铬污染土壤介电性质影响因素研究

2011-09-23孙亚坤能昌信张增强刘玉强

环境科学研究 2011年1期

关键词：虚部实部介电常数

孙亚坤，能昌信，张增强，刘玉强，董路

1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100

2.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所，北京 100012

3.西北农林科技大学理学院，陕西杨凌 712100

铬污染土壤介电性质影响因素研究

孙亚坤1，2，能昌信2*，张增强3，刘玉强2，董路2

1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100

2.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所，北京 100012

3.西北农林科技大学理学院，陕西杨凌 712100

为了探讨复介电常数法在铬污染场地进行监测的可行性，通过试验比较了不同铬污染物质量分数、土壤含水率和孔隙比下的土壤介电性质的频散特性.结果表明，污染土壤复介电常数呈较为明显的随着频率升高而降低的频散特征，频率低于50 MHz时，土壤复介电常数的实部和虚部变化较为明显;随着铬污染物质量分数、含水率和孔隙比的增大，土壤复介电常数的实部和虚部均有增大的趋势.通过分析土壤复介电常数和含水率、铬污染物质量分数及孔隙比的变化关系，推导了土壤含水率与介电常数实部、铬污染物质量分数与介电常数虚部的关系模型，并能够对铬污染土壤的铬污染物质量分数及含水率进行分析评价，为介电常数法用于土壤中铬污染物质量分数的快速检测提供了有益的探索.

铬污染土壤;复介电常数;频散特性;电法监测

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，绝大部分铬污染土壤都是铬渣的污染所致，而铬渣是在铬盐生产过程中排出的含有Cr6+的固体废物，属于含有重金属污染的危险废物.自1958年开始，我国已积存填埋600×104t以上的高毒性铬渣，并且以每年60×104t的速度递增，国内未经处理的铬渣量仍高达400×104t以上，遍布全国20多个省市［1］.国内的一些铬盐生产企业关停后，残留的废弃铬渣直接露天堆放在地面上，而堆放铬渣的地面又未经过任何防风、防雨和防渗漏的措施，大部分铬渣污染场地因此而形成.甚至个别铬渣堆放点位于地表水附近，经过雨水的冲刷，其中的有毒Cr6+随之沥出.由于Cr6+有很强的迁移能力，对地下水、地表水和土壤造成了严重的污染［1-3］.这些铬污染场地需要及时进行修复和治理.

对铬污染场地进行修复和治理的前期工作就是要对其污染状况进行准确监测.目前，监测受污染土壤和地下水的最基本的途径是对采集的样品进行物理和化学分析，但传统的钻孔取样加实验室化学分析方法十分耗时且成本高［4-6］，有如下较为明显的缺点:①调查采样的数量有限，很难对污染状况做到全面了解;②地质钻孔取样会破坏污染物在地下的原有分布和富集，并容易使污染物沿着钻孔继续向底层深处迁移;③周期长、实时性差，不适合作长期的监测.

鉴于此，需要发展一种更为快速有效的铬污染场地监测手段.地球物理探测的相关研究表明，物质的介电性能作为一个非常重要的参数［7］，因其快速、原位、无损的测量特点，可以通过测定土壤体系复介电常数的方法来表征地下污染物的情况［8］.介电常数，又称电容率，无量纲，是表示物质绝缘能力特性的一个系数，用来衡量介质在外加电场中电荷分布被极化的程度.土壤复介电常数的实部在很大程度上受到土壤含水量的影响;土壤溶液中含盐量的变化影响土壤的导电性，即复介电常数的虚部.在先前的土壤介电性质研究中，TOPP等［9-11］对含水率和土壤介电特性关系作了较为系统的研究;DAYARAN等［12-13］研究了土壤污染物对土壤介电性能的影响;FRANCESCO等［14］基于获取的雷达图像计算了土壤的介电常数;等［15］使用逆建模的方法根据探地雷达信号对沙质土壤的介电特性与含水量的关系进行了研究.但有关污染土壤介电特性方面的研究还鲜见报道.

研究目的:①在10～200 MHz范围内，分别考察不同土壤含水率、铬污染物质量分数和孔隙比下铬污染土壤的复介电常数，以了解铬污染土壤复介电常数随微波电磁波频率变化的关系;②研究土壤复介电常数虚部随铬污染物质量分数变化的规律.

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集及预处理

土壤样品的采集采用分区随机布点的方法.由于需要对铬污染场地的土壤进行模拟，并且铬污染场地的主要污染物为 Na2CrO4和 Na2Cr2O4，故利用向土壤中加入优级纯Na2CrO4试剂的方法来模拟铬污染物，在中国环境科学研究院固体废物污染探测试验场地中选取未经过铬污染的砂质壤土进行试验研究，从而可以减小其他离子因素的影响.土壤样品采集后集中进行预处理，风干、过筛，集中混合后，利用四分法对样品进行缩减，每份100 g左右.对土壤样品进行常规理化性质测定，并采用《固体废物浸出毒性浸出方法翻转法》(GB 5086.1—1997)，分别利用离子色谱仪(Dionex ICS－1000)和ICP－MS(Agilent 7500CS)测量阴阳离子含量背景值，结果如表1，2所示.

表1 土壤样品的物理性质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 室内分析

选取铬污染物质量分数、含水率、孔隙比和不同供电频率4个因素，利用去离子水配制含有不同铬污染物质量分数(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)的铬污染土壤;配制后将土壤样品静置48 h，待溶液与土壤充分混合后，备测.

在10～200 MHz频率范围内，采用同轴线终端开路反射法，利用 Agilent E5061A微波网络分析仪，测量不同频率下砂质壤土的复介电常数的实部和虚部，分析各因素对铬污染土壤复介电常数频散特性的影响.考虑到物质的介电性能受温度影响较为明显［16］，因此，所有的土壤样品都是在室温(即19～21℃)下快速测量的，这样可以尽可能地减少温度变化给测量带来的影响.

2 铬污染土壤介电特性试验结果及分析

2.1 含水率对土壤复介电常数的影响

图1，2分别为在无污染物和铬污染物质量分数为1 000 mg/kg的土壤在含水率为8%，15%和 25%下的土壤介电性能.污染土壤的复介电常数实部和虚部明显大于未污染土壤.当含水率为25%时，随着频率的增加，未污染土壤和污染土壤的复介电常数实部和虚部都有下降的趋势:在低于50 MHz时，实部和虚部急剧下降;高于50 MHz时，下降趋势较为平缓.对于未污染土壤，复介电常数实部受含水率变化影响较大，随着含水率的增加，其值明显增大;而复介电常数虚部受含水率的影响不如实部明显，尤其是在含水率为8%和15%时对虚部几乎没有影响.对于污染土壤，复介电常数虚部受含水率变化影响明显增大，实部受低含水率(8%和15%)的影响不大.

2.2 铬污染物质量分数对土壤复介电常数的影响

图1 未污染土壤不同含水率下的复介电常数Fig.1 Dielectric dispersion characteristics of soil with different water content

图2 铬污染物质量分数为1 000 m g/kg时不同含水率土壤的复介电常数Fig.2 Dielectric dispersion characteristics of 1 000 mg/kg chrome contaminated soil with different water content

如图3所示，在不同测试频率下，选取含水率为8%，孔隙比为0.45的土壤样品，比较铬污染物质量分数分别为0，50，100，150，200，500和1 000 mg/kg时污染土壤的复介电常数实部和虚部的变化情况.总体上讲，随着频率的增加，复介电常数实部和虚部均呈逐渐减小的趋势.在较低频率范围(低于100 MHz)内，随着铬污染物质量分数的升高，复介电常数实部呈小幅升高的趋势;当频率高于100 MHz时，复介电常数实部随铬污染物质量分数的增加而减小的趋势比低频率时小;在频率趋近200 MHz时，复介电常数实部几乎趋于稳定，变化不明显.水与空气共存于土壤孔隙中，而土壤孔隙中气－固界面上产生的空间电荷极化效应则使复介电常数实部增大.复介电常数虚部随着铬污染物质量分数的增加而增大，在低于 50 MHz的频率范围内，复介电常数虚部随着铬污染物质量分数的增加明显增大.这是由于铬污染物离子在外加电场的作用下将会发生迁移，能量损耗会增加，使复介电常数的虚部也有所增加.当频率高于50 MHz时，复介电常数虚部随铬污染物质量分数的增加而升高的变化趋缓，各铬污染物质量分数的土壤样品的复介电常数虚部曲线几乎平行于x轴，即50 MHz以上频段对土壤复介电常数的影响很小.

图3 含水率为8%时不同铬污染物质量分数下土壤的复介电常数Fig.3 Dielectric dispersion characteristics of 8%water content with different chrome pollution

图4 未污染土壤不同孔隙比下的复介电常数Fig.4 Dielectric dispersion characteristics of soil with different pore

2.3 孔隙比对土壤复介电常数的影响

如图4，5所示，选取含水率为8%，未污染和铬污染物质量分数为1 000 mg/kg的土壤在不同孔隙比(0.45，0.49和0.53)下复介电常数的变化情况.与含水率对土壤复介电常数的影响相似，污染土壤的复介电常数实部和虚部明显大于未污染土壤.随着孔隙比的减小，复介电常数的实部和虚部均有减小的趋势.其中，污染土壤和未污染土壤实部的减幅较大，而虚部则仅仅是随着孔隙比的减小而略有减小，即土壤孔隙比对复介电常数虚部的影响不大.在100 MHz以下复介电常数实部变化较大，在50 MHz以下复介电常数虚部随频率的变化较为明显;在接近200 MHz的较高频段时，不同孔隙比的土壤样品受频率变化的影响不大.

图5 铬污染物质量分数为1 000 m g/kg时不同孔隙比下土壤的复介电常数Fig.5 Dielectric dispersion characteristics of 1 000 mg/kg chrome contaminated soil with different pore

2.4 土壤介电常数模型

分别考虑含水率、孔隙比等对土壤复介电常数的影响，并且在实际应用中，土壤含水率、孔隙比、容重直接存在一定的换算关系，结合以上分析，复介电常数实部受土壤含水率影响较大，虚部主要受污染物质量分数影响.因此，采用在 Topps公式基础上加入土壤容重修正因子的推广式来表示土壤的复介电常数实部［17］:

式中，ε为土壤复介电常数实部;θv为土壤含水率，L/L;ρb为土壤容重，g/cm3;m，n，p，k分别为与土壤性质相关的参数.根据试验数据统计分析得到一个地区性的土壤介电常数实部模型，相关系数为0.962.

为反映土壤污染物质量分数与复介电常数虚部的关系，利用经验公式［18-19］表示:

式中，ε′为复介电常数虚部;θv为土壤含水率，L/L;w为污染物质量分数，mg/kg;K1，K2，α，β均为与土壤性质相关的参数.统计分析得到污染物质量分数与土壤复介电常数虚部的关系模型，相关系数为0.957:

因此，通过对污染土壤复介电常数实部和虚部的综合考虑，可以对污染土壤的含水率及铬污染物质量分数进行评价分析.

3 结论

a.铬污染土壤复介电常数的实部和虚部在不同含水率、孔隙比及铬污染物质量分数下均呈现较为明显的频散特性，即呈现随着频率的升高而明显降低的趋势.

b.在低于50 MHz的频段内复介电常数的实部和虚部随频率的变化趋势较为明显，在高于50 MHz频段内复介电常数实部和虚部的测试数据均无明显变化，因此，选取10～50 MHz频段对土壤介电常数进行测试较为理想.

c.污染土壤的复介电常数的实部和虚部均明显大于未污染土壤.由于复介电常数实部较大程度上受含水率的影响，而铬污染土壤的复介电常数虚部存在显著的差别，因此需结合复介电常数虚部来反映土壤中的铬污染物质量分数，为复介电常数法用于检测铬污染物提供了理论基础.

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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

1001－6929(2011)01－0096－06

2010－06－11

2010－07－12

中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2009KYYW 04);国家高技术研究发展计划(863)项目(2009AA063101)