成。二、在黏土存在双孔隙系统的基础上,探索一种新的双孔隙通道表征方法以及双通道下的流体运移。传统的均质模型并不能准确刻画这种介质空间,遑论分析其中的流体运移规律。本文借助气体扩散实验,采用非润湿性的氧气作为气体媒介,在传统均质模型计算方法上,通过分析气体扩散路径,拓展得到了双通道气体扩散系数的计算方法,以此表征双连通通道。然后假定微米孔隙通道对应至颗粒间通道,纳米孔隙通道对应至颗粒内通道,通过实验手段获取黏土颗粒内外的模型计算参数,从而获得了两种通道的气体扩散系数。在此基础上,综合分析评价双体系孔隙结构对气体扩散的影响,提供分析流体运移中物理空间作用的依据。1.颗粒间通道是气体扩散的优势通道,承担了大部分气体扩散的任务,但颗粒内通道依然有发挥作用,并且随总孔隙度增加其作用越发显著。当粒间通道确定时,总通道扩散的增加主要来源于粒内通道孔隙度的增加。此外,在扩散终端封闭的情况下,较为优势的通道会压制弱势通道的流体运移。2.当多孔介质的不均一性较强,从而存在明显的优势通道,则大多数气体会直接从优势通道运移而不再进入弱势通道,这将导致部分孔隙没有发挥连通作用。在本文设置的实验模型中,粒间和粒内有效孔隙度均于总孔隙度线性相关,另有,粒间孔隙度为0.4的情况下,黏土粒内孔隙度在小于0.2则无法对扩散产生影响。三、黏土中水是最重要的污染物载体,这也是分析黏土孔隙结构影响中不可绕过的一项。目前大多数对土壤中水的刻画往往简化为统一的土壤水或简单定性区分为毛细水和结合水,这在黏土微观孔隙空间中显然是不够的。为了强调结合水的吸附成因,本文将其称作吸附水。结合黏土孔隙结构分析,本文建立了一个狭缝孔隙模型,将黏土从干燥到湿润的过程中细分为毛细水和吸附水的增长,其中吸附水又分为吸附水膜和黏土矿物层间水。首先明确三种水分形式的基本计算公式,再通过分析水膜表面的界面力分布,得到模型中水膜的厚度与相对压力的等式关系,进而算出各种水分形式的含水量分布。为评价微小孔隙中污染物的赋存和运移场所提供依据。1.黏土矿物层间水会创造新的孔隙空间,这种空间是非润湿性流体无法探查的。层间水的含水率最大为高纯度蒙脱石中表现的0.17g/g。加上吸附水膜的含水量可以得到吸附水的含水量,当蒙脱石中总含水量为0.21g/g时,其中吸附水占比达到86%;高岭石中吸附水占比最低,但在最大吸附位置的占比也有11%。2.黏土孔隙结构中影响吸附水膜的主要因素为比表面积和水膜厚度,影响毛细水的主要因素为孔隙分布。各种水分形式随着总含水量的变化呈现不同变化趋势,以本模型为基础,计算了理论上水膜厚度在含水量变化中最小为0.23nm,最大可达孔径的1/3。