基于泥沙颗粒复杂形貌的微界面作用模拟与应用研究

Water is one of the essential resources for survival and socio-economic development. With rapid development of economy and society, water environment is increasingly becoming a prominent issue. It is an urgent to control the impact of water pollution on economy and public water usage. Sediment is an important carrier of pollutants in natural water bodies. Most of transport and transformation of pollutants is closely associated with sediment movement. However, most of current researches focus on relations between sediments and total adsorption of pollutants. Studies on active role sediments play on water purification are rare. Experiments on interface interaction between sediments and heavy metal ions and pore adsorption on surface of sediment particles were conducted in this study to identify and establish kinetics model for micro-interface interaction; analyze dynamic changes of complex morphology of sediment particles under micro-interface interaction; qualitatively and quantitatively describe correlations between heavy metal ions and pore adsorption of sediment particles. Micro-interface interaction model based on complex morphology was developed to stimulate adsorption process for heavy metal ions on complex morphology. Through improvement of existing mathematical model for sediment-pollutant transport and transformation and simulation of transport and transformation of heavy metal ions under different conditions, the results of this study provide reference for selection of water pollution treatment materials. This study makes a supplement to theoretical methods and application system on sediment interface, which provides a scientific basis for further study on interactions between sediment particles and pollutants.

水是人类生存与社会经济发展的重要资源。随着经济社会高速发展，水环境问题日渐突出，如何减低水污染对社会经济与民众用水的影响是刻不容缓。泥沙是天然水体中污染物质的重要载体，大多数污染物的迁移转化与泥沙运动密切相关。当前研究较多关注泥沙-污染物的吸附总量关系，研究泥沙净化水体的积极作用仍较少涉及。本项目通过泥沙-重金属离子的界面作用实验与泥沙颗粒表面孔隙吸附实验，识别与建立微界面作用动力学模式；分析界面作用下泥沙颗粒复杂形貌结构的动态变化过程，定性与定量描述重金属离子与泥沙颗粒孔隙吸附的尺度关联性。构建基于复杂形貌结构的微界面作用模型，模拟重金属离子在复杂形貌上的吸附过程。改进与完善已有的泥沙-污染物迁移转化数学模型，模拟不同条件下重金属的输移转化规律，为选择水污染治理材料提供参考依据。通过本项目完善与丰富环境泥沙界面作用的理论方法与应用体系，为研究泥沙颗粒与污染物质相互作用关系提供科学基础。

近年来，点源与面源污染导致水体恶化的问题日趋严重，而泥沙作为水体中污染物质的重要载体，绝大多数污染物的迁移转化与泥沙运动密切相关，因此从泥沙与污染物相互作用的角度出发，探讨二者之间的吸附作用是一个重要的研究方向。传统的吸附研究，大多是从宏观的角度对吸附容量、吸附特征、吸附影响因素以及吸附动力学等内容的探讨，而吸附作用本质上来讲是物理作用与化学作用的结合，是分子、离子之间的相互作用，需要在微观尺度下探讨才能正确理解吸附的本质。.本研究提出一种细颗粒泥沙与铜离子微界面作用的模拟方法，模拟出微米尺度下泥沙内外表面的铜离子浓度分布特征。本研究完成了等温吸附实验、动力吸附实验以及电镜实验。运用等温吸附式和动力吸附式处理吸附实验的数据，研究结果表明：（1）泥沙对铜离子具备较大的吸附容量，可达1.0403mg/g ；（2）准二级动力学模型适用于描述吸附动力学过程，其拟合后的相关系数为0.9999；（3）整个吸附过程可划分为3个阶段，0~20 min 为膜扩散阶段、20~60 min 为膜扩散、孔扩散共存阶段以及60~180 min 为孔扩散阶段。推导出描述铜离子在吸附过程中运移的偏微分方程，逐一确定各方程的扩散系数、时间步长、空间步长、初始条件以及边界条件等参数的取值，求解数值解，将结果反映在微米尺度下的泥沙颗粒电镜实拍图中，模拟出吸附过程中泥沙颗粒内外表面的铜离子浓度分布特征。从铜离子质量守恒的角度出发，比较铜离子质量的模拟值与实测值，发现在50~180 min 时段，模拟值的平均相对误差为5.54%，模拟结果较好，模型具备一定的合理性。研究成果为微观尺度下分析吸附过程提供了一个思路，对理解吸附作用本质、掌握吸附作用机理具有积极意义。