《基於泥沙顆粒複雜形貌的微界面作用模擬與套用研究》是依託中山大學，由陳志和擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於泥沙顆粒複雜形貌的微界面作用模擬與套用研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳志和
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
水是人類生存與社會經濟發展的重要資源。隨著經濟社會高速發展，水環境問題日漸突出，如何減低水污染對社會經濟與民眾用水的影響是刻不容緩。泥沙是天然水體中污染物質的重要載體，大多數污染物的遷移轉化與泥沙運動密切相關。當前研究較多關注泥沙-污染物的吸附總量關係，研究泥沙淨化水體的積極作用仍較少涉及。本項目通過泥沙-重金屬離子的界面作用實驗與泥沙顆粒表面孔隙吸附實驗，識別與建立微界面作用動力學模式；分析界面作用下泥沙顆粒複雜形貌結構的動態變化過程，定性與定量描述重金屬離子與泥沙顆粒孔隙吸附的尺度關聯性。構建基於複雜形貌結構的微界面作用模型，模擬重金屬離子在複雜形貌上的吸附過程。改進與完善已有的泥沙-污染物遷移轉化數學模型，模擬不同條件下重金屬的輸移轉化規律，為選擇水污染治理材料提供參考依據。通過本項目完善與豐富環境泥沙界面作用的理論方法與套用體系，為研究泥沙顆粒與污染物質相互作用關係提供科學基礎。
結題摘要
近年來，點源與面源污染導致水體惡化的問題日趨嚴重，而泥沙作為水體中污染物質的重要載體，絕大多數污染物的遷移轉化與泥沙運動密切相關，因此從泥沙與污染物相互作用的角度出發，探討二者之間的吸附作用是一個重要的研究方向。傳統的吸附研究，大多是從巨觀的角度對吸附容量、吸附特徵、吸附影響因素以及吸附動力學等內容的探討，而吸附作用本質上來講是物理作用與化學作用的結合，是分子、離子之間的相互作用，需要在微觀尺度下探討才能正確理解吸附的本質。 本研究提出一種細顆粒泥沙與銅離子微界面作用的模擬方法，模擬出微米尺度下泥沙內外表面的銅離子濃度分布特徵。本研究完成了等溫吸附實驗、動力吸附實驗以及電鏡實驗。運用等溫吸附式和動力吸附式處理吸附實驗的數據，研究結果表明：（1）泥沙對銅離子具備較大的吸附容量，可達1.0403mg/g ；（2）準二級動力學模型適用於描述吸附動力學過程，其擬合後的相關係數為0.9999；（3）整個吸附過程可劃分為3個階段，0~20 min 為膜擴散階段、20~60 min 為膜擴散、孔擴散共存階段以及60~180 min 為孔擴散階段。推導出描述銅離子在吸附過程中運移的偏微分方程，逐一確定各方程的擴散係數、時間步長、空間步長、初始條件以及邊界條件等參數的取值，求解數值解，將結果反映在微米尺度下的泥沙顆粒電鏡實拍圖中，模擬出吸附過程中泥沙顆粒內外表面的銅離子濃度分布特徵。從銅離子質量守恆的角度出發，比較銅離子質量的模擬值與實測值，發現在50~180 min 時段，模擬值的平均相對誤差為5.54%，模擬結果較好，模型具備一定的合理性。研究成果為微觀尺度下分析吸附過程提供了一個思路，對理解吸附作用本質、掌握吸附作用機理具有積極意義。
