云南紅土鐵離子遷移的試驗(yàn)研究

劉 鵬 ，黃 英 ，金克盛，張祖蓮，符必昌

（昆明理工大學(xué)，云南昆明 6 50500）

0 引言

作為云南廣泛分布的紅土資源，以其物理性質(zhì)差，力學(xué)性質(zhì)較好［1］的優(yōu)勢(shì)大量應(yīng)用于云南的各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)于云南地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要作用。長(zhǎng)期以來(lái)，大量的實(shí)際工程和科學(xué)研究［2-3］為有效利用紅土積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，但由于紅土的特殊性，紅土地區(qū)仍不時(shí)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害［4］，造成嚴(yán)重?fù)p失。因而對(duì)于紅土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)制的研究將有助于地質(zhì)災(zāi)害的有效防治。研究表明，紅土的特殊性關(guān)鍵在于紅土中的氧化鐵特別是游離氧化鐵。王繼莊［5］、孔令偉［6-7］、馬琳［8］等分別研究了紅土中游離氧化鐵對(duì)紅土的工程性質(zhì)及膠結(jié)作用的影響，表明紅土中氧化鐵尤其是游離氧化鐵的存在，對(duì)于紅土的顆粒膠結(jié)起著至關(guān)重要的作用，對(duì)于紅土的工程性質(zhì)影響很大，而代志宏［9］的研究表明了自然狀態(tài)下土體中的鐵離子發(fā)生遷移的問(wèn)題。

對(duì)于高溫、潮濕、多雨的云南紅土，在水環(huán)境條件下特別是滲流條件下，對(duì)紅土的特殊性起關(guān)鍵作用的鐵氧化物的遷移問(wèn)題缺少研究，而紅土中鐵氧化物的遷移直接影響到紅土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于自然水環(huán)境條件下紅土中的鐵氧化物遷移緩慢，短時(shí)間難以觀測(cè)到顯著變化。因此，為模擬紅土中鐵氧化物的遷移過(guò)程，本文針對(duì)云南典型紅土，人工制備含鐵紅土試樣，采用浸泡試驗(yàn)的方法，測(cè)試分析不同影響因素下水溶液中三價(jià)鐵離子的濃度變化，為深入研究紅土中鐵離子的遷移特性和遷移機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土料及試劑

試驗(yàn)土料選用昆明世博生態(tài)城典型紅土，其基本特性見(jiàn)表1，試劑選取實(shí)驗(yàn)室常用的六水合硫酸鐵溶液。將試劑按一定濃度稀釋后加入紅土中，人工制備含鐵紅土試樣，通過(guò)浸泡試驗(yàn)測(cè)試水溶液中三價(jià)鐵離子的濃度，研究水環(huán)境條件下紅土中的鐵離子的遷移變化特性。

表1 紅土樣的基本特性Table 1 Properties of the laterite

1.2 試驗(yàn)方案

水環(huán)境條件下鐵離子的濃度變化取決于含鐵紅土樣的內(nèi)在特性和外在因素的影響。紅土樣的內(nèi)在特性主要包括自身的密實(shí)程度、含水率以及紅土中鐵離子的濃度等，外在因素主要指環(huán)境溫度以及浸泡時(shí)間的影響，其內(nèi)外因共同作用的結(jié)果決定了紅土中鐵離子的遷移過(guò)程，引起水溶液中鐵離子濃度的變化。因此，為了對(duì)比分析不同因素對(duì)紅土中鐵離子遷移過(guò)程的影響，本試驗(yàn)考慮擊實(shí)功、含水率、溫度和浸泡時(shí)間四個(gè)影響因素，研究紅土樣中的鐵離子遷移到水溶液中的濃度。

具體試驗(yàn)方案如下：

（1）含水率（22.6％）和溫度（22.5℃）不變，擊實(shí)功按10擊、15擊、20擊、25擊和30擊的擊數(shù)變化；

（2）擊實(shí)功（15擊）和溫度（22.5℃）不變，含水率按23.7％、25.9％、26.4％、28.5％、32.0％變化；

（3）擊實(shí)功（15擊）和含水率（22.6％）不變，溫度按7.5℃、12.5℃、22.5℃、32.5℃、40.0℃、50.0℃變化。

這樣，根據(jù)試驗(yàn)方案制備好含鐵紅土試樣，進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，即可提取含鐵離子的水溶液樣，測(cè)試水溶液中鐵離子的濃度，分析水溶液中鐵離子濃度的變化特性。

2 水溶液中鐵離子濃度的測(cè)定

2.1 含鐵離子水溶液的提取

水溶液中鐵離子濃度的測(cè)定首先需要制備含鐵離子的水溶液樣。試樣的制備包括擊實(shí)、切取、浸泡、提取水溶液幾個(gè)環(huán)節(jié)。按照擬定的試驗(yàn)方案，根據(jù)各含水率大小，將濃度為2％的六水合硫酸鐵溶液稀釋后加入紅土中，按照擊實(shí)試驗(yàn)方法制備含鐵紅土樣，再用壓縮環(huán)刀切取浸泡試樣（15個(gè)），包裹好紗布后放入盛有400mL自來(lái)水的燒杯中（400mL自來(lái)水剛好淹沒(méi)包裹樣）進(jìn)行浸泡，并放入恒溫水箱，控制溫度和浸泡時(shí)間，每隔1h，提取燒杯中的水溶液樣，并將包裹樣重新放入盛有400mL自來(lái)水的燒杯中，按照浸泡時(shí)間，繼續(xù)提取水溶液樣。本次浸泡試驗(yàn)持續(xù)3h，共提取水溶液樣45個(gè)。

2.2 鐵離子濃度的測(cè)定方法

鐵離子濃度的測(cè)定方法主要有鄰菲羅啉分光光度法、原子吸收分光光度法、二氮雜菲分光光度法等［10］幾種。由于原子吸收分光光度法需要較昂貴的儀器——原子吸收分光光度計(jì)，二氮雜菲分光光度法要求的實(shí)驗(yàn)藥劑和實(shí)驗(yàn)條件比較苛刻，所以本試驗(yàn)采用鄰菲羅啉分光光度法測(cè)定溶液中鐵離子的濃度，其分光光度計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 分光光度計(jì)Fig.1 The spectrophotometer

冬季皮膚干燥是發(fā)生瘙癢癥的主要原因。瘙癢的人都喜歡用熱水燙，但燙后皮膚的油脂膜被破壞了，皮膚就會(huì)更干、更癢，原有的炎癥也會(huì)加重。提醒大家，沒(méi)有一種皮膚病是燙好的！洗澡次數(shù)不要過(guò)頻，水溫最好在37℃以下，應(yīng)選擇中性或油性的護(hù)膚浴皂，盡量不要用力搓擦。養(yǎng)成使用皮膚保濕劑的習(xí)慣非常重要，可定期或在洗浴后全身涂抹具有保濕功能的護(hù)膚霜。

式中：CFe——鐵離子的濃度（mg·L-1）；

m——根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出的水樣中鐵的含量（mg）；

V——取樣體積（L）。

這樣，提取出含鐵水溶液后，就可以根據(jù)鄰菲羅啉分光光度法測(cè)試水溶液中鐵離子的濃度。

2.3 鐵離子濃度的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案，將不同擊實(shí)功、不同含水率、不同溫度以及不同浸泡時(shí)間下制備好的水溶液按照測(cè)定方法測(cè)試出水溶液中三價(jià)鐵離子Fe3+的濃度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，鐵離子濃度的單位為mg·L-1。

表2 不同影響因素下水溶液中鐵離子的濃度Table 2 The concentration of Fe3+in water

表2中，浸泡時(shí)間0～1h、1～2h、2～3h分別代表總觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的每一時(shí)間間隔，對(duì)應(yīng)的濃度分別為每種情況下每一時(shí)間間隔新增加的鐵離子濃度；鐵離子的總濃度即為各個(gè)觀測(cè)時(shí)段濃度之和。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 擊實(shí)功對(duì)鐵離子濃度的影響

根據(jù)表2，可以得到在含水率和溫度不變時(shí)，水溶液中鐵離子的總濃度隨擊實(shí)功和浸泡時(shí)間的變化情況（圖2），其濃度變化程度可以根據(jù)濃度曲線的斜率來(lái)分析（表3）。

圖2 不同擊實(shí)功不同浸泡時(shí)間水溶液中鐵離子的濃度Fig.2 The concetration of Fe3+changes with compactions and immersing history

（2）圖2a表明，就總的浸泡時(shí)間而言，不管擊實(shí)功的大小如何，在同一擊實(shí)功下，水溶液中鐵離子的總濃度都隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，如10擊時(shí)，當(dāng)浸泡時(shí)間由 1h增加到 3h，鐵離子的總濃度由1.068 mg·L-1提高到2.797 mg·L-1；圖 2b表明，在相同浸泡時(shí)間下，水溶液中鐵離子的總濃度隨擊數(shù)的增大而逐漸減小，如浸泡時(shí)間2h，當(dāng)擊數(shù)由10擊增大到30擊，鐵離子的總濃度由1.972 mg·L-1減小到1.839 mg·L-1。說(shuō)明浸泡時(shí)間越長(zhǎng)或擊實(shí)功越低，遷移到水溶液中的鐵離子越多。這是由于密實(shí)程度越低的紅土能夠提供更為通暢的遷移通道導(dǎo)致鐵離子更易遷移的緣故。

（3）不同擊實(shí)功下，圖2a的幾條曲線基本疊加在一起，表明擊實(shí)功的變化對(duì)水溶液中鐵離子濃度的影響很小，如浸泡時(shí)間3h，當(dāng)擊數(shù)從10擊提高到30擊，水溶液中鐵離子的總濃度僅從2.797 mg·L-1減小到2.638 mg·L-1，變化很小。說(shuō)明希望通過(guò)提高擊實(shí)功來(lái)降低紅土中鐵離子的遷移，效果不顯著。

（4）鐵離子濃度隨擊實(shí)功的變化曲線基本都呈線性關(guān)系（表3），圖2a中，當(dāng)擊數(shù)由10擊提高到30擊時(shí)，曲線的斜率總體上由0.930減小到0.877，說(shuō)明擊數(shù)越高，鐵離子濃度隨時(shí)間提高越小；圖2b中，當(dāng)浸泡時(shí)間由1h增加到3h。其斜率由-0.009增大到-0.004。說(shuō)明浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，鐵離子濃度隨擊數(shù)的提高越少。

表3 不同影響因素下各濃度變化曲線的斜率Table 3 The slope rates of concentration curves of Fe3+

3.2 含水率對(duì)鐵離子濃度的影響

根據(jù)表2，圖3給出了在擊實(shí)功和溫度不變時(shí)，水溶液中鐵離子的總濃度隨含水率和浸泡時(shí)間的變化情況，濃度變化曲線的斜率見(jiàn)表3。

（1）表2表明，就每一個(gè)浸泡時(shí)間而言，在相同浸泡時(shí)間，隨著含水率的增大，水溶液中鐵離子的濃度逐漸增大，如0～1h時(shí)間，當(dāng)含水率由23.7％提高到32.0％時(shí)，鐵離子的濃度由1.025 mg·L-1增大到1.354 mg·L-1；在相同含水率下，隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，水溶液中鐵離子的濃度逐漸減小。顯然，0～1h的濃度（1.025-1.354 mg·L-1）大于1～2h的濃度（0.885-1.125 mg·L-1），1～2h的濃度大于2～3h的濃度（0.821-0.912 mg·L-1）。說(shuō)明土體的含水越少或浸泡時(shí)間越往后，遷移到水溶液中的鐵離子越少。

圖3 不同含水率不同浸泡時(shí)間水溶液中鐵離子的濃度Fig.3 The concetration of Fe3+changes with water content and immersing history

（2）圖3a表明，就總的浸泡時(shí)間而言，不管含水率的大小如何，在同一含水率下，水溶液中鐵離子的總濃度都隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，如含水率為23.7％時(shí)，當(dāng)浸泡時(shí)間由1h增加到3h，鐵離子的總濃度由1.025 mg·L-1提高到2.731 mg·L-1；圖3b表明，同一浸泡時(shí)間，水溶液中鐵離子的總濃度隨含水率的增大也逐漸增大，如浸泡時(shí)間2h，當(dāng)含水率由23.7％提高到32.0％，鐵離子的總濃度由1.91mg·L-1增大到2.479 mg·L-1。說(shuō)明浸泡時(shí)間越長(zhǎng)或含水越高，遷移到水溶液中的鐵離子越多。這是由于含水越高的紅土顆粒對(duì)鐵離子的吸附能力越弱導(dǎo)致鐵離子更易發(fā)生遷移的緣故。

（3）鐵離子濃度隨含水率的變化曲線基本都呈線性關(guān)系，表3表明，圖3a中，當(dāng)含水率由23.7％提高到32.0％時(shí)，曲線的斜率由0.908增大到1.130，說(shuō)明含水率越高，鐵離子濃度隨時(shí)間提高越大；圖3b中，當(dāng)浸泡時(shí)間由1h增加到3h，斜率由0.041增大到0.082。說(shuō)明浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，鐵離子濃度隨含水率的提高越大。

（4）由于圖3a的曲線比圖2a分散，表明含水率的變化對(duì)水溶液中鐵離子濃度的影響較擊實(shí)功大，相應(yīng)地，含水率對(duì)紅土樣中鐵離子遷移能力的影響也較擊實(shí)功大。說(shuō)明降低含水可以控制紅土中鐵離子的遷移。

3.3 溫度對(duì)鐵離子濃度的影響

根據(jù)表2，圖4給出了在擊實(shí)功和含水率不變時(shí)，水溶液中鐵離子的總濃度隨溫度和浸泡時(shí)間的變化情況，濃度變化曲線的斜率見(jiàn)表3。

圖4 不同溫度不同浸泡時(shí)間水溶液中鐵離子的濃度Fig.4 The concetration of Fe3+changes with temperature and immersing history

（1）表2表明，就每一個(gè)浸泡時(shí)間而言，在相同浸泡時(shí)間，隨著溫度的升高，水溶液中鐵離子的濃度逐漸增大，如0～1h時(shí)間，當(dāng)溫度由7.5℃提高到50.0℃時(shí)，鐵離子的濃度由0.452mg·L-1增大到1.257mg·L-1；在相同溫度下，隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，水溶液中鐵離子的濃度逐漸減小。很明顯，0～1h的濃度（0.452-1.257 mg·L-1）大于1～2h的濃度（0.254-1.112 mg·L-1），1～2h的濃度大于2～3h的濃度（0.087-0.985 mg·L-1）。說(shuō)明土體的溫度越低或浸泡時(shí)間越往后，遷移到水溶液中的鐵離子越少。

（2）圖4a表明，就總的浸泡時(shí)間而言，不管溫度的大小如何，在同一溫度下，水溶液中鐵離子的總濃度都隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，如溫度為22.5℃時(shí)，當(dāng)浸泡時(shí)間由1h增加到3h，鐵離子的總濃度由1.003 mg·L-1提高到2.690mg·L-1；圖4b 表明，同一浸泡時(shí)間，水溶液中鐵離子的總濃度隨溫度的升高逐漸增大，如浸泡時(shí)間2h，當(dāng)溫度由7.5℃提高到50.0℃，鐵離子的總濃度由0.706mg·L-1增大到2.369mg·L-1。說(shuō)明浸泡時(shí)間越長(zhǎng)或溫度越高，遷移到水溶液中的鐵離子越多。這是由于溫度越高的紅土其離子運(yùn)動(dòng)越快的緣故。

（3）表3表明，圖4a中，各種溫度下，鐵離子濃度隨時(shí)間的變化曲線基本都呈線性關(guān)系，當(dāng)溫度為7.5℃和12.5℃時(shí)，曲線比較平緩，斜率僅為0.263和0.573；當(dāng)溫度由22.5℃提高到50.0℃時(shí)，曲線的斜率則由0.895增大到1.117，說(shuō)明溫度較低時(shí)，鐵離子濃度隨時(shí)間增長(zhǎng)緩慢，溫度越高，濃度提高越大；圖4b中，鐵離子濃度隨溫度的變化趨勢(shì)以22.5℃為界可以看成兩部分線性變化，22.5℃以下曲線較陡，22.5℃以上曲線變平緩，浸泡時(shí)間1h線的斜率由0.035減小為0.010，2h線的斜率由0.075減小為0.018，3h線的斜率由0.122減小為0.024。說(shuō)明浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，鐵離子濃度增加越多。但由于溫度較低時(shí)的曲線斜率大于溫度較高時(shí)的曲線斜率，說(shuō)明溫度較低時(shí)，鐵離子濃度隨溫度的升高增加較快；溫度較高時(shí)，鐵離子濃度隨溫度的升高增加變緩。這是由于紅土樣的密度大于水溶液的密度，導(dǎo)致溫度變化過(guò)程中達(dá)到溫度平衡時(shí)溫度的流動(dòng)方向不同引起的。

（4）由于圖4a的曲線相比圖2a、圖3a更為分散，表明溫度的變化對(duì)水溶液中鐵離子濃度的影響較擊實(shí)功和含水率都大，相應(yīng)地，溫度對(duì)紅土樣中鐵離子遷移能力的影響也較擊實(shí)功和含水率顯著。說(shuō)明降低溫度可以有效控制紅土中鐵離子的遷移。

浸泡試驗(yàn)結(jié)果表明，含鐵紅土樣經(jīng)過(guò)浸泡后，引起水溶液中鐵離子的濃度增大，說(shuō)明紅土樣中的鐵離子發(fā)生了遷移，其遷移過(guò)程同樣受到擊實(shí)功、含水率、溫度以及浸泡時(shí)間的影響，水溶液中鐵離子的濃度變化特性間接反映了紅土中鐵離子的遷移特性以及遷移能力。很顯然，水溶液中鐵離子的濃度越高，反映出紅土樣中鐵離子的遷移能力越強(qiáng)。因此，以紅土遷移到水溶液中的鐵離子變化為基礎(chǔ)，就可以深入研究水環(huán)境條件下紅土中鐵離子的遷移特性和遷移機(jī)理，為揭示紅土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

通過(guò)人工制備含鐵紅土樣的浸泡試驗(yàn)，開(kāi)展了不同影響因素下紅土中鐵離子的遷移試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）在水環(huán)境條件下，紅土中鐵離子的遷移引起水溶液中鐵離子的濃度變化可以間接反映紅土中鐵離子遷移過(guò)程的快慢；

（2）不同影響因素下，水溶液中鐵離子的總濃度隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)、擊實(shí)功的減小、含水率的提高和溫度的升高呈線性增大；

（3）不同影響因素下鐵離子濃度變化曲線的斜率大小反映了各個(gè)因素的影響程度。水溶液中鐵離子的濃度變化隨擊實(shí)功的減小、含水率的提高和溫度的升高呈線性減小；

（4）就考慮的幾種影響因素而言，水溶液中的鐵離子濃度受溫度影響最大，擊實(shí)功影響最小，含水率影響居中。據(jù)此，可以有針對(duì)性地提出控制紅土中鐵離子遷移的措施；

（5）水溶液中鐵離子的濃度變化可以為深入研究水環(huán)境條件下紅土中鐵離子的遷移特性和遷移機(jī)理奠定基礎(chǔ)，為揭示紅土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

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