黏性巖土的化學滲透效應及其研究進展

張宏宇（沈陽師范大學化學化工學院，遼寧遼陽110034）

黏性巖土的化學滲透效應及其研究進展

張宏宇（沈陽師范大學化學化工學院，遼寧遼陽110034）

化學的滲透情況引發(fā)了耦合流的分析與研究，其己普遍的運用在地球和環(huán)境科學及土木工程當中，一直經(jīng)來對化學的滲透與黏土的半透膜效應的研究，從理論的基礎與試驗的研究及數(shù)值模型等方面論述黏性巖土化學滲透的效應理論與其研究，主要表述化學滲透情況與其黏土的半透膜效應在室、場地、野外的試驗及化學滲透耦合流的連續(xù)及不連續(xù)模型，并指出未來需主要的對黏性土質的化學滲透現(xiàn)象所給地下的水流與溶質的運移方面帶來的影響。

黏性巖土；化學滲透效應；耦合流的模型

當沉積物與頁巖當中所含有的黏土礦特時主要是因為滲透的系數(shù)較低，所以在對地下水實施水流運協(xié)與溶質運移的相關研究時，經(jīng)常的被認為是不透水或者是弱透水。在這種的狀況下來構建地下的水流與溶質的運移模型時，對于流項方面的一些問題經(jīng)常的會被忽略，在溶質發(fā)生運移的時候彌散的作用占有主導性。而研究的工作人員察覺黏土并不是切實的有隔水的功能，所以在水頭的梯度下會出現(xiàn)越流。隨化學性的滲透及與半透膜的相關性質表明，在低滲透性的黏土介質當中，黏土能夠呈現(xiàn)出和生物的半透膜選擇性質的滲透性較為相像。

1 化學滲透、反滲透與耦合流之間的原理

1.1 化學滲透和反滲透間的聯(lián)系

兩中不一樣濃度的溶液隔在半透膜的時候，水分子或是別的溶劑能夠從水勢高的溶液當中經(jīng)過半透膜而進到水勢低的溶液當中，這樣的現(xiàn)象稱作滲透的現(xiàn)象。化學的滲透壓是因為半透膜的兩端化學勢能差造成的，滲透壓計算的公式是：(1)式中的R熱力學的常數(shù)，它的值是8.314J/;T表示的是熱力學的溫度（K）；V表示的是水的摩爾體積和是低濃度端和高濃度端的水活性。或：Δπ=vRTΔC(2)式子中的v表示的是解離常數(shù)；ΔC是半透膜兩端濃度差。以0.1的NaCl的溶液來做示范，在25°C情況下，通過這個公式能夠計算獲得半透膜兩端滲透壓力差是495.5kPa,與50m水頭壓力相近。

1.2 黏土膜的性質功能

和普能的生物半透膜相互比較，黏土或是黏質頁巖中的半透膜性是因黏土的顆粒表面的雙電層性質。在透水性相對比較良好的含水層之中，大多的孔隙水溶液之中的離子不會因為雙電層的關系而影響到其進行自由的通過。相反的在黏土的沉積物內，當黏土在受到較大壓力的時候，黏土顆粒間的距離變小，這時雙電層形成了重疊，溶液內帶有電粒子，主要是因為電荷的排斥，所以會不容易通過黏土的介質。而水這種不帶電分子會很容易通過。

2 化學滲透的試驗分析

2.1 室內試驗

因為黏土樣品是處在和其孔隙水濃度不一樣的試驗溶液當中會產(chǎn)生膨脹或是收縮，在硬壁式的滲透儀當中，黏土的樣品性質將會在膨脹的時候出現(xiàn)擠壓的變形或者是收縮使樣品和滲透儀壁形成分離而導致滲漏。而柔性壁滲透儀更便于使圍壓環(huán)境的優(yōu)點。

2.2 場地試驗

因為技術方面和經(jīng)濟方面的原因，與室內的試驗相比，對黏土膜的場地規(guī)模的試驗少。經(jīng)直接的與間接的測定及相關的場地試驗獲得了滲透率系數(shù)，但由于試驗的方法不一樣及取材也不相同及評估的方法不一樣所以測得的化學滲透率系數(shù)也是大不相同的。

3 化學滲透的模型

3.1 不連續(xù)性的模型

關于化學滲透的一些現(xiàn)象，不連續(xù)性的模型重點是以黏土半透膜的兩端濃度差與壓力差對膜性能展開評估，此類方法己普遍在實驗室當中獲得了應用，主要用于對平均膜的性能計算上面。另外，部分的研究人員利用理論來進行分析，明確黏土內孔隙度與顆粒的排列規(guī)律、顆粒和孔隙水離子之間的特點、黏土排鹽的作用與雙電層本身的厚度及黏土孔隙內的水濃度等各類參數(shù)和黏土膜性能之間的重要聯(lián)系。與別的模型相比來說，Bresler的模型只需確定黏土內雙電層水膜的厚度與試驗的溶液濃度如此便能夠通過計算獲得化學滲透的系數(shù)，這種方法是比較實用且可靠性強的不連續(xù)性的模型。

3.2 連續(xù)的模型

不連續(xù)性的模型只參照半透膜兩端在穩(wěn)定地期時來評定膜性能的能力，并不能較好的解讀滲透情況的壓力與濃度因時間的變化情況。所以建立連續(xù)模型可充分的對壓力與濃度的及時狀態(tài)開展模擬操作。以這個模型，對室內的試驗結果開展模擬操作，通過試驗獲得參數(shù)值、經(jīng)驗值，模擬的結果和試驗的結果得出了良好的擬合。這個模型對于室內的試驗或是場地的試驗都有非常好的適用性。這個模型含有5種平衡的方程，即空氣質量的平衡方程、液體及蒸汽質量的守恒方程，溶于水的液體離子質量守恒的方程、多相介質的熵平衡與介質動量守恒的方程。經(jīng)過模擬可知，在建筑物內的材料存有一定的膜性能，在解決建筑物的穩(wěn)定時需把化學滲透的現(xiàn)象考慮在內。

4 結語

從研究的工作成果可以說明，化學滲透、反滲透會對低滲透黏土的地下水流動與溶質運移有很直接的影響。不管是室內或是場地的試驗及數(shù)值模型上均獲到明顯的成果。對黏土膜性能與化學滲透情況的分析，有很重要的意義與現(xiàn)實的價值。

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張宏宇（1995-），女，漢族，遼寧省撫順市撫順縣，沈陽師范大學，化學化工學院，化學（師范）。