挥发性污染物在水气交界面上传质过程的影响因素研究

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污染物进入环境后,存在有吸附、分配、降解、挥发等多种环境行为,挥发是其中一种重要过程,挥发性污染物在水气交界面的传质过程属复杂的跨界迁移过程。本论文主要开展静态单因素试验及多因素试验,因素主要涉及水体温度、初始浓度、界面湍动、表面活性剂、盐分、吸附剂等,旨在通过试验得出不同因素对于挥发性有机物挥发行为的影响。主要得出了如下结论:  (1)单因素试验研究  (a)水体温度影响因子:一级动力学方程可以很好的表征乙醇及硝基苯的挥发过程;乙醇的挥发速率常数从10℃的0.02 h-1增长到35℃的0.187 h-1,递增了9.35倍,硝基苯的挥发速率从5℃的的0.069 h-1增长到25℃的0.140 h-1,递增了2.03倍,温度对于有机物挥发具有显著的促进作用;挥发过程中温度对于挥发速率常数的实验结果符合Arrhenius公式,并且乙醇的挥发速率常数增长速度要大于硝基苯,温度对于挥发性有机物的水/气分配影响符合波尔兹曼(Boltzman)方程;(b)搅拌影响因子:搅拌可以加剧有机物的挥发,相同温度条件下,搅拌强度从0增加到250r/min,乙醇的挥发速率常数从0.0568h-1增长到0.138 h-1,递增了2.43倍,硝基苯的挥发速率常数从0.0651h-1增长到0.0985 h-1,递增了1.51倍;(c)表面活性剂影响因子:表面活性剂对于有机物的挥发起到了抑制作用,当表面活性剂质量浓度相同且大于临界胶束浓度(Critical Micelle Concentration,CMC),表面活性剂对于挥发速率常数的影响大小为CTMAB>Tween20>SDS,在CMC倍数相同时,其抑制作用为离子型>非离子型;相同浓度的同种表面活性剂对不同有机物挥发的抑制作用影响大小为硝基苯>乙醇;表面活性剂可以导致液膜中挥发的阻力(rL)增加,相反使得液膜中的交换系数(kL)及液相中的总传质系数(KL)均相应减小,促使挥发速率常数Kv减小,不同表面活性剂条件对于液膜阻力、总传质系数、液膜交换系数的影响大小为:CTMAB>Tween20>SDS;(d)盐分影响因子:氯化钠的加入使得乙醇的水/气分配常数递增且随着氯化钠浓度的增加,水/气平衡常数随之增加,通过公式计算所得与试验直接所得出的纯水条件下的水/气平衡常数呈现较好的一致性,两者偏差在±8.5%之间;(e)腐植酸影响因子:硝基苯在不同浓度腐植酸条件下液相中有机物浓度Q与时间之间的呈现良好的指数分布,腐植酸可以抑制硝基苯的挥发,且腐植酸浓度为100mg/L时,挥发速率为0.123h-1,半衰期为5.65h;浓度为500 mg/L腐植酸时,挥发速率为0.102h-1,半衰期为6.79h;半衰期递增了1.14h,挥发速率减小了17%;(f)初始浓度影响因子:提高初始浓度可以加剧挥发速率常数,但是效果不显著。  (2)对比试验研究  分别将在混合表面活性剂条件下乙醇的挥发行为与其在单种表面活性剂作用下进行对比,得出混合表面活性剂对于挥发速率常数的抑制作用要优于单种表面活性剂。在阴离子表面活性剂中加入少量非离子表面活性剂或者阳离子表面活性剂均可以使得CMC倍数减小,更利于胶团的形成,使得相同质量浓度的表面活性剂更好的抑制有机物的挥发作用。  (3)正交试验研究  通过对于温度、初始浓度及时间三者正交试验结果进行极差及方差分析,可得三者间的对于乙醇挥发影响从大到小顺序为:温度>时间>初始浓度。通过对于影响因素温度、搅拌强度、表面活性剂SDS三者正交试验极差分析可得,可得三者间的对于乙醇挥发影响从大到小顺序为:温度>搅拌强度>表面活性剂。  (4)采用CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)模拟长方体容器在敞开的室内(风速低,为0.5m/s)大环境中的不同温度条件下乙醇及硝基苯挥发过程,得到模拟数据,将模拟所得所得数据与试验所得进行比较,两者间具有良好的相关性。  通过对污染物水气交界面挥发传质过程影响因素的试验研究。了解了各种因素对于挥发的影响机理以及影响状况,对于今后准确预测挥发性污染物泄漏后在水体和大气中的时空分布有重要意义,为水气生态环境健康诊断、控制管理提供重要依据。
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