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不同相態中污染物的分配 ---之兩相平衡

       

       土壤是一個復雜的多相體系,包括固相、液相和氣相,土壤相態一般指的是土壤固液氣三相的比例關系。土壤相態對土壤的容重、孔隙度、熱特性等等有很重要的影響。

       非水相液體(NAPL)污染物進入包氣帶中會以四種相態形式存在。1、自由相;2、土壤空隙中的氣相;3、土壤水相:溶解于土壤水中;4、土壤固相:吸附于土壤顆粒上。

       污染物在這四個相中的分配對于化合物的歸趨和運移,以及場地修復的需求有很大的影響。對實行經濟合理的場地修復是必要的。

     1、自由相與氣相的平衡

     由于空隙中自由相的存在而會引起氣相濃度的變化。 
     當液相與空氣接觸時,液體中的分子趨向于以蒸汽形式通過蒸發或揮發進入氣相,液體的蒸汽壓由與其平衡時的氣相壓力獲得。
     蒸汽壓受溫度影響很大,溫度越高,蒸汽壓越高。
     氣相濃度是與純液體相平衡時的濃度。平衡會發生在受限空間或停滯階段。若系統未完全受限,則氣相趨向于移離介質表面而產生濃度梯度(蒸汽濃度隨與液體距離的增加而下降),在溶液附近的氣相濃度會等于或接近平衡值。

      2、液-氣平衡

      土壤包氣帶孔隙中的化合物趨向于通過溶解作用或吸收作用進入液相。當化合物進入土壤水中的速率與化合物從土壤水中揮發的速率相等時,平衡條件成立。
      亨利定律用于描述液相濃度和氣相濃度之間的平衡關系。平衡狀態時,液體之上的氣體的分壓與液體中化學物質的濃度成比例。
      亨利定律:PA=HACA
       PA為組分A在氣相中的蒸汽分壓;HA為組分A的亨利常數;CA為組分A在液體中的濃度。亨利常數可看做是液-氣分配系數。亨利常數值隨溫度增加而增加,相同溫度條件下:
        H=蒸汽壓/溶解度
       氣相壓力越高,亨利常數值越大;溶解度越。ɑ蛭⑷苄曰衔铮,亨利常數值越大。對大多數有機化合物,隨溫度增加其氣相壓力增加而溶解度減少。

       3、固-液平衡

     (1)吸附
       吸附是一組分穿過兩相的界面從液相向固體表面遷移的過程。吸附過程通過以下三個不同成分之間相互作用引起:吸附劑:如包氣帶土壤、含水層基質及活性炭;吸附質:如污染物;溶劑:如土壤水相及地下水在吸附過程中,吸附質被從溶劑中去除并被吸附劑吸收。吸附作用是影響污染物在環境中歸趨和運移的一個重要機理。
     (2)吸附等溫線

       吸附等溫線是描述在固相和液相共存體系中固相和液相間的平衡關系。等溫線表示恒定溫度下的固體-液體關系。根據Langmuir蘭茂爾等溫線,土壤中污染物的濃度隨液體中污染物濃度的增加而增加,直至達到固體濃度最大值。根據Freundlich弗羅因德利克等溫線的線性形式,即線性吸附等溫式,有:S=KC,S表示固體表面的吸附濃度,C是液體中溶解相的濃度,K是平衡常數。

     (3)分配系數
       對于土-水體系,KP=S/C,KP為分配系數,用于測量化合物被土壤表面或底泥從液相中吸附的趨勢并描述該化合物本身在兩介質間的分配程度。對于給定的有機化合物,分配系數因土壤不同而不同。有機吸附的主要機理是化合物與土壤中的自然有機質之間的疏水鍵合作用。KP隨土壤中的有機物的百分含量foc增加而線性增加,即:KP=focKoc,Koc:有機碳分配系數,可以認為是有機化合物進入假定的純天然有機質中的分配系數。由于土壤不是100%的有機物,因此分配系數要用foc進行折減。黏性土常常與更多的天然有機質相關聯,因而對有機污染物有很強的吸附能力。
       Koc是由實驗確定的Kp-foc曲線斜率,是一個理論參數。大量研究把Koc和其他更為常見易得到的化學特性相關聯,引出辛醇-水分配系數(Kow)。
       Kow=Cow/Cw
       Cow:辛醇中有機物的平衡濃度;Cw為水中有機物的平衡濃度
       Kow可作為有機物在有機相和水之間分配的指示值,Kow值低的有機物是親水性的(傾向于存在水中),土壤對其吸附作用較弱。
       有機碳分配系數Koc隨Kow的增加或Sw(在水中的溶解度)的減少而線性增加。

       4、固-液-氣平衡

       包氣帶中的土壤水分與土壤顆粒及孔隙間的空氣都接觸,且每一相中的污染物能夠遷移到另一相。
例如,液相中污染物的濃度受其他相(如土壤固相、氣相。自由相)的影響。如果整個系統處于平衡狀態(實際情況中并不總是成立的),只要知道污染物其中一個相的濃度,就可以得出其它相的濃度,是相關聯的。






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