﻿ 特殊环境条件下复合重金属污染固化土中离子迁移特性分析
 上海理工大学学报  2020, Vol. 42 Issue (3): 283-290 PDF

Analysis on the ion migration characteristics in solidified soil contaminated by complex heavy metals under special environmental conditions
SHAO Li, ZHANG Ying
School of Envoriment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: A two-dimensional axisymmetric analysis model was established by using the finite element method. The migration and diffusion of heavy metal ions (Cu2+, Cd2+) in soil were studied. The migration characteristics of single heavy metal ions (Cu2+) and composite heavy metals (Cu-Cd) were compared. The diffusion of heavy metals before and after solidification were analyzed, and the influences of temperature and dry-wet interaction were considered. The results show that the migration radius of composite heavy metals is larger than that of single heavy metal ions in the infiltration process. The solidified contaminated soil has a good control on the diffusion rate of heavy metal ions, and the effect of solidification on the diffusion of single heavy metal ions is more obvious. The environmental temperature has a positive correlation effect on the diffusion rate and range of heavy metal ions, and the diffusion range of heavy metal ions increases significantly under wet and dry cycles.
Key words: heavy metal ion     migration and diffusion     permeation     finite element method     solidification

1 有限元模型建立

1.1 几何模型与边界条件

 图 1 有限元模型 Fig. 1 Finite element model
1.2 材料参数

1.3 有限元网格的划分

 图 2 有限元网格 Fig. 2 Finite element mesh
1.4 模拟过程

2 计算结果与分析 2.1 单一重金属的迁移扩散

 图 3 重金属离子迁移半径与渗透时间关系曲线 Fig. 3 Comparison of r~t curves

 图 4 重金属离子迁移图 Fig. 4 Migration diagram of heavy metal ions

2.2 复合重金属离子对迁移半径的影响

 图 5 复合重金属离子迁移半径与渗透时间关系曲线 Fig. 5 Comparison of r~t curves of composite heavy metal ions

2.3 污染土固化前后重金属的迁移特性对比

2.3.1 单一重金属污染土固化前后迁移特性分析

 图 6 固化前后Cu2+的迁移半径对比图 Fig. 6 Comparison of r~t curves of Cu2+ before and after solidification

2.3.2 复合重金属污染土固化前后迁移特性分析

 图 7 固化前后复合重金属的迁移半径对比图 Fig. 7 Comparison of r~t curves composite heavy metal ions before and after solidification

2.4 环境温度对重金属迁移特性分析

 图 8 不同环境温度下Cu2+迁移范围图 Fig. 8 Comparison of r~t curves of Cu2+ at different environmental temperature

2.5 干湿循环作用时重金属迁移特性分析

 图 9 干湿循环作用下Cu2+迁移范围图 Fig. 9 Comparison of r~t curves of Cu2+ under dry-wet cycles
3 结　论

a. 重金属离子的迁移速率在渗透50 d后表现出显著的放缓，表明重金属离子在土体中的扩散是一个漫长的过程，原因在于重金属浓度降低，在迁移扩散过程中逐渐分散。

b. 复合重金属在渗透过程中的迁移半径略大于单一重金属离子的迁移半径，但最终迁移半径没有差别，复合重金属离子的扩散规律与单一重金属离子基本一致；

c. 污染土的固化可以抑制重金属离子的扩散速率，对于控制重金属离子的迁移扩散具有良好的作用。对比单一重金属和复合重金属，污染土固化作用对单一重金属的扩散影响更大，效果更明显，原因在于复合重金属污染组分复杂，更难以控制。

d. 重金属离子在土体中的扩散速率和扩散范围都随温度的升高而存在明显的增长；干湿循环作用下的重金属离子的扩散范围明显增大。研究温度和干湿循环作用下重金属的迁移扩散具有较大意义。

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