鉻污染土壤介電性質影響因素研究

孫亞坤，能昌信，張增強，劉玉強，董 路

1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100

2.中國環(huán)境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所，北京 100012

3.西北農(nóng)林科技大學理學院，陜西 楊凌 712100

鉻污染土壤介電性質影響因素研究

孫亞坤1，2，能昌信2*，張增強3，劉玉強2，董 路2

1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100

2.中國環(huán)境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所，北京 100012

3.西北農(nóng)林科技大學理學院，陜西 楊凌 712100

為了探討復介電常數(shù)法在鉻污染場地進行監(jiān)測的可行性，通過試驗比較了不同鉻污染物質量分數(shù)、土壤含水率和孔隙比下的土壤介電性質的頻散特性.結果表明，污染土壤復介電常數(shù)呈較為明顯的隨著頻率升高而降低的頻散特征，頻率低于50 MHz時，土壤復介電常數(shù)的實部和虛部變化較為明顯;隨著鉻污染物質量分數(shù)、含水率和孔隙比的增大，土壤復介電常數(shù)的實部和虛部均有增大的趨勢.通過分析土壤復介電常數(shù)和含水率、鉻污染物質量分數(shù)及孔隙比的變化關系，推導了土壤含水率與介電常數(shù)實部、鉻污染物質量分數(shù)與介電常數(shù)虛部的關系模型，并能夠對鉻污染土壤的鉻污染物質量分數(shù)及含水率進行分析評價，為介電常數(shù)法用于土壤中鉻污染物質量分數(shù)的快速檢測提供了有益的探索.

鉻污染土壤;復介電常數(shù);頻散特性;電法監(jiān)測

Abstract:In order to investigate the feasibility of monitoring chrome-contaminated fields using the complex dielectric constant method，we compared the dielectric dispersion characteristics of the soil under conditions of different chrom ium pollution concentration，soil moisture content and void ratio.The results show that the complex dielectric constant of contaminated soil decreases obviously with increasing frequency.When the frequency is lower than 50 MHz，a significant change of the real and imaginary parts of the soil complex dielectric constant can be observed.Moreover，with increasing chrome pollutant concentration，moisture content and void ratio，both the real and imaginary parts of the soil complex dielectric constant increase.Through analysis of the relationship among soil complex dielectric constant and moisture content，chrome pollution concentration，and soil void ratio，we deduced a model for soil moisture content and the real quantity of soil dielectric constant，and a model for chrome pollutant concentration and the imaginary quantity of soil dielectric constant.Therefore，through the comparison of the real and imaginary quantities of the complex dielectric constant，we could evaluate and monitor chrome pollution.

Keywords:chrome-contaminated soil;complex dielectric constant;dielectric dispersion characteristic;electricalmonitoring method

目前，絕大部分鉻污染土壤都是鉻渣的污染所致，而鉻渣是在鉻鹽生產(chǎn)過程中排出的含有Cr6+的固體廢物，屬于含有重金屬污染的危險廢物.自1958年開始，我國已積存填埋600×104t以上的高毒性鉻渣，并且以每年60×104t的速度遞增，國內未經(jīng)處理的鉻渣量仍高達400×104t以上，遍布全國20多個省市［1］.國內的一些鉻鹽生產(chǎn)企業(yè)關停后，殘留的廢棄鉻渣直接露天堆放在地面上，而堆放鉻渣的地面又未經(jīng)過任何防風、防雨和防滲漏的措施，大部分鉻渣污染場地因此而形成.甚至個別鉻渣堆放點位于地表水附近，經(jīng)過雨水的沖刷，其中的有毒Cr6+隨之瀝出.由于Cr6+有很強的遷移能力，對地下水、地表水和土壤造成了嚴重的污染［1-3］.這些鉻污染場地需要及時進行修復和治理.

對鉻污染場地進行修復和治理的前期工作就是要對其污染狀況進行準確監(jiān)測.目前，監(jiān)測受污染土壤和地下水的最基本的途徑是對采集的樣品進行物理和化學分析，但傳統(tǒng)的鉆孔取樣加實驗室化學分析方法十分耗時且成本高［4-6］，有如下較為明顯的缺點:①調查采樣的數(shù)量有限，很難對污染狀況做到全面了解;②地質鉆孔取樣會破壞污染物在地下的原有分布和富集，并容易使污染物沿著鉆孔繼續(xù)向底層深處遷移;③周期長、實時性差，不適合作長期的監(jiān)測.

鑒于此，需要發(fā)展一種更為快速有效的鉻污染場地監(jiān)測手段.地球物理探測的相關研究表明，物質的介電性能作為一個非常重要的參數(shù)［7］，因其快速、原位、無損的測量特點，可以通過測定土壤體系復介電常數(shù)的方法來表征地下污染物的情況［8］.介電常數(shù)，又稱電容率，無量綱，是表示物質絕緣能力特性的一個系數(shù)，用來衡量介質在外加電場中電荷分布被極化的程度.土壤復介電常數(shù)的實部在很大程度上受到土壤含水量的影響;土壤溶液中含鹽量的變化影響土壤的導電性，即復介電常數(shù)的虛部.在先前的土壤介電性質研究中，TOPP等［9-11］對含水率和土壤介電特性關系作了較為系統(tǒng)的研究;DAYARAN等［12-13］研究了土壤污染物對土壤介電性能的影響;FRANCESCO等［14］基于獲取的雷達圖像計算了土壤的介電常數(shù);等［15］使用逆建模的方法根據(jù)探地雷達信號對沙質土壤的介電特性與含水量的關系進行了研究.但有關污染土壤介電特性方面的研究還鮮見報道.

研究目的:①在10～200 MHz范圍內，分別考察不同土壤含水率、鉻污染物質量分數(shù)和孔隙比下鉻污染土壤的復介電常數(shù)，以了解鉻污染土壤復介電常數(shù)隨微波電磁波頻率變化的關系;②研究土壤復介電常數(shù)虛部隨鉻污染物質量分數(shù)變化的規(guī)律.

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集及預處理

土壤樣品的采集采用分區(qū)隨機布點的方法.由于需要對鉻污染場地的土壤進行模擬，并且鉻污染場地的主要污染物為 Na2CrO4和 Na2Cr2O4，故利用向土壤中加入優(yōu)級純Na2CrO4試劑的方法來模擬鉻污染物，在中國環(huán)境科學研究院固體廢物污染探測試驗場地中選取未經(jīng)過鉻污染的砂質壤土進行試驗研究，從而可以減小其他離子因素的影響.土壤樣品采集后集中進行預處理，風干、過篩，集中混合后，利用四分法對樣品進行縮減，每份100 g左右.對土壤樣品進行常規(guī)理化性質測定，并采用《固體廢物 浸出毒性浸出方法 翻轉法》(GB 5086.1—1997)，分別利用離子色譜儀(Dionex ICS－1000)和ICP－MS(Agilent 7500CS)測量陰陽離子含量背景值，結果如表1，2所示.

表1 土壤樣品的物理性質Table 1 Physical properties of soil sample

表2 土壤浸出液元素背景值Table 2 Components of CK soil sample

1.2 室內分析

選取鉻污染物質量分數(shù)、含水率、孔隙比和不同供電頻率4個因素，利用去離子水配制含有不同鉻污染物質量分數(shù)(50，100，150，200，500和1 000 mg/kg)、不同含水率(8%，15%和25%)和不同孔隙比(0.45，0.49和0.53)的鉻污染土壤;配制后將土壤樣品靜置48 h，待溶液與土壤充分混合后，備測.

在10～200 MHz頻率范圍內，采用同軸線終端開路反射法，利用 Agilent E5061A微波網(wǎng)絡分析儀，測量不同頻率下砂質壤土的復介電常數(shù)的實部和虛部，分析各因素對鉻污染土壤復介電常數(shù)頻散特性的影響.考慮到物質的介電性能受溫度影響較為明顯［16］，因此，所有的土壤樣品都是在室溫(即19～21℃)下快速測量的，這樣可以盡可能地減少溫度變化給測量帶來的影響.

2 鉻污染土壤介電特性試驗結果及分析

2.1 含水率對土壤復介電常數(shù)的影響

圖1，2分別為在無污染物和鉻污染物質量分數(shù)為1 000 mg/kg的土壤在含水率為8%，15%和 25%下的土壤介電性能.污染土壤的復介電常數(shù)實部和虛部明顯大于未污染土壤.當含水率為25%時，隨著頻率的增加，未污染土壤和污染土壤的復介電常數(shù)實部和虛部都有下降的趨勢:在低于50 MHz時，實部和虛部急劇下降;高于50 MHz時，下降趨勢較為平緩.對于未污染土壤，復介電常數(shù)實部受含水率變化影響較大，隨著含水率的增加，其值明顯增大;而復介電常數(shù)虛部受含水率的影響不如實部明顯，尤其是在含水率為8%和15%時對虛部幾乎沒有影響.對于污染土壤，復介電常數(shù)虛部受含水率變化影響明顯增大，實部受低含水率(8%和15%)的影響不大.

2.2 鉻污染物質量分數(shù)對土壤復介電常數(shù)的影響

圖1 未污染土壤不同含水率下的復介電常數(shù)Fig.1 Dielectric dispersion characteristics of soil with different water content

圖2 鉻污染物質量分數(shù)為1 000 m g/kg時不同含水率土壤的復介電常數(shù)Fig.2 Dielectric dispersion characteristics of 1 000 mg/kg chrome contaminated soil with different water content

如圖3所示，在不同測試頻率下，選取含水率為8%，孔隙比為0.45的土壤樣品，比較鉻污染物質量分數(shù)分別為0，50，100，150，200，500和1 000 mg/kg時污染土壤的復介電常數(shù)實部和虛部的變化情況.總體上講，隨著頻率的增加，復介電常數(shù)實部和虛部均呈逐漸減小的趨勢.在較低頻率范圍(低于100 MHz)內，隨著鉻污染物質量分數(shù)的升高，復介電常數(shù)實部呈小幅升高的趨勢;當頻率高于100 MHz時，復介電常數(shù)實部隨鉻污染物質量分數(shù)的增加而減小的趨勢比低頻率時小;在頻率趨近200 MHz時，復介電常數(shù)實部幾乎趨于穩(wěn)定，變化不明顯.水與空氣共存于土壤孔隙中，而土壤孔隙中氣－固界面上產(chǎn)生的空間電荷極化效應則使復介電常數(shù)實部增大.復介電常數(shù)虛部隨著鉻污染物質量分數(shù)的增加而增大，在低于 50 MHz的頻率范圍內，復介電常數(shù)虛部隨著鉻污染物質量分數(shù)的增加明顯增大.這是由于鉻污染物離子在外加電場的作用下將會發(fā)生遷移，能量損耗會增加，使復介電常數(shù)的虛部也有所增加.當頻率高于50 MHz時，復介電常數(shù)虛部隨鉻污染物質量分數(shù)的增加而升高的變化趨緩，各鉻污染物質量分數(shù)的土壤樣品的復介電常數(shù)虛部曲線幾乎平行于x軸，即50 MHz以上頻段對土壤復介電常數(shù)的影響很小.

圖3 含水率為8%時不同鉻污染物質量分數(shù)下土壤的復介電常數(shù)Fig.3 Dielectric dispersion characteristics of 8%water content with different chrome pollution

圖4 未污染土壤不同孔隙比下的復介電常數(shù)Fig.4 Dielectric dispersion characteristics of soil with different pore

2.3 孔隙比對土壤復介電常數(shù)的影響

如圖4，5所示，選取含水率為8%，未污染和鉻污染物質量分數(shù)為1 000 mg/kg的土壤在不同孔隙比(0.45，0.49和0.53)下復介電常數(shù)的變化情況.與含水率對土壤復介電常數(shù)的影響相似，污染土壤的復介電常數(shù)實部和虛部明顯大于未污染土壤.隨著孔隙比的減小，復介電常數(shù)的實部和虛部均有減小的趨勢.其中，污染土壤和未污染土壤實部的減幅較大，而虛部則僅僅是隨著孔隙比的減小而略有減小，即土壤孔隙比對復介電常數(shù)虛部的影響不大.在100 MHz以下復介電常數(shù)實部變化較大，在50 MHz以下復介電常數(shù)虛部隨頻率的變化較為明顯;在接近200 MHz的較高頻段時，不同孔隙比的土壤樣品受頻率變化的影響不大.

圖5 鉻污染物質量分數(shù)為1 000 m g/kg時不同孔隙比下土壤的復介電常數(shù)Fig.5 Dielectric dispersion characteristics of 1 000 mg/kg chrome contaminated soil with different pore

2.4 土壤介電常數(shù)模型

分別考慮含水率、孔隙比等對土壤復介電常數(shù)的影響，并且在實際應用中，土壤含水率、孔隙比、容重直接存在一定的換算關系，結合以上分析，復介電常數(shù)實部受土壤含水率影響較大，虛部主要受污染物質量分數(shù)影響.因此，采用在 Topps公式基礎上加入土壤容重修正因子的推廣式來表示土壤的復介電常數(shù)實部［17］:

式中，ε為土壤復介電常數(shù)實部;θv為土壤含水率，L/L;ρb為土壤容重，g/cm3;m，n，p，k分別為與土壤性質相關的參數(shù).根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到一個地區(qū)性的土壤介電常數(shù)實部模型，相關系數(shù)為0.962.

為反映土壤污染物質量分數(shù)與復介電常數(shù)虛部的關系，利用經(jīng)驗公式［18-19］表示:

式中，ε′為復介電常數(shù)虛部;θv為土壤含水率，L/L;w為污染物質量分數(shù)，mg/kg;K1，K2，α，β均為與土壤性質相關的參數(shù).統(tǒng)計分析得到污染物質量分數(shù)與土壤復介電常數(shù)虛部的關系模型，相關系數(shù)為0.957:

因此，通過對污染土壤復介電常數(shù)實部和虛部的綜合考慮，可以對污染土壤的含水率及鉻污染物質量分數(shù)進行評價分析.

3 結論

a.鉻污染土壤復介電常數(shù)的實部和虛部在不同含水率、孔隙比及鉻污染物質量分數(shù)下均呈現(xiàn)較為明顯的頻散特性，即呈現(xiàn)隨著頻率的升高而明顯降低的趨勢.

b.在低于50 MHz的頻段內復介電常數(shù)的實部和虛部隨頻率的變化趨勢較為明顯，在高于50 MHz頻段內復介電常數(shù)實部和虛部的測試數(shù)據(jù)均無明顯變化，因此，選取10～50 MHz頻段對土壤介電常數(shù)進行測試較為理想.

c.污染土壤的復介電常數(shù)的實部和虛部均明顯大于未污染土壤.由于復介電常數(shù)實部較大程度上受含水率的影響，而鉻污染土壤的復介電常數(shù)虛部存在顯著的差別，因此需結合復介電常數(shù)虛部來反映土壤中的鉻污染物質量分數(shù)，為復介電常數(shù)法用于檢測鉻污染物提供了理論基礎.

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Chrom e-Contam inated Soil Dielectric Characteristics＆Influencing Factors

SUN Ya-kun1，2，NAIChang-xin2，ZHANG Zeng-qiang3，LIU Yu-qiang2，DONG Lu2

1.College of Resources and Environment，Northwest Agriculture＆Forest University，Yangling 712100，China

2.Research Institute of Solid Waste Management，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

3.College of Science，Northwest Agriculture＆Forest University，Yangling 712100，China

X53

A

1001－6929(2011)01－0096－06

2010－06－11

2010－07－12

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項(2009KYYW 04);國家高技術研究發(fā)展計劃(863)項目(2009AA063101)

孫 亞 坤 (1987 －)， 男， 河 北 唐 山 人，metalgod2008@yahoo.cn.

*責任作者，能昌信(1964－)，男，山東煙臺人，副研究員，博士，主要研究環(huán)境監(jiān)測技術，naicx@craes.org.cn