过饱和溶液（共11篇）
过饱和溶液 篇1
饱和溶液与不饱和溶液的概念是学生学习溶液知识的基础, 但此概念所涉及的概念比较抽象, 学生接受以及应用起来有难度。为突破这一教学难点, 本人借助计算机, 综合运用现代多媒体技术及动画软件, 精心设计学生活动, 让学生通过实验探究, 小组活动, 自主得出概念, 理解并应用概念, 高效地实现了概念的形成、理解和应用。在本节课的教学过程中, 学生主动解决问题, 主动参与课堂, 符合新课程改革的精神, 体现了学生主体性的原则。下面分享一下教学设计。
一、通过 动 画 演 示 完 成 实 验 设 计, 通 过 自 主 实 验 探究———形成概念
从生活实例出发, 如果汤不咸, 不断地往里加盐, 引发学生思考, 激发学习兴趣。氯化钠能无限地溶解在一定量的水中吗? 硝酸钾呢? 如何用实验证明? 借助以课本实验为依托的动画软件, 小组同学经讨论后, 通过选择所需仪器药品, 进行实验设计并通过拖拽所需仪器药品进行实验演示。完成演示实验后, 学生找到了让在一定溶液中不能继续溶解的固体继续溶解的方法———升温和增加溶剂。然后依据自己的设计方案, 通过进行氯化钠和硝酸钾的两个溶解性实验, 感受物质的溶解过程及影响物质溶解的外界条件。实验后, 小组同学通过归纳、总结获得的信息, 得出结论, 可溶物在水中不能无限地溶解, 当改变外界条件时, 溶液的状态会发生变化。教师给出饱和溶液的粗略定义———溶质不能继续溶解的溶液叫饱和溶液。学生根据实验整理出饱和溶液的精确定义: 一定温度下, 一定量的溶剂里, 溶质不能继续溶解的溶液叫这种溶质的饱和溶液。在动画设计、亲身实验后, 学生感受到外界条件对物质溶解地影响后, 轻松地归纳总结出饱和溶液与不饱和溶液的转化方法。
二、借助动画软件, 学生自主活动———理解概念
如何判断某种溶质的溶液是否是饱和溶液? 小组同学通过讨论, 借助动画软件, 通过拖拽选择饱和溶液。通过饱和溶液的判断, 学生自主总结判断饱和溶液的方法: 有固体剩余的溶液一定是饱和溶液, 如果无固体剩余的溶液可以选择继续加溶质看是否能继续溶解的办法判断。学生通过这一活动, 加深了对饱和溶液与不饱和溶液概念的理解, 对饱和不饱和溶液有了更形象地认识, 有效地突破了教学难点, 另外培养了学生的总结归纳能力。
三、联系生活实例———应用概念
饱和溶液在实际生产生活中有什么应用? 如何将溶质从溶液中提取出来? 带着这两个问题, 学生借助人民教育出版社的电子课本, 自主阅读, 了解海水晒盐的过程, 整理出结晶的两种方法。此活动的设计, 培养了学生根据资料, 获取、整合、归纳信息的能力。海水晒盐的生活实例, 激发了学生的学习兴趣, 体现了从生活走进化学, 从化学走向社会的新课程理念。最后, 以制作白糖晶体为家庭作业, 练习结晶的方法, 继续应用概念。
本节课是概念的教学, 整个教学过程坚持以问题引领学生, 学生通过自主活动得出概念, 理解并应用概念。
本节课精心设计了三个学生活动: 活动一, 通过动画软件, 设计并展示实验方案, 通过探究实验及小组合作, 得出概念, 并总结出饱和与不饱和溶液相互转化的方法。使学生初步学会运用观察、实验等方法获得信息, 运用分类、比较、归纳、概括等方法对获得的信息进行加工, 获得对科学探究的体验, 培养其观察能力、实验探究能力、分析和解决问题的能力、表达能力以及交流合作能力。活动二, 借助动画软件, 通过饱和溶液的判断及方法的总结, 加深对概念的理解, 培养学生的总结归纳能力。活动三, 通过阅读电子课本海水晒盐的过程, 总结结晶的方法, 培养学生根据资料获取、整合、归纳信息的能力。三个学生活动的设计能引导学生积极参与学习过程, 发挥学生的主体作用。
本节课综合运用多媒体技术及动画软件, 不但极大地提高了学生的学习兴趣, 而且突破了教学的难点。更可贵的是学生可以方便地将软件拷贝到自己的平板电脑上, 在课堂外随时随地自主地进行实验探究, 转变了学生学习的模式。平板电脑和云计算等现代化技术必将对学生的自主学习产生深远的影响。作为教师, 应该努力学习新技术, 使其更好地服务于教学活动。
您是否“心理饱和” 篇2
心理饱和的能量很大，许多自杀事件均由它而起。所以，有人又把心理饱和戏称为“自杀者的帮凶”。比如有位打工仔小李去医院看病，医生诊断为“疝气”。小李识字不多。误把“疝”字认作“癌”字，以为自己得了绝症。因他性格内向，既不敢向医生求教，也不向父母讲明，自个儿闷在心里。他越想越怕，越想越绝望，最终达到心理饱和的程度，草草留下一纸遗书，自杀身亡。由此可以看出，心理饱和是一种“不安定因素”，对人有害无益，不过，它并非不治之症。比如，当每天做同一工作出现厌烦情绪时，你不妨自我轻松一番：活动活动身子，极目远眺片刻，或散散步，或与别人说说话，分散一下紧张的情绪，这样，可以减少心理饱和给你带来的精神压力。
至于疑心自己患有绝症而自杀的心理饱和现象不是很多，不过，因对自己疾病是否能治愈而产生的心理饱和现象却是屡见不鲜。身为病人，首先要有坚强的信念，相信自己能够战胜病魔。若解不开心中千千结，可以向书本讨教，请医生指导，对亲友倾诉，以求正确答案，将忧虑排解掉，别让心理饱和成为自己的包袱。
对于心理饱和，我们应有清醒认识，在我们的生活中，它无处不在，并时时干扰我们的正常生活。我们应当有充分的心理准备和预防措施，一但遇上它，要沉着，莫惊慌，要善于知己知彼，采取各种有效的方法，将它“大化小，小化了”，让它远离我们的正常生活。
过饱和溶液 篇3
降雨入渗和库水位升降变化影响下的库岸边坡岩体渗流是饱和-非饱和非稳定渗流,岩体渗流特性十分复杂。大坝工程事故表明,在不利的水力环境下,裂隙岩体渗流将引起岩体应力恶化,导致边坡稳定性降低,甚至造成工程失稳破坏。裂隙岩体的渗流计算是水库大坝及边坡稳定分析的基础,研究裂隙岩体渗流特性和数值模拟方法,对蓄水工程的设计运行具有重要意义。由于裂隙分布的随机性和空隙结构的复杂性,裂隙岩体渗流分析仍是一门新兴的学科,相关研究尚处在发展当中。本文从渗流数值模拟的需要出发,分别从裂隙岩体非饱和渗流特性、水力参数及其关系、浸润面的确定方法、渗流数学模型,以及饱和-非饱和渗流理论在水库工程应用等方面对裂隙岩体渗流研究现状进行了总结分析。
1 裂隙岩体非饱和渗流特性及参数
裂隙岩体地下水主要沿裂隙流动,地下水状态不仅受控于裂隙的性质,如裂隙的开度,表面粗糙度、孔隙气相状态等因素,而且受基质岩块性质(如密实度、岩块渗透率、岩块饱和度等)的影响。现场试验现象表明,裂隙岩体非饱和渗流具有相当的非均质性,在现象学上表现为毛细管流、薄膜流、优先流等[1,2]。
(1)毛细管流。
与非饱和土中毛细管现象类似,在开度较小的细裂隙或微裂隙中,裂隙空间可看做是一束束的毛细管,水分在毛细吸力驱动下或悬浮在毛细管中,或沿毛细管发生流动。这种符合毛细管吸持理论的裂隙水流称为毛细管流。
(2)薄膜流。
如果非饱和带裂隙的饱和度比较小,裂隙中存在连通的气相,此时水会沿着裂隙的一壁以一种薄膜的形式向下流动。由于液体没有完全充满裂隙,因此,渗流类似于无压管流。流体膜在重力驱动下流动,不受裂隙内的毛细管力的影响。只要存在连通的气相,薄膜流在小开度裂隙和大开度裂隙中均可能出现。室内实验发现,在薄膜流的条件下,部分流体可能出现较高的流速[3],而且靠近裂隙壁面的流速要比平均流速高很多倍[4]。发生薄膜流现象的机理,目前还不十分清楚,很可能是基质岩块致密,渗透率很低,岩石表面吸力小的缘故所致。
(3)优先流。
在非饱和裂隙岩体中,水分绕过岩体细小空隙和岩石基质在沿部分裂隙面快速流动的现象称为优先流。优先流主要发生在相互连接高度通畅的大孔隙中。优先流出现的原因是由于裂隙内气体和液体的密度和速度的差异以及岩石介质的弱透水性等引起流体湿润锋面快速增长,使得水流沿少数渗透性良好的大孔隙通道优先快速流动,含水量峰值部分能够快速蔓延到某种深度。优先流的研究主要集中在森林水文学和地学等领域[5,6,7,8,9]。优先流表现形式较多[9],如大孔隙流(macropore flow)、管流(pipeflow)、指流(finger flow)、沟槽流(channel flow)、短路流(short circuiting flow)、地下强径流(subsurface storm flow)、非饱和重力流(gravity-driven unstable flow)、异质流(heterogeneity-driven flow)、摆动流(oscillatory flow)及低洼再蓄满(depression-focused recharge)等。裂隙岩体内的优先流过程受到优先路径类型、糙率系数n值、路径形状和供水条件等多方面影响,表现为非稳定渗流。另外,在水分运动过程中,由于基质岩块的渗透性远远小于裂隙的渗透性,入渗水流没有充分的时间与岩石基质内缓慢运移的其他部分保持平衡,因而优先流具有非平衡性。优先流的运移速度快,其流速和流量远大于达西定律描述下的水流运动特性,因而不能沿用达西定律描述优先流[10]。
岩体非饱和渗流的水力参数主要有:毛管压力(基质吸力)、饱和度、渗透系数等。用数值方法模拟岩体渗流,要求能够定量描述岩体的渗透性以及饱和-非饱和渗流要素,准确反映岩体渗透性的时空特性,因而建立岩体毛管压力-饱和度关系曲线(即水分特征曲线)和非饱和渗透系数(或相对渗透率)-毛管压力关系曲线[11]比研究单一的水力参数更有实际意义。毛管压力、饱和度和非饱和渗透系数之间有着较强的相关性,它们都与岩体的孔隙结构密切相关。相对于非饱和渗透系数而言,确定毛管压力-饱和度关系曲线(水分特征曲线)要相对容易一些。因此,实际中一般先测定水分特征曲线,然后通过数值方法推算非饱和渗透系数。
裂隙岩体非饱和渗流水力参数及其关系的研究方法有物模试验法、数值试验法[12]和解析模型法。
所谓物模试验法就是用人造裂隙直接通过水-油拟稳态驱替试验或二相流试验来研究单裂隙非饱和渗流,借用孔隙介质拟合模型拟合出水力参数之间的经验关系式。物模试验法所借用的孔隙介质拟合模型主要有Van Genuchten模型和Brooks-Corey模型。
Van Genuchten(VG) 模型[13]:
式中:Pc为毛管压力;P0为进气值;n和m为经验参数,
Se为水相的有效饱和度,可表示为:
式中:S为相应于毛细压力Pc的饱和度,Sr为残余饱和度,Ss为最大饱和度。
同时,由VG模型可推导出单裂隙相对渗透率与饱和度之间的关系如下:
Brook-Corey(BC)模型[14]:
式中:Pc为毛管压力,Pd为空气排驱压力,l为孔隙尺寸分布的无量纲系数,Se为水相的有效饱和度,表达式同(2)。
同时,由BC模型可推导出单裂隙相对渗透率与饱和度之间的关系如下:
由于人工裂隙材料的空隙结构及其渗透性与天然裂隙存在差异,在实验室通过人造单裂隙确定的岩体渗透参数关系与实际还有一定距离。另外,进行物模试验需要一套可靠的试验设备,试验过程的控制和饱和度的量测技术要求较高,用物模试验法要达到较高的精度还比较困难。
数值试验法是通过建立单裂隙概化模型,利用数值模拟法和孔隙介质拟合模型拟合出经验关系式。数值试验法的要点如下:首先,将实际裂隙或由数值模拟技术生成的裂隙随机样本离散为许多等面积不等开度的小平行板组合体,建立单裂隙概化模型;其次,假定裂隙渗流满足立方定理和基于毛细吸持理论的Laplace方程并认为毛细压力Pc下开度小于bs的小平行板内均充满水,给定多个毛细压力值,通过计算求得相应的饱和度或相对渗透率,进而得到类似于物模试验的毛细压力-饱和度关系数据系列和相对渗透率-毛细压力关系数据系列;最后,运用与物模实验相同的方法,借用孔隙介质拟合模型拟合出单裂隙毛细压力-饱和度和相对渗透率-饱和度(或毛细压力) 的经验关系式。
在缺少试验资料时,可按假定的裂隙开度分布函数
相应的非饱和水力传导度为
其中,
模型试验法属于研究岩体裂隙非饱和渗流的直接方法,其他方法属于间接方法。
裂隙非饱和渗流的研究关键和难点在于如何查明所研究裂隙的空隙结构,取得反映实际情况的裂隙样本。在能取得可靠裂隙样本,且又有一定试验条件时,应优先选用模型试验法,因为只有通过实验才能真实了解裂隙非饱和渗流机理和特性;同时,其它间接方法的正确性也需要实验的检验。人工材料制作的裂隙样本,与天然裂隙还有很大的区别,若能提高试验技术,采用一定规模的天然裂隙进行室内试验,或增加现场原位边坡渗流试验,则试验结果的可靠性会得到极大提高。
此外,以上方法采用孔隙介质的拟合模型来拟合裂隙介质的水力参数关系曲线,其正确性还有待进一步的验证。
2 裂隙岩体饱和-非饱和渗流模型
数值法是求解裂隙岩体渗流的主要方法。建立非饱和渗流数学模型,必须从非饱和渗流的赋存条件这一根本性的特征出发,要与饱和渗流有所区别。当前,用于求解裂隙岩体渗流的数学模型有:等效连续介质模型;离散裂隙网络模型;双重介质模型;多重裂隙网络模型。
(1)等效连续介质模型就是把岩体-裂隙系统等效成连续介质,用连续介质理论描述渗流方程。对于裂隙比较密集的岩体渗流问题,可以借用较为成熟的多孔介质渗流分析方法,用非均质各向异性的等效连续介质模型来描述。将裂隙岩体等效为连续介质必须满足一定的条件,只有裂隙高度发育,裂隙岩体的表征单元体存在且相对于研究域来说不是太大时才可能等效为连续介质模型。
(2)离散裂隙网络模型。由各种裂隙在空间相互交叉形成的网状系统称为岩体裂隙网络系统。当岩体大裂隙分布稀疏,岩块致密,渗流主要发生在裂隙中时,就可以忽略岩块的透水性,以裂隙系统为对象,等效为离散裂隙网络模型。离散裂隙网络渗流分析以单裂隙面为基础,假设单裂隙非饱和渗流服从达西定律与立方定律,根据节点水量平衡原理建立裂隙非饱和渗流控制方程,最后应用数值分析方法求解裂隙内水头分布。裂隙网络模型最先由Wittke提出,后经众多学者做了进一步的发展。毛昶熙[16]建立了裂隙网络渗流模型及求解方法,柴军瑞和仵彦卿[17]提出了确定岩体裂隙网络渗流自由面的方法,柴军瑞[18]运用三维离散介质渗流理论,建立了三维岩体裂隙渗流方程,并将有限元数值方法应用于三维主干裂隙网络的渗流分析中。周志芳[19]、柴军瑞[20]等对用Monte-Carlo方法生成的随机裂隙网络系统建立裂隙岩体网络渗流数学模型,并进行求解。王洪涛、王恩志[21]给出了岩体三维主干裂隙系统中地下水非稳定渗流模拟分析方法。基于面状裂隙理论,Long提出了圆盘裂隙网络三维渗流模型, Dershowitz[22]、万力等[23]提出了多边形裂隙网络模型。为了描述三维离散裂隙网络结构及其渗流特征,于青春等[24]在圆盘形三维裂隙网络基础上,采用Cacas模型,建立了三维裂隙网络管状渗流模型以模拟裂隙面上的水流管道;王恩志等[25]根据天然裂隙系统发育规律及其渗透机制,将复杂的裂隙系统划分成三大类型, 在忽略岩块渗透性的前提下,建立了由管状线单元、缝状面单元、带状体单元组合而成的三维裂隙网络渗流数值模型。
离散裂隙网络介质模型较真实地反映了裂隙在岩体中的主要导水作用,较好地描述裂隙岩体渗流的非均质各向异性,对于裂隙稀疏,岩块致密,表征体积单元不存在或很大的岩体中的渗流分析具有其内在的优势。但是,应用离散裂隙网络介质模型进行渗流分析还存在一些困难,如很难事先确定所有裂隙的产状、开度、间距和迹长等几何参数,渗流分析中裂隙单元数多,计算工作量巨大。
(3)双重介质模型
双重介质渗流模型[26]分为裂隙-孔隙双重介质渗流模型(也称狭义双重介质渗流模型)和离散介质-连续介质耦合模型(也称广义双重介质渗流模型)。
裂隙-孔隙双重介质渗流模型认为,裂隙岩体是一种具有连续介质性质的物质,它把裂隙岩体看成是由空隙性差而导水性强的裂隙系统和空隙性好而导水性弱的岩块孔隙系统组成,岩体裂隙和孔隙均连续充满整个研究域,形成两个重叠的连续体。因此,在渗流场中的每一点均存在有两个流体压力-孔隙流体压力和裂隙流体压力。考虑岩体裂隙系统和孔隙系统之间的水力交换,假设孔隙和裂隙间交换的水量与它们的水头差成正比,分别建立各自的渗流控制方程并联立求解渗流场,最后取两种介质中的水头平均值作为最终渗流场的水头值。
离散介质-连续介质耦合模型认为,裂隙岩体是由数目众多、开度较小但密度较大的次要裂隙和孔隙以及数目不多、开度较大,起主要导水作用的主干裂隙组成的混合介质。次要裂隙和孔隙等效成连续介质充满整个研究域,离散的主干裂隙按产状分布于连续介质之中,根据两类介质接触处水头连续及流量平衡原理建立耦合方程。在裂隙网络渗流理论基础上,将主干裂隙和细小裂隙区别开来,分别按主干裂隙网络和裂隙岩块建立双重裂隙系统渗流模型,既能综合表达裂隙系统结构的极不均匀性和渗透空间的各向异性以及渗流的非连续性,又能描述大裂隙系统的空间展布及其强导水作用和细小裂隙相对贮水作用的渗透机制[27]。
双重介质耦合模型是对等效连续介质模型和裂隙网络介质模型的综合,既反映了裂隙特殊的导水作用,又体现了岩块的贮水作用,而且考虑岩块与裂隙之间客观存在的能量交换。但由于描述连续介质域水分运动与描述离散介质域水分运动方程的不同,给数学处理带来了不便。在建立孔隙裂隙水力交换方程时,两种介质存在着水交换量难以准确确定的问题,而水交换量计算的准确性又直接影响到模型的精度。
(4)多重裂隙网络渗流模型
以上3种岩体渗流的数学模型都从不同程度上反映了一定条件下地下水在岩体中的运动规律,特别是岩体双重介质渗流数学模型较全面地反映了岩体中渗流的运动规律。为了更为准确地描述和模拟复杂岩体中各种裂隙(包括大小断层、断裂、夹层、褶皱、裂隙、节理等)的开度变化、分布规模等几何参数的空间差异性对裂隙岩体透水能力的影响,宜将各类裂隙进一步细分归类并按岩体多重裂隙网络模型进行渗流分析。柴军瑞和仵彦卿[28]按空隙规模和渗透性的不同将岩体中的各种裂隙和孔隙分为4级:①那些存在规模比较大、易于测量但分布很稀疏的断层、断裂和软弱夹层为一级真实裂隙网络、②不能按等效连续介质处理、分布具有随机性, 可依据窗口测量等资料按裂隙网络生成的Monte-Carlo模拟技术形成随机裂隙网络的次一级裂隙归为二级随机裂隙网络。③对于规模较小、数量众多且分布密集的表层风化节理裂隙,按等效连续介质和渗透系数张量理论进行处理,形成三级等效连续介质体系。④岩块内的孔隙网络,因为可以按多孔连续介质渗流理论处理,故归为四级连续介质体系。各级裂隙(孔隙)都形成各自的裂隙网络,以水量平衡原理为基础建立各级裂隙网络之间的联系,组合形成岩体多重裂隙网络渗流模型,据此就可进行复杂岩体的渗流分析。
岩体多重裂隙网络渗流模型在本质上可归为双重介质渗流模型。由于存在多级连通裂隙和孔隙岩体,在各级连通裂隙网络之间,以及裂隙与孔隙之间通过水量交换相联系,所以需要进行联合求解。由于问题的复杂性,多重裂隙网络渗流模型的理论和工程应用研究才刚刚起步。
一个好的渗流模型,不仅要综合反映岩体的空隙结构和渗透特性、流体的赋存状态以及决定流体赋存、运动的动力机制等性质,而且便于进行数值模拟计算、结果可靠。裂隙岩体的孔隙结构和渗流特征与多孔介质显著不同,分析与时间相关的裂隙岩体非稳定渗流问题,只能采用离散裂隙网络模型或双重介质渗流模型[29]。
3 裂隙岩体浸润面的确定方法
地下渗流浸润面是饱和区与非饱和区的分界面。浸润面的计算属于自由面求解问题,传统的求解自由面方法,总体上分为移动网格法,固定网格法和无单元法3种。移动网格法是将自由面作为可动边界处理,通过在计算过程中变动网格去适应在迭代过程中变动的自由面,直到计算的自由面稳定为止。移动网格法的主要问题是:(1)在每一步的迭代中,都要调整网格并重新计算传导矩阵,当假定的初始自由面与实际自由面相差较大时,会引起网格过度畸形而影响求解;(2)自由面附近有不均质介质时,网格移动时会破坏介质区分边界,使计算结果失真;(3)求解包含有自由面渗流域的应力分布时,求解范围应包括自由面以上区域,移动网格法不能采用同一网格分析渗流场和应力场,增加了有自由面渗流问题应力分析的工作量。
固定网格法在计算中保持网格不变,可以克服迭代计算中网格随自由面变动所引起的问题。用不变网格分析有自由面渗流问题的方法有:剩余流量法[30],单元渗透矩阵调整法[31],虚单元法[32],丢单元法[33],自由面适应网格方法[34]等。
无单元法是采用滑动最小二乘法在全域建立高阶连续可导的插值函数的方法[35],无单元法摆脱了单元的约束,具有积分网格和节点相互独立的优点,可以避免有限元法中网格在迭代过程中变化的问题,具有较高的灵活性和精度。对自由面附近存在水平分层的不同渗流介质的自由面求解具有较大优势。
用以上方法求解渗流浸润面大多采用饱和渗流模型,所求浸润面为光滑连续的曲面。实际上,由于毛细管力作用,地下渗流浸润面并不是严格的几何面,而是含水饱和度急剧变化的过渡区,应按照非饱和渗流理论,将渗流区划分为饱和区、毛细区与壤水区,建立统一的饱和与非饱和渗流数学模型进行求解[36]。
对于裂隙岩体渗流,裂隙的渗透性远大于岩块,渗透水流主要在裂隙网络中进行,裂隙渗流是岩块渗流的边界,所以,渗流自由面是由裂隙水面和岩块浸润面相间构成的曲面。当忽略岩块的渗透性,假定水流只在裂隙内流动时,渗流自由面实际上就是各条裂隙中水位的连线[17]。
4 库岸岩体工程应用研究
研究裂隙岩体渗流机理、渗流特征及岩体中地下水的赋存、运移规律,其主要目的是准确把握库水位升降变化及降雨影响下库岸边坡岩体渗流的变化特征并为岩体稳定分析及滑坡灾害预防提供渗流基础数据。
库水下降和降雨入渗属饱和非饱和不稳定渗流问题,一般按照连续介质模型、裂隙网络模型或连续介质-离散介质模型,应用有限单元法方法进行模拟。在渗流分析的基础上研究岩土的初始饱和度、入渗能力、持水曲线、降雨特征组合及坡面的防渗情况等因素与边坡稳定参数之间的关系。Lam和Fredlund[37]较早研究了降雨入渗对边坡稳定性的影响,并对饱和-非饱和土渗流问题做了比较完整的论述。他们利用连续介质非饱和水分运动理论,得到了饱和-非饱和渗流控制方程,利用有限元求解渗流场,并研究了降雨强度和边坡土体的基质吸力对边坡的安全系数影响规律。
时卫民和郑颖人[38]根据布西涅斯克非稳定渗流微分方程,得到了库水位等速下降时坡体内浸润线的简化计算公式,解决了以往由经验假定浸润线所带来的误差。在此基础上,通过算例分析了滑带土抗剪强度、库水下降速度、下降高度以及渗透系数等对坡体稳定系数的影响。孙役,王恩志等[39]根据单裂隙饱和-非饱和渗流实验结果,建立了有暴雨入渗下三维裂隙网络饱和-非饱和渗流数学模型,对龙滩水电站左岸蠕变体边坡进行了不同工况下的渗流与稳定性分析。张家发[40]、朱岳明等[41]建立了三维饱和非饱和非稳定渗流模型,采用有限元数值方法,对暴雨入渗条件下三峡永久船闸高边坡饱和非饱和渗流场进行了模拟分析。张有天、刘中[42]等根据岩体渗流主要发生在裂隙网络中的特点,采用了裂隙网络数学模型对降雨条件下的边坡岩体的渗流场进行了分析,总结了降雨过程中岩质边坡孔隙压力分布及变化规律。
水库水位降落时库岸坡体内会产生饱和-非饱和非稳定渗流,非稳定渗流受到水位下降速度、降幅大小等因素的影响,并对坡体的稳定性产生影响。周桂云和李同春[43]应用饱和-非饱和非稳定渗流和有限元方法,对十里铺水库岩质边坡水位下降时坡体渗流和稳定性进行了分析。
三峡水库蓄水后,年内库水位在145~175m涨落,水位变幅达30m,加之三峡库区雨水充沛,地质条件复杂,雨季极易发生库岸边坡失稳。为了能正确描述水位涨落过程中滑坡内孔隙水压力场的动态变化及其对滑坡稳定性系数的影响规律,郑晓晶和殷坤龙[44]从非饱和多孔介质渗流和抗剪强度理论出发,以库区某滑坡体为例,计算分析了库水位周期性变化和降雨作用下库岸边坡的稳定性变化规律。
总体看,库岸裂隙岩体渗流应用研究主要针对两个基本问题:一是如何准确描述库水位变化和降雨入渗等水力环境变化时边坡岩土体渗流场的响应特性;另一个是如何应用非饱和岩土体抗剪度理论进行边坡稳定性分析。稳定性分析相对简单,计算方法也趋于成熟,所以目前研究的重点和难点还是集中在如何准确求得边坡岩体水分分布场。岩体渗流场分析研究,大多采用多孔连续介质模型,用离散介质或连续-离散介质模型分析的资料较少,对裂隙岩体渗流本构关系的研究还不够。现有理论研究大多都在设定岩土体基本参数和水力环境参数的基础上进行的,建立的计算模型和采用的计算方法与实际应用还有很大的距离。
5 展望
高坝工程是当前水资源开发的热点,准确模拟和预测库岸边坡岩体渗流对高坝工程建设具有重要意义。库岸岩体边坡长期经受降雨和库水位升降变化影响,其中渗流场、应力场及其耦合关系十分复杂。裂隙岩体在空隙结构及渗流特性方面与多孔介质显著不同,不能完全沿用多孔连续介质理论研究裂隙渗流,应用非连续介质观点研究岩体渗流具有广阔的前景。
目前,用非连续介质方法研究裂隙渗流已经有了一些成果,但主要是理论方面的研究,要将理论应用于实际工程,仍需解决以下几个基础性的关键问题:
(1)研究新的探测方法,以便快速准确查明所研究裂隙的空隙结构,取得反映实际情况的裂隙样本;
(2)裂隙岩体非饱和渗流水力参数及其关系研究,这是准确模拟的基础;
(3) 研究既能准确描述岩体空隙结构的渗流特性,又方便计算的连续介质-非连续介质渗流模型的数值方法。
摘要：本文从裂隙岩体非饱和渗流特性及参数、裂隙岩体浸润面的确定方法、渗流数学模型、工程应用研究等方面对高坝工程裂隙岩体渗流研究现状进行了系统的分析总结。当前,主要沿用多孔介质渗流的方法研究裂隙渗流,所建立的裂隙岩体非饱和渗流水力参数关系还不能真实反映裂隙渗流的特性;连续介质-非连续介质渗流模型能够较好反映裂隙岩体的空隙结构和渗流特性,要继续研究相应的数值计算方法;库水位升降变化及降雨影响下库岸边坡岩体渗流是饱和-非饱和非稳定渗流,应将饱和区与非饱和区统一起来分析。
过饱和溶液 篇4
教学目标；
1、知识目标：
（1）明确饱和溶液与不饱和溶液的概念。（2）知道饱和溶液与不饱和溶液之间的转化方法。（3）了解溶液饱和与否与溶液浓稀之间的关系。
2、能力目标：
（1）通过实验理解饱和溶液与不饱和溶液的概念。（2）初步学会科学探究的方法。
3、情感目标；
（1）通过小组合作交流的方式探究饱和溶液与不饱和溶液之间的转化，体验合作交流的重要性。
（2）认识实验在学习化学概念中的意义。教学重点：
1、饱和溶液的概念。
2、饱和溶液与不饱和溶液之间的相互转化。教学难点：
建立饱和溶液与不饱和溶液的概念。设计思想：
由学生熟悉的事物入手设置教学情境，采用学生表演的形式将化学知识与日常生活联系起来，激发学生的好奇心、求知欲和参与活动的欲望。在教学过程中，通过多次设置教学情境，将学生一步步引入知识的探究过程，使学生能真实体验知识的形成过程，从而建构知识。通过探究的方式让学生自己总结概念的内涵与外延，发展学生自主学习的能力和团结协作的合作学习的意识，从而培养学生的探究能力和创新精神。课前准备：
1、设计幻灯片。
2、由两名学生表演的生活片段2个部分。
3、同步实验。
实验用品；白糖、果真、NaCl CuSO4 KmnO4 H2O 试管、药匙、酒精灯、试管夹、玻璃棒、火柴 教学过程；
一、创设情境，导入新课：
化学源于生活又服务于生活。日常生活中，我们经常会遇到一些与化学有关的问题，这些问题又如何解释呢？今天，我们先去小丽家看看，小丽与姐姐之间发生了什么样的故事了呢？请同学们欣赏生活短剧《喝糖水》：（欢迎）小丽：好累啊！姐姐，我回来了。姐姐：回来了，妹妹。小丽：姐姐，我要喝糖水。姐姐：好，姐姐给你倒。
姐姐向玻璃杯中倒入半杯水，加了一勺糖，搅拌后糖全部溶解，把水杯递给了小丽。
小丽喝了一口以后说：不甜不甜！（显出撒娇状）姐姐：好好，别着急，我再给你加些糖。（微笑着）
姐姐又向水中加了一勺糖，搅拌后，糖全部溶解；然后又加了一勺，再搅拌，杯底仍有糖剩余后，将玻璃杯递给了小丽。
小丽不接，说：姐姐再加糖，再加糖，我还要加糖。姐姐：傻妹妹，已经很甜了，再加糖水也不会更甜了。小丽：姐姐，那是为什么呀？（疑惑地）（表演告一段落）
教师：是呀，为什么呀？为什么再加糖，糖水也不会变得更甜呢？同学们，你们想帮助小丽解决这个问题吗？ 生：想。
师：好，这节课我们通过实验一起解决这个问题，这就是我们这节课要学的饱和溶液与不饱和溶液（出示课题，并板书）
二、探究什么是饱和溶液：
同步实验1：请同学们每组取出两支试管，向其中加入1—2毫升水，分别逐渐加入白糖，边加边振荡，你观察到了什么现象？ 生：实验„„糖不能再溶解了。师：这个现象与短剧中的是不是一样？ 生：是。
师：哦，好像水已经“吃饱”了，再加糖它也“吃”不了了。像这种状态的溶液，通常就叫饱和溶液。
（幻灯片）„„„„不能继续溶解„„„„的溶液，叫做„„„„饱和溶液。师：发问，如果还能继续溶解的溶液就叫做„„„„ 生：不饱和溶液。师：对，叫做不饱和溶液.(幻灯片)„„„„还能继续溶解„„„„的溶液，叫做„„„„不饱和溶液。现在我们继续研究刚才得到的饱和溶液。请大家想一想，怎样才能使试管底部剩余的糖也溶解呢？ 生：加水。师；好，那我们就试试。
同步实验
2、向其中一支试管中加入适量水，边加边振荡，你观察到了什么现象 生：糖又溶解了。
师：也就是说，溶液可能变成了„„„„ 生：不饱和溶液。
师：对，从这里我们可以得出，溶液饱和还是不饱和跟溶剂多少有关，所以我们说饱和溶液时还要加上一个条件“在一定量的溶剂里”。
（幻灯片）„„„„，在一定量的溶剂里，不能继续溶解„„„„的溶液，叫做„„„„饱和溶液。
师：还有没有其他办法，使另一支试管底部的糖也溶解呢？ 生：加热。
师：好，加热，那我们就一起加热吧！
同步实验
3、加热另一支试管，观察到了什么现象？ 生：糖又溶解了。
师：那现在的水还能不能“吃”糖呢？是不是饱和溶液呢？ 同步实验
4、向试管中加少量糖，观察。
师：我们看到水又能“吃”糖了，说明加热后，溶液变成了„„„„ 生：不饱和溶液。
师：水还是那么多，为什么刚才是饱和的，后来又不饱和了呢？ 生；因为开始水的温度低，后来加热了。
师：这说明溶液的饱和与不饱和还跟什么因素有关？ 生：跟温度有关。
师：所以，当我们说某种饱和溶液时，一定要指明“在一定的温度下”（幻灯片）在一定的温度下，在一定的溶剂里，不能继续溶解„„„„的溶液，叫做„„„„饱和溶液。
师：通过我们的帮助，我想小丽一定明白了，为什么再加糖，糖水也不会变得更甜了的道理了。我们再去看看小丽明白了吗？请同学们继续欣赏生活短剧《喝糖水》（欢迎）
姐姐：因为水“吃饱”了，它再也“吃”不下糖了。
小丽似乎明白了，点点头，哦„„ 小丽喝了几口水后，放下杯子说：姐姐，我不想喝了。
姐姐：你不是喜欢喝糖水吗？为什么不喝了？ 小丽：我不喝，就是不想喝嘛！（撅嘴）
姐姐想了想，拿出一包果珍加到水里，果珍全部溶解，水变成了黄色。小丽很惊讶，问：姐姐，你不是说水“吃饱“了吗？它怎么又能””吃东西“了呀？
姐姐笑着说：傻妹妹，姐姐说它“吃饱”了，是说它“吃”糖“吃饱”了，没有说它不能“吃”别的东西呀！（表演结束）
师：那么，饱和糖水里是不是能溶解其他物质呢？比如果珍、食盐、味精呢？ 生：能。
师：对，如果注意观察，我们在平时也会看到类似的现象，下面我们用其他物质做一做实验，看看情况是否相同。
同步实验
5、向试管中加入少量水，再加入食盐，振荡，直到底部的食盐不能再溶解为止。把上层清夜倒如另一支试管，向试管中的饱和食盐水中加入硝酸钾或硫酸铜，观察。
师：原来水这么“贪心”，“吃饱”了一种东西还可以“吃”别的东西。这也就告诉我们，在说饱和溶液时，是不是还应该再加一个什么条件？ 生：是，一种物质的饱和溶液。
师：很好，所谓饱和溶液是指不能继续溶解“某种溶质‘的溶液，叫做这种溶质的饱和溶液。
（幻灯片）在一定温度下，一定量的溶剂里，不能继续溶解某钟溶质的溶液，叫做这种溶质的饱和溶液。
在一定的温度下，一定的溶剂里，还能继续溶解某种溶质的溶液，叫做这种溶质的不饱和溶液。
三、探究饱和溶液与不饱和溶液相互转换的方法：
师：怎样才能使饱和溶液变成不饱和溶液呢？又怎样使不饱和溶液变成饱和溶液呢？现在我们用你们桌上的NaCl（或KNO3)，先配置成它们的不饱和溶液，讨论，尝试把它变成饱和溶液；然后再讨论、尝试把饱和溶液变成不饱和溶液。生：讨论，实验„„„„
师：饱和溶液如何变成不饱和溶液呢？你们想出了几种方法？ 生：加溶剂、升温或降温
师：反过来，把不饱和溶液变成饱和溶液可以采用哪些方法？ 生；加溶质、降温或生温。（幻灯片）饱和溶液
不饱和溶液
师：很好，那么如何证明你所配制的溶液是否饱和呢？
生：
1、看原溶液中是否有不溶的溶质存在，若有，为饱和溶液；若无，可能为饱和溶液也可能为不饱和溶液。
2、加溶质，若溶质不再继续溶解，则为饱和溶液；若溶质还能继续溶解的溶液为不饱和溶液。
四、讨论：溶液饱和与否与溶液浓稀之间的关系： 师：在日常生活中，为了粗略地表示溶液里溶质的多少，人们把溶液分为浓溶液和稀溶液，那么饱和溶液、不饱和溶液与浓溶液、稀溶液有什么关系呢？为了研究这个问题，就请同学们做
同步实验6：分别向两支试管中1—2毫升的水（要求体积相同），然后向其中一支试管中加入半匙KNO3晶体，振荡；向另一支试管中加入一匙尖的熟石灰，振荡，观察，你有什么启示？
生：
1、KNO3全部溶解，熟石灰没有全部溶解。
2、浓溶液不一定是饱和溶液，稀溶液也不一定是不 饱和溶液。（幻灯片）浓溶液不一定是饱和溶液，稀溶液也不一定是不饱和溶液。
五、归纳小结：
通过本节课的学习，你有什么收获？
1、饱和溶液、不饱和溶液的概念；
2、饱和溶液与不饱和溶液相互转化的方法；
3、溶液饱和与否跟溶液浓稀之间的关系。
六、巩固练习：
1、判断下列说法是否正确：
（1）在一定温度下，某饱和溶液不能再溶解任何物质。
（2）某硝酸钾溶液在30℃时是饱和的，当其他条件不变，温度升到80℃时，该溶液也一定是饱和的。
2、将一接近饱和的KNO3溶液变成饱和溶液的方法有—————————————。3、20℃时，向含有36克NaCl的136克NaCl饱和溶液中加入4克NaCl，振荡，则所得溶液的质量为——克，溶质的质量为————克，该溶液为的NaCl————溶液。（填“饱和”或“不饱和”）
为心理饱和“瘦身” 篇5
脑子被塞得满满的，好厌倦
宇文: 离高考没几天了，我心里挺烦的。脑子早已被单词、定理、公式塞得满满的，现在一看到试题和课本就觉得很厌倦，根本就看不进任何东西……
七嘴八舌
晓婧: 我都快急死了!每天都坐着不停地写啊，算啊，可脑子像围着铜墙铁壁一样，什么知识都塞不进去。呜呜……
金晓晓: 我的情况比你更严重。一想到就要上考场了，我就很烦躁，莫名其妙地想发火。真不知道什么时候会爆发出来。 My God,我这是怎么了？
宁妩： 想想快乐的事儿吧，看看笑话大全，听听相声，还蛮有用的！
凡凡: 呵呵，我发现自己是最冷静的一个。烦躁时，我就深呼吸几下,看看窗外，感觉自己平静下来了,才回到桌前继续复习。
支招
古话说：“十年寒窗苦”，仔细算算，同学们的寒窗生涯已经超过十年了。现在，就要走上考场，即将面对“结果”，同学们的心情可能非常复杂，情绪也不稳定，像宇文、晓婧和金晓晓这种状态的同学可能不在少数。其实，这是心理饱和的一种现象。只要为心理饱和适当“瘦身”，同学们的状态就会好起来。
做化学实验时，将盐加入水中，溶解到不能再溶解时，就会达到饱和状态。同样道理，由于长时间把精力集中在高考复习上，长期处于兴奋状态，同学们本来就已经很累了；当高考真的来临，大家的心理已经承受到了极限，就会觉得烦躁不安、厌倦，提不起精神，甚至想逃避，不想继续下去。
了解了心理饱和的来龙去脉，当务之急，是从心理上调整自己。告诉自己：“十年磨一剑”，人生最重要的时刻到了，我一定要沉住气，不能自乱阵脚；再说了，别的同学其实和我一样紧张，看看同桌每天坐在那儿念念有词的模样就知道了……
复习时，一定要避免时间过长。应经常变换复习内容，可以跨学科变换，也可以在同一学科中变换，还可以按照考试顺序安排学习时间。比如，英语考试安排在下午，复习英语的时间最好也安排在下午，让思维适应考试的节奏，保持良好的应试状态。千万不要强加给自己过重的学习负担，更不要像有的同学那样，为了弥补自己的弱项，连续几天做某一学科的试题，沉浸在一种思维当中，结果厌倦不已。
觉得累了、厌倦了，应该马上停下来休息，做点让自己放松的事情，比如哼哼小曲，眺望一下窗外，闭上眼睛靠着桌子听段舒缓的乐曲。时间以不超过10分钟为宜，以便快速地再次融入学习。同学们还要牢记一点，千万不要开夜车。在这里也给那些抱着“临阵磨枪，不快也光”想法的同学提个醒，熬夜学习的效率很低，会使大脑过度疲劳，直接造成“睡不好也考不好”的后果。
当然，考前遇到的任何问题，都可以向各学科老师，也包括心理老师求助。
过饱和溶液 篇6
采用微细加工技术湿法腐蚀或干法刻蚀硅尖一般来说应满足以下几方面的要求:
(1) 良好的均匀性。采用干法刻蚀技术刻蚀针尖时由于“边缘效应”的影响,使得晶圆边缘部分刻蚀速率与中心部分的刻蚀速率存在一定的差异。各向异性湿法腐蚀技术(如KOH腐蚀)腐蚀硅尖具有良好的纵向(垂直于(100)面)腐蚀均匀性,但是同一针尖的不同快腐蚀面的形成及横向腐蚀速率有一定的差异,使得同一晶圆上不同针尖的直径存在大约±0.5μm左右的偏差,腐蚀终止时针尖直径一般在0～1μm之间。直径较大的硅尖(0.7～1μm)的尖端在随后的低温氧化工艺中不能被完全消耗,从而无法实现纳米尺寸的针尖。
(2) 较大的高宽比。针尖的高宽比是指针尖高度与针座直径的比值。AFM工作于接触模式时,对成像质量起决定作用的是针尖尖端的原子,针形对成像影响不大。而在接触模式和轻敲模式中,要求针形细而长,高宽比大。一般来说,采用各向异性湿法腐蚀技术(如KOH腐蚀)腐蚀所得硅尖的高宽比较小,而干法刻蚀技术可以通过调节工艺参数提高高宽比。
(3) 良好的重复性,特别是要求纵向腐蚀速率与横向腐蚀速率之比恒定。当采用SOI硅片制作AFM探针时,针尖高度与悬臂梁厚度之和等于SOI硅片顶层单晶硅的厚度。如果纵向腐蚀速率与横向腐蚀速率之比波动较大(如KOH腐蚀液的纵向和横向腐蚀速率之比一般在1.6～1.9之间),则硅尖高度与设计值将有较大的偏差,使悬臂梁的厚度也产生一定的波动。由于AFM探针的力弹性系数与梁厚度的立方成正比,因此梁厚度的稍许偏差将使得探针的力弹性系数产生显著地变化。
(4) 对称的针形。采用干法刻蚀技术刻蚀的硅尖是理想的圆锥体;而采用湿法腐蚀技术腐蚀的硅尖一般为八棱锥,但由于各快腐蚀面的腐蚀速率一般并不相同,使得针座各边的长度有一定的差异,针形不对称。
(5) 工艺成本低。商品化MEMS器件除了应具有较高的性能外,其工艺成本也是市场竞争力的关键因素。用于干法刻蚀硅尖的设备(等离子体刻蚀机)和流片费用远大于湿法腐蚀。
总体来看,利用干法刻蚀工艺刻蚀硅尖可以实现较大的高宽比和对称的针形,但影响刻蚀的因素很多,重复性和均匀性较差、工艺成本高,刻蚀技术不易掌握。各向异性湿法腐蚀技术腐蚀针尖具有易于实现、设备简单、优异的纵向腐蚀均匀性等优点,但高宽比小、均匀性差、纵向腐蚀速率和横向腐蚀速率之比低。在各向异性腐蚀剂(如KOH)中添加异丙醇(IPA)可以提高显著提高纵向腐蚀速率和横向腐蚀速率的比值,在较小的掩膜尺寸下实现较高的硅尖,但针尖高宽比有所降低[6]。本工作通过在KOH溶液中添加过饱和的碘(I2),除了可以显著减小了削角速率,在较小的掩膜下腐蚀出高的硅尖外,还发现了一些新的实验现象。
1 实验
实验所采用的原始硅片是4英寸、(100)面、电阻率为3～6Ω·cm的N型硅片。在对硅片标准清洗和热氧化后光刻出直径为18μm的圆型二氧化硅掩膜。然后将硅片置入1∶50 HF溶液中除去自然氧化层。使用恒温水浴加热,腐蚀温度(70±1)℃。搅拌速率为250r/min,以防止反应生成物在硅片表面富集而影响表面的光洁度,并使得腐蚀液温度均匀。
首先采用40%(质量分数,下同)的KOH溶液腐蚀硅尖,经7min腐蚀后硅尖直径达到0.5μm左右,用Dektak 150型台阶仪测得(100)面腐蚀深度(即硅尖高度)为4.95μm。硅尖的高宽比为0.74。针尖为八棱锥型,但针座的八个底边长度不等,如图1a所示。腐蚀过程中硅尖(此时形状为八棱台)的顶面是八边形,但八个边的长度也是不相等的,如图1b所示。另外,横向腐蚀速率和(100)晶面的腐蚀速率之比高达1.77。如此高的削角速率意味着当需要较高的硅尖时需要制作直径很大的掩膜,但掩膜尺寸越大,各个硅尖的八个快腐蚀面从腐蚀开始到相遇的时间偏差越大,最后形成的针尖之间的直径偏差越大。
借鉴凸角保护技术,可通过向KOH溶液中添加饱和异丙醇(IPA)使一些高指数晶面的腐蚀速率下降而明显降低腐蚀液对凸角的削角速率[7,8,9],从而减小横向腐蚀速率和纵向腐蚀速率的比值。实验中IPA和KOH的比例为KOH∶IPA∶H2O=51g∶16.8g∶76.5g。经过16min的腐蚀,顶面的直径被削减至0.5μm左右,(100)面腐蚀深度为10.71μm。硅尖高度是40%KOH溶液中腐蚀所得硅尖高度的2.15倍。横向腐蚀速率和纵向的(100)晶面的腐蚀速率之比为下降到0.82。但是针尖的高宽比却降低为0.52。针尖仍为不对称八棱锥型,腐蚀过程中硅尖的顶面仍是不等边八边形(如图2所示),晶圆上不同针尖的直径也存在大约±0.5μm左右的偏差。
为了达到改善针尖腐蚀的均匀性、提高高宽比及纵、横向腐蚀速率的比值,尝试改变添加剂种类及浓度以获得理想的针尖。经过大量实验发现在1L40% KOH溶液中加入1mol 碘(I2)和2mol碘化钾可以获得较为理想的效果。经过28.5min的腐蚀,硅尖尖端的直径被削减到0.5μm左右,(100)面腐蚀深度(针尖高度)为8.58μm。横向腐蚀速率和(100)晶面的腐蚀速率之比为1.02。稍高于含饱和异丙醇(IPA)的KOH溶液,但显著低于40%KOH溶液。
2 结果与讨论
观察图3a所示的硅尖的形状可以发现:采用含饱和碘单质的KOH溶液所腐蚀的硅尖的形状异于常规的不对称八棱锥,而是正四棱锥,并且在锥顶上有一半锥角很小的“火箭尖”,而其他腐蚀液腐蚀的硅尖一般为不对称的八棱锥。这种带有“火箭尖”形状的硅尖用于制作隧道式传感器时可望具有很好的场发射特性,而用于制作AFM探针时可以获得极为优异的扫描特性和极为清晰的扫描图像。
采用含饱和碘单质的KOH溶液的另一个优点是腐蚀均匀性有一定提高,利用超景深三维显维系统(最大放大倍数可达5000)测试结果表明针尖直径偏差小于±0.3μm。针尖直径偏差也可以从腐蚀过程中针尖顶部(如图3c所示)的形貌与图1b和图2的对比得证。各种腐蚀液的腐蚀特性见表1。
3 结论
(1)所腐蚀的硅尖是正四棱锥,并且在锥顶上有一半锥角很小的“火箭尖” 。
(2)这种腐蚀液具有较好的腐蚀均匀性和较小的削角速率,可以在直径较小的掩膜下获得高的针尖。
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过饱和铝酸钠溶液种分过程的研究 篇7
为了提高种分的分解率和得到合适的产品, 人们研究了各种添加剂对种分过程的影响, 并为强化分解过程寻找合理的途径[2~6]。由于颗粒表面包裹着液层, 如果加入能够引起颗粒表面疏水的添加剂, 则不仅可以促进附聚的发生, 也可以加速晶体的生长和二次成核。
陈文汨[7]等人研究了一种结晶添加剂对种分过程的影响, 研究表明它能降低二次成核过程临界成核半径, 加快二次成核、附聚过程中细粒子之间的附聚, 减少溶液中的细粒子数, 加速溶液中氢氧化铝的析出, 提高产率。赵苏等人研究表明:在铝酸钠溶液的晶种分解过程中, 加入一定量的不饱和脂肪酸型阴离子表面活性剂, 可以强化分解过程, 使溶液的分解率得到提高[8];同时能提高产品氢氧化铝的质量, 使氢氧化铝的粒度增大, 强度提高。向铝酸钠溶液中加入一定量的铝盐, 如Al F3、Al Cl3、Al2 (SO4) 3、K2SO4·Al2 (SO4) ·24H2O[9]和铁盐, 当其中添加量达到或超过溶液中的氧化铝含量的1%时, 可促进铝酸钠溶液分解。
本文研究了表面活性剂对铝酸钠溶液晶种分解过程的影响, 着重研究不同阴离子型、非离子型表面活性剂及其添加量对铝酸钠溶液分解率影响的研究。
1 实验
采用工业Al (OH) 3和Na OH在不锈钢桶中加热溶解的方法配制铝酸钠溶液, 晶种为工业Al (OH) 3, 实验规格为1升, 采用程序控制降温制度。在规定时间取样, 经离心分离, 用滴定法分析溶液中的Al2O3、Na2Ok浓度, 并计算分解率。
2 结果与讨论
2.1 阴离子型表面活性剂对晶种分解过程的影响
实验研究了阴离子型添加剂种类、添加剂浓度对铝酸钠溶液分解过程的影响, 并将分解过程的分解率与反应时间的关系绘于图1~2中。
由图1可见, 反应前0~8h内反应较为稳定, 分解率提高的较为缓慢。在8h加入添加剂A、B后分解率显著提高, 在反应进行8~25h间分解率显著提高, 分别相对空白样分解率提高2%和3%。
由图2可以看出, 表面活性剂E对铝酸钠溶液的分解率有明显影响, 分解率随着表面活性剂添加量的增加而提高。添加量不足70mg/L时, 溶液分解率有所下降;当添加剂加入量140mg/L时, 分解率比空白提高8%左右。若添加量继续增加, 分解率提高并不明显。
(Al2O3=231.7g/L, αk=1.33)
2.2 非离子型添加剂对晶种分解过程的影响
实验研究了非离子型添加剂种类、添加剂浓度对铝酸钠溶液分解过程的影响, 并将分解过程的分解率与反应时间的关系绘于图3~4中。
由图3可见, 反应前0~8h内反应较为稳定, 分解率提高的较为显著。在8h加入添加剂C、D后, 分解率较空白样分别显著提高。在反应进行8~66h间分解率稳定提高, 在分解终点提高幅度较大。添加剂C、D分别使分剂率2%和8%。
(Al2O3=170g/L, αk=1.33)
由图4可知, 表面活性剂F对铝酸钠溶液的分解率有明显影响。当添加剂加入量为3.57mg/L时, 分解率比空白提高18%左右。当添加剂加入量为4.30mg/L时, 分解率比空白提高10%左右。总的看来, 随着表面活性剂添加量的增加, 铝酸钠溶液的分解率也会随之提高。当添加量增大到一定值时, 分解率将不会继续提高。
2.3 表面活性剂在晶种分解过程中的作用机理探讨
由于氢氧化铝颗粒表面带正电荷, 在铝酸钠溶液种分过程中添加适当的阴离子表面活性剂, 不仅可以强化铝酸钠溶液的晶种分解过程, 还可提高Al (OH) 3产品粒度和强度。由于阴离子表面活性剂的有效官能团荷负电, 它加入铝酸钠溶液后必然同溶液中的氢氧化铝粒子相互作用, 从而影响铝酸溶液的分解过程。
非离子表面活性剂在水溶液中不电离, 其亲水基主要由具有一定数量的含氟基团 (一般为醚基和羟基) 构成, 非离子表面活性剂含有的亲水基可能与Al (OH) 4-发生螯合, 而促使Al (OH) 4-分解析出。
在铝酸钠溶液种分过程中, 氢氧化铝晶种表面带正电荷, 因此, 氢氧化铝表面紧密吸附着带负电荷的OH-, 形成双电层结构, 在溶液中, OH-离子又水化, 形成体积更大的水化离子, 所以每个氢氧化铝粒子都是一个带负电荷的大胶团, 胶团离子互相排斥, 析晶困难。当入阴离子表面活性剂后, 反离子进入滑动面, 压缩双电层, 使ζ电势减小, 胶粒易于聚沉, 从而提高分解率。当添加剂浓度不足100mg/L时, 分解率提高不明显甚至有所下降, 主要是表面活性剂用量不足, 氢氧化铝粒子表面没有完全被有机物覆盖, 导致晶种表面既有OH-离子, 同时又吸附有机酸根离子, 空间位阻加大, 有效碰撞次数减少, 不利于晶体的析出。
3 结论
1) 在添加表面活性剂A、B、C和D后分解率都有不同程度的提高。在8h加入添加剂A、B后分别相对空白样分解率提高2%、3%, 添加剂C、D分别使分剂率2%、8%。
2) 随着阴离子表面活性剂E的添加, 溶液的分解率也会随之提高。添加量不足70mg/L时, 溶液分解率有所下降;当添加剂加入量140mg/L时, 分解率比空白提高8%左右。若添加量继续增加, 分解率提高并不明显。
当非离子表面活性剂F加量增大到一定值时, 分解率将不会继续提高。当添加剂加入量为3.57mg/L时, 分解率比空白提高18%左右。当添加剂加入量为4.30mg/L时, 分解率比空白提高10%左右。
摘要：对过饱和铝酸钠溶液种分过程进行了实验研究。研究以不同添加剂对铝酸钠溶液分解率的影响规律。结果表明:在相同实验条件下, 阴离子表面活性剂A、B可使分解率提高3%左右;非离子表面活性剂C、D可使分解率提高2%～8%左右。当阴离子表面活性剂E添加量为140mg/L时, 分解率可提高5%左右;当非离子表面活性剂F添加量为3.57mg/L时, 分解率提高18%左右。
关键词：铝酸钠溶液,晶种分解,表面活性剂,分解率
参考文献
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过饱和溶液 篇8
尽管2007年《考试大纲》中已删去“掌握有关物质溶解度的简单计算”这一考点, 但并不意味删去与溶解度有关的其他知识点.如饱和溶液中加入溶质或加入能与溶剂反应的物质伴随产生的现象等相关知识同样应该引起大家重视, 现将一些常见的饱和溶液这一类问题归纳如下.
一、饱和溶液中加入溶质
若溶质从溶液中析出时不带结晶水, 则原溶液的质量、浓度及各种离子浓度不发生变化, 析出晶体质量等于加入溶质质量.如在一定温度时向足量饱和的NaCl溶液中加入0.1 g NaCl, 析出晶体质量还是0.1 g.
若溶质从溶液析出时带结晶水, 则原溶液质量减少, 浓度及各种离子浓度发生变化.
例1 在一定温度下, 向足量的饱和Na2CO3溶液中加入1.06 g 无水Na2CO3搅拌后静置, 最终所得晶体的质量是 ( )
(A) 等于1.06 g
(B) 大于1.06 g, 小于2.86 g
(C) 等于2.86 g
(D) 大于2.86 g
解析:1.06 g 无水Na2CO3加入到饱和Na2CO3溶液中会析出2.86 g Na2CO3·10H2O晶体, 使溶剂量减少, 溶质又可析出, 则实际所得晶体应大于2.86 g.
当然若知道该温度时溶解度, 即可求出上述例题中最终所得晶体质量.具体解法如下:
设析出晶体质量为 m.
100∶S=m×180/286∶[ (m×106/286) -1.06]
解得 m=7579/ (2650-45S) , S表示溶解度.
二、饱和溶液中加入或通入能与溶剂反应的物质
这种情况由于反应消耗溶剂往往都有溶质析出.下面就是常见的两个例子.
例2 当往饱和澄清石灰水中投入金属钠时, 看到的现象是:.
解析:当把钠投入上述溶液中时, 则Na先与H2O反应生成NaOH, 反应的化学方程式:
2Na+2H2O=2NaOH+H2↑ (放出热量)
一方面反应消耗溶剂, 另一方面产生热量Ca (OH) 2的溶解度降低, 这两者都会导致Ca (OH) 2析出.
参考答案:开始时钠先与水剧烈反应, Na浮在水面上, 熔化成小球, 四处游动, 有气体生成, 继而看到石灰水变浑浊.
例3 饱和Na2CO3溶液中通入CO2时现象;原因;反应的离子方程式.
解析:当CO2通入饱和Na2CO3溶液中发生反应:
H2O+CO2+Na2CO3=2NaHCO3↓
反应的发生一方面消耗溶剂, 另一方面生成NaHCO3的质量大于Na2CO3的质量, 同时Na2CO3的溶解度大于NaHCO3, 均有利于沉淀析出.
参考答案:有晶体析出;一方面消耗溶剂, 另一方面生成NaHCO3的质量大于Na2CO3的质量, 同时Na2CO3的溶解度大于NaHCO3, 均有利于沉淀析出;离子方程式:
H2O+CO2+CO
三、其他反应导致饱和溶液温度发生变化
例4 如图1所示, 把试管放入盛有饱和石灰水的烧杯中, 试管中放入几小块镁片, 再用滴管滴入5 mL盐酸于试管中.
试回答下列问题:
(1) 实验中观察到的现象是;
(2) 产生上述现象的原因是;
(3) 写出有关反应的离子方程式.
参考答案:
(1) 镁片表面有大量气泡产生;镁片逐渐溶解;烧杯有晶体析出;
(2) 镁与盐酸发生置换反应产生H2, 上述反应为放热反应, 随着反应的进行, 溶液温度升高, Ca (OH) 2的溶解度随着温度升高而减小, 故析出Ca (OH) 2晶体.
(3) Mg+2H+=Mg2++H2↑
四、饱和溶液在洗气中的应用
利用气体在某些饱和溶液中溶解度小, 而杂质气体在饱和溶液中溶解度大从而溶解或杂质气体能与溶质反应转化成需要保留的气体, 最终达到除杂的目的.
如实验室制备Cl2, 收集时利用排饱和食盐水的方法收集, 由于溶液中大量Cl-存在使Cl2解度大大降低, 而HCl极易溶解从而达到除杂的目的.又如CO2中有杂质HCl气体, 可利用饱和NaHCO3溶液除杂, 其原理是CO2在NaHCO3中溶解度小, 而HCl能与NaHCO3反应既能除杂又能增加CO2的量.
甘肃省兰州一中
过饱和溶液 篇9
本文以水均衡原理为基础,建立了考虑饱和带和非饱和带的水均衡模型。该模型以土壤水入渗补给系数α、蒸发衰减系数ε两个参数描述土壤水和地下水之间的转换关系;用特征长度Lc描述渠灌区与井灌区之间的水力联系。该模型具有计算成本低、时间步长大的优点,能准确高效地模拟预测大区域井渠结合区的土壤水和地下水的动态变化。
1水均衡模型
1.1井渠结合控制区水分转化分析
本文建立的水均衡模型将研究区进行以下概化:在水平面上分为渠灌区和井灌区;在垂向上分为根系层、水位波动层和潜水含水层。根系层上边界的水量输入、输出项包括降雨、灌溉、实际腾发量等。降雨和灌溉根据当地的观测资料确定,实际腾发量采用改进的Penman-Montieth[9]公式等方法计算,下边界包括土壤水入渗补给地下水的土壤渗漏量和地下水通过潜水蒸发补给土壤水的潜水蒸发量,并假设根系层的水分运动仅发生在垂向上,假设水位波动层含水量维持不变;潜水含水层输入水量有渠系入渗补给和土壤水入渗补给,输出水量包括潜水蒸发和井灌区地下水开发量;渠灌区和井灌区之间因水位差引起水量交换,整个井渠结合控制区满足采补平衡。井渠结合控制区的水分转化和均衡模型如图1所示。
图1中:下标q、w分别表示渠灌区和井灌区;I为均衡时段内的灌水量,m3;P为均衡时段内的降雨量,m3;ETa为均衡时段内的实际蒸发蒸腾量,m3;F为均衡时段内土壤水补给地下水的水量,m3;E为均衡时段内潜水蒸发量,m3;EX为均衡时段内水位波动层和潜水含水层的水量交换量,m3;Qqw是均衡时段内因水位差渠灌区补给井灌区的地下水量,m3;Qinq、Qinw均衡时段内渠系渗漏补给渠灌区、井灌区的水量,m3;Q为井灌区的抽水量。
1.2水量均衡控制方程
地下水均衡计算依据质量守恒原理[10],根据井渠结合区的灌溉制度、蒸发蒸腾量、降雨量等水均衡资料,以月为均衡时段,建立井渠结合控制区水量均衡方程。
总水量均衡方程:
根系层水量均衡方程:
水位波动层水量均衡方程:
潜水含水层水量均衡方程:
其中,土壤水补给地下水的水量F采用经验公式:F=α (I+ P);地下水蒸发补给土壤水的水量采用叶水庭提出的指数型公式[11]:E=E0e(-ε)Δ;渠灌区因水位差补给井灌区的水量采用达西定律 :; 渠系入渗 补给地下 水量的计 算采用公式 :, 且井灌区的抽水量等于井灌区的灌溉水量 : Q=Iw。
式中:Δθ为根系层在均衡时段内的含水率变化量;V为根系层体积,m3;μ为给水度;Δh为均衡时段内的水位差,m;A为控制面积,m2;α 是地下水入渗补给系数;E0是水面蒸发量, m3;ε是潜水蒸发衰减系数;Δ 是地下水埋深,m;k是潜水含水层的水力传导系数;Aqw是渠灌区和井灌区交界处的饱和含水层横断面面积,m2;h为均衡时段内的平均水位,m;Lc是渠灌区和井灌区之间的特征长度,m;β是渠系水利用系数;γ是渠系损失水入渗补给系数;δ是渠灌区面积占总控制区面积的比例。
2水均衡模型分析
2.1非饱和带水分均衡验证
(1)非饱和带水分均衡验证分析方法。因目前缺乏详细的野外观测数据,本文首先用HYDRUS模型进行数值模拟实验, 模拟时长为60个月,以最后12个月的模拟结果作为参照数据验证非饱和带水均衡模块的可靠性。分析验证过程为:首先, 对于所选定的非饱和带土壤类型,在灌溉定额为4 500m3/hm2的条件下,利用HYDRUS的模拟分析得到土壤含水量的详细分布,根据数值试验所得到的土壤含水量分布,由均衡模型反求土壤水入渗补给系数α、衰减系数ε值;然后,利用所得到的参数值α和ε,在灌溉定额3 000、6 000m3/hm2条件下,通过分析均衡模型的计算结果与HYDRUS模型得到的土壤含水量和地下水埋深的平均结果,验证均衡模型的正确性,并且分析模型参数α、ε与灌溉定额、非饱和带土壤性质和地下水埋深的关系。若水均衡模型的地下水位和含水量计算结果和与HYDRUS模型所得到的地下水位和含水量输出结果的平均值变化规律一致,并且水均衡模型的计算满足精度要求,则说明水均衡模型非饱和带水分运动模块是合理可行的。
进行数值模拟实验的区域大小为4 m×41 m(长 × 高)。 假设z轴向下为正,地表坐标为0,垂向上土壤分层有两种:1沙壤土(0~2m),沙黏土(2~3m),沙壤土(3~5m),沙土(5~ 41m);2沙黏土(0~2m),沙土(2~41m)。土壤水力参数取HYDRUS软件中的默认值。试验区域的灌溉制度、降雨量、蒸发量采用河套灌区近年来的观测数据。在HYDRUS模型中, 采用van Genuchten[14]描述土壤水分特征曲线,上边界为大气边界和根系吸水,下边界和侧向边界采用隔水边界。
本文用正反分析法[8]反演参数,先分别假定土壤水入渗补给系数α、衰减系数ε的值,通过正演分析得到水均衡模型的地下水埋深和含水率的值及其动态变化,然后将其与数值模拟试验结果相比较,并在一定的取值范围内修改调整α、ε,逐步逼近观测值,找出最优的NRMS值,从而确定参数α 和ε 的取值。 验证过程中,若水均衡模型计算得到的数据和数值模拟试验结果对比的标准化均方根NRMS小于5%,说明水均衡模型的计算满足精度要求。
(2)反演与验证。图2是在非饱和带土壤为沙壤土,灌溉定额为4 500m3/hm2条件下,水均衡模型与HYDRUS模型模拟结果的对比。由图可知,水均衡模型的地下水埋深、含水率的变化规律和Hydrus模型所得到的地下水埋深、含水率输出结果的平均值变化规律一致,且地下水埋深、含水率的标准化均方根NRMS分别是1.01%、0.21%,均小于5%,满足精度要求,且精度较高。识别得砂壤土的土壤水入渗补给系数α的值在作物生育期为0.25、秋浇期为0.35;衰减系数ε的值为1.0。
灌溉定额分别为3 000、6 000 m3/hm2,其余条件不变时, 水均衡模型和HYDRUS模型模拟所得地下水埋深、含水率的动态变化均一致,如图3所示;且灌溉定额为3 000 m3/hm2时,地下水埋深、含水率的标准化均方根(NRMS)分别是0.95%、0.60%,灌溉定额为6 000m3/hm2时,其NRMS分别是2.79%、0.41%,均小于5%,满足精度要求。说明水均衡模型非饱和带水分运动模块是合理可行的,土壤水入渗补给系数 α和衰减系数ε 取值不受灌溉定额影响。
一般认为入渗补给系数和衰减系数水非饱和带土质的不同而异,当取非饱和带土壤为沙黏土时,反演出的土壤水入渗补给系数α的值在作物生育期为0.1、秋浇期为0.3;衰减系数 ε的值为0.95。经验证,在不同的灌溉定额下,水均衡模型和HYDRUS模型输出的地下水埋深、含水率的一致性较好,且标准化均方根均小于5%,满足精度要求。再次证明水均衡模型非饱和带水分运动模块是合理可行的,且和土壤性质无关。
(3)初始地下水埋深对水均衡模型非饱和带水分运动的影响分析。图4是灌溉定额为3 000m3/hm2,初始地下水埋深分别为1、2、3m,其余条件不变的水均衡模型与HYDRUS模型模拟结果的对比。由图可知,水均衡模型和HYDRUS模型输出的地下水埋深、含水率的变化规律一致,且初始地下水埋深为1、2、3m时地下水埋深的标准化均方根NRMS是0.96%、 0.95%、0.97%,含水率的标准化均方根NRMS分别是0.16%、0.60%、0.15%,满足精度要求。说明水均衡模型非饱和带水分运动模块是合理可行的,且不受初始地下水埋深的影响。
综上所述,在不同的非饱和带土壤类型、不同的灌溉定额和不同的初始地下水埋深的条件下,水均衡模型的模拟计算结果和HYDRUS模型的数值模拟实验结果均保持较好的一致性,且计算精度满足要求。说明水均衡模型非饱和带水分均衡分析方法是正确可行的。水均衡模型中土壤水入渗补给系数 α、衰减系数ε取值可以通过土壤含水量的测量结果反求,该参数不受灌溉定额、初始地下水埋深的影响,仅和非饱和带土壤类型有关。
2.2饱和带水分均衡验证
(1)饱和带水分均衡验证分析方法。目前缺乏详细的野外观测数据,本文用MODFLOW模型做数值模拟实验,利用MODFLOW模型模拟分析得到的地下水埋深的详细分布验证水均衡模型饱和带水分运动的可靠性。分析验证过程如下:首先,在饱和带岩性分别为沙土、沙黏土,灌溉定额为4 500m3/hm2的条件下,反演出特征长度Lc值;然后,改变灌溉定额值,验证反演出的Lc取值的正确性,并且分析其和灌溉定额、 饱和带岩性的关系;最后在饱和带岩性为沙土,灌溉定额为3 000m3/hm2的条件下,分别改变初始地下水埋深、井灌区布井方式、研究区域大小,验证Lc取值和它们的关系。综合整个分析验证过程,若水均衡模型的模拟计算结果和MODFLOW模型所得结果的变化规律一致,并且计算精度满足要求,则说明水均衡模型饱和带水分运动模块是正确的。
在利用MODFLOW模型的数值实验中,模拟实验的区域大小为2 000m×333.33m×60m(长×宽×高)。假设z轴向下为正,地表坐标为0,垂向上土壤分层为:沙壤土(0~5m),沙土(5~60m)。沙壤土和沙土的水力传导系数k值分别取1.01 m/d和7.5m/d[13],其余参数取值为MODFLOW软件的默认值。试验区域的灌溉制度、降雨量、蒸发量采用河套灌区近年来的观测数据。MODFLOW模型的上边界有补给项和蒸发项,蒸发项采用ETS1程序包,井灌区有2口抽水井,抽水量的分配方式有两种:1一口井的抽水量占总抽水量2/3,另一口井占1/3;2抽水量平均分配。
(2)反演与验证。如图5所示,在饱和带岩性为砂土,灌溉定额为4 500 m3/hm2,抽水量分配方式1,模型研究区域为2 000m×333m×60m(长×宽×深,下同),渠灌区、井灌区的初始地下水埋深为2m和2.5m的条件下,水均衡模型渠灌区和井灌区的地下水埋深的动态特征和MODFLOW模型所得到的地下水埋深输出结果的平均值一致,且渠灌区和井灌区的地下水埋深的标准化均方根分别是0.51%、1.54%,满足精度要求。识别得特征长度Lc值为模型控制区域总长度的1/3。
改变灌溉定额值,分别取3 000、6 000m3/hm2。水均衡模型模拟结果与MODFLOW模型模拟结果的对比见图6。由图可知,两种情况下,水均衡模型和MODFLOW模型模拟所得渠灌区和井灌区的地下水埋深动态特征一致,且灌溉定额为3 000m3/hm2时,渠灌区和井灌区的地下水埋深的标准化均方根NRMS分别是0.26%、1.38%,灌溉定额为6 000 m3/ hm2时,其NRMS分别是0.77%、0.95%。说明水均衡模型饱和带水分运动模块是合理可行的且特征长度Lc的取值规律不受灌溉定额影响。
模型中饱和带岩性为砂黏土时,反演出的特征长度Lc值同样取为模型控制区域总长度的1/3。经验证,对于不同的灌溉定额,水均衡模型和MODFLOW模型所得到的地下水埋深的动态特征均一致,标准化均方根均小于5%,满足精度要求。 再次证明水均衡模型饱和带水分运动模块是合理可行的且不受地质类型的影响。
(3)水均衡模型饱和带水分运动与其影响因素的关系分析。对水均衡模型饱和带水分运动可能产生影响的有抽水量分配方式、地下水初始埋深和研究区域的大小等因素。表1给出了模型分别在抽水量分配方式2、井渠结合区渠灌区和井灌区的初始地下水埋深为1m和2m、模型研究区域为1 333m ×333m×60m和4 000m×2 000m×60m条件下的水均衡模型和MODFLOW模型的模拟计算结果对比的标准化均方根的值。
%
经模拟计算知,在不同的条件下,水均衡模型渠灌区和井灌区的地下水埋深的动态特征和MODFLOW模型所得到的地下水埋深输出结果的平均值均一致,且水均衡模型和MODF- LOW模型的地下水埋深的NRMS值均小于5%,满足精度要求。这些算例均证明水均衡模型饱和带水分运动模块是合理可行的且特征长度Lc取值不受抽水量分配方式、初始地下水埋深和模型研究区域大小的影响。
综上所述,对于不同的饱和带岩性、不同的灌溉定额、不同的抽水量分配方式、不同的初始地下水埋深和不同的模型研究区域大小,水均衡模型的模拟计算结果和MODFLOW模型的模拟计算结果输出平均值均一致,且计算精度满足要求。说明水均衡模型饱和带水分运动模块是合理可行的。在所研究的地下水开采模式和灌溉排水条件下,特征长度Lc取值不受饱和带岩性、灌溉定额、抽水量分配方式、初始地下水埋深和模型研究区域大小的影响,取值为模型控制区域总长度的1/3。
2.3特征长度Lc物理意义解释
水均衡模型中,因渠灌区和井灌区的水位差而产生的渠灌区补给井灌区的水量用达西定律计算,公式为:
式中:J是水力坡度。
以灌溉定额为3 000m3/hm2,控制区域为2 000m×333m ×60m的MODFLOW模型10月份地下水埋深数据,计算特征长度Lc值为例。井渠结合控制区10月份的地下水水位线如图7所示。
井渠结合控制区中渠灌区和井灌区的交界处在x=1 500 m处,水位曲线在1 500m的切线斜率J=-0.002 82,渠灌区和井灌区的平均埋深分别是58.57 m和56.91 m,所以Lc= (hc-hw)/J=590.93m,即Lc=29.55% ×L。计算所得的有灌溉抽水的7个月份的特征长度Lc值和其占控制区总长度的百分比p见表2。
由表2可知,在有灌溉抽水的月份,特征长度Lc平均值是总长度的1/3,最大可取45.8%,最小可取27.5%。
2.4野外实测数据的模拟分析
野外观测数据来源于文献[14]。灌溉量、降雨量和蒸发量以及地下水埋深和土壤含水率选取1-Apr-97~12-Nov-97时段的数据。研究区域土壤类型主要为黏壤土(38%)和砂壤土(62%)[14],本文非饱和带参数土壤水入渗补给系数α在作物生育期为0.25、秋浇期为0.35;潜水蒸发的衰减系数ε 的值为1.0。第四系上部的含水层可概化为二层:顶部为黏质粉砂,厚度一般小于20 m,下部为细砂承压含水层,最大厚度可超过350m,含不连续的黏性土夹层[14],本文将含水层概化为砂土, 特征长度取值与含水层岩性无关,这里特征长度Lc取研究区域总长度的1/3。
取用该实测数据和砂壤土的土壤水入渗补给系数α 和衰减系数ε 取值,利用本文所提出的均衡模型,以月为均衡时段对研究区域进行模拟计算,所得地下水埋深和含水率的动态变化和实测数据由图8所示。总体来说,地下水位埋深和土壤含水量的模拟结果与实测数据拟合良好,但在某些均衡时段内有一定的偏差,主要原因有3个:1文献中4、5月份为融解期,土壤水融化引起土壤水下渗补给地下水,土壤储水量减小而地下水位升高;水均衡模型尚未考虑冻融问题;2实际地下水位和土壤含水量对灌溉和降雨和蒸发的响应较晚,水均衡模型中忽略了这种滞后型;3实测数据中缺少5-8月份的土壤体积含水率,其值是线性差分所得。但是水均衡模型的地下水埋深和含水率与实测数据的整体变化趋势一致,其标准化均方根NRMS分别是4.88%、0.74%,均小于5%,满足精度要求。该算例也说明水均衡模型适用于模拟预测大区域非饱和带- 饱和带的水分运移转化。
2.5水均衡模型计算效率分析
对于模拟大区域的非饱和-饱和水分运移问题,目前常用的数值模拟软件要求的时空步长小,计算效率低,成本太高。 水均衡模型以月为均衡时段,以水均衡原理为基础,模型中控制方程较少,所以在模拟区域非饱和- 饱和水分运移问题时, 在保证较好精度的前提下,耗时短,效率高且计算效率和模拟区域的大小无关。表3中列出了在不同的控制区域大小,相同的初始条件和边界条件下,水均衡模型和HYDRUS模型计算所需的时间、水均衡模型计算效率和HYDRUS模型计算效率比。由表3可知,水均衡模型的计算效率远远高于HYDRUS模型,且随着模型模拟区域的增大,水均衡模型效率高的优势越明显。
3结语
饱和潜水探“龙宫” 篇10
说到潜水，相信大家都不会陌生。如果我们不携带氧气瓶，尽可能深地潜入海中，到底能够潜多深呢？普通人的潜水深度大概只能达到20～30米，受过专业训练的潜水员能达到更深一些，目前人类自由潜水的记录不超过120米。但是，不携带氧气瓶深潜是很危险的事情，深潜不仅会造成人体的缺氧，而且，在潜水时，人体需要承受极大的压力，潜水深度每超过10米，压力就增加1个大气压。下潜到300米深时，人体要承受30个大气压，差不多相当于一个人身上压了8只大象！这可真要命，所以，潜水完毕后，潜水员必须得减压。常规潜水60米水深下，潜水员工作30分钟就必须出水进入减压仓，进行长时间减压，不然，在高压下溶解进潜水员身体内的惰性气体会残留在身体组织中，造成严重的减压病，甚至危及潜水员的生命。
啥是饱和潜水
前面我们说了，潜水员进行一次潜水后，要花费大量的时间进行减压，这大大影响了工作效率。饱和潜水的技术解决了这个难题。这种方法是20世纪50年代在美国提出的。人们通过研究发现，如果人在高压的条件下待上一段时间后，人体内各组织体液中所溶解的惰性气体就会达到饱和程度，来适应高压环境。这时只要压力不变，即使停留的时间增加，惰性气体含量也不会再改变了。根据这一发现，潜水员在海洋的某个深度工作一段时间后，不必匆忙回到海面上来减压，他可以继续在海中待下去，直到工作干完后再返回海面，进行一次减压就行了。这种潜水方法就叫做“饱和潜水”。
300米深海之旅
“蛟龙号”已经完成水下7000米深潜，为什么还需要人直接下深海潜水呢？与深潜器相比，饱和潜水成本较低，灵活方便，可以广泛应用于失事潜艇救援、海底施工作业、水下资源勘探、海洋科学考察等军事和民用领域。
下水深潜前，潜水员们要先到生活舱里加压。生活舱里模拟深海的环境，舱里加压形成高压环境，潜水员在舱里呼吸的气体是氦气和氧气的混合气体。根据潜水的深度和压力，混合气体的配比和加压时间都会有所调整。在生活舱里，因为潜水员不能吃硬的食物，因为可能会造成牙齿损伤；也不能吃黄豆等容易放屁的食物。生活舱里保持着38～40摄氏度的温度，因为潜水员潜水时会穿“热水服”，流动着热水的水管密布在衣服各处，不停地给潜水员加热，保持潜水员的正常体温。经过一段时间的生活舱生活之后，饱和潜水开始了，搭载着潜水员的潜水钟被放到海里，胡建、管猛、董猛3名潜水员相继从潜水钟里钻出，像鱼儿一样，游到了300米深的海里。
目前人类能够潜水的深度已达到了600多米，但想要实现人类在海底“龙宫”的最深处自由行走的梦想，还需要深潜技术的不断进步才行。同学们，看了我国潜水员的壮举，你是不是对潜水也产生兴趣了呢？不过潜水是一项非常专业、要求非常高的活动，必须经过严格的训练，取得潜水许可证才行。大多数潜水指导团体规定，取得潜水证书的最低年龄为12岁。所以如果你对潜水有兴趣，到了合格的年龄，不妨去学习吧，说不定你就是下一个中国深海潜水员。
过饱和溶液 篇11
管道是输送石油和天然气的有效方式,埋入地下的管线钢在使用过程中长期与土壤接触,外部难免会遭受到不同土壤的腐蚀。因此,为了减少管道因腐蚀而造成的运行风险,必须对管道进行防护,而阴极保护和有机涂层联合使用是目前最有效的管道腐蚀防护方式[1]。
在对管道实施阴极保护时,施加合适的阴极保护电位不仅可以明显地降低管线钢的腐蚀速度,也可很大程度上降低防护成本。而对于阴极保护电位的确定,有些是依靠经验选用比自腐蚀电位大约负0.3 V的电位值作为最佳保护电位值[2],有些是根据相应规范进行确定的,如“埋地钢质管道阴极保护技术规范”(GB/T 21448-2008)”中就规定,管道阴极保护电位应为-0.850 V[相对于饱和硫酸铜参比电极(CSE)]或更负,但不能比-1.200 V(vs CSE)更负[3]。显然,该规范规定了阴极保护电位的范围,但对于具体的管道-土壤环境体系来说,-0.850 V(vs CSE)[约为-0.775V(vs SCE)]是否有最佳的保护电位、在该电位下是否能达到最佳的保护效果尚不能确定。因此,针对具体的腐蚀体系还需要采用其他方式来进行测试和确定。
目前,阴极极化曲线和失重法是实验室最常用的确定阴极保护电位的方法,而随着电化学技术的发展,电化学阻抗也被应用到其中,如张国虎等利用电化学极化方法,研究了X80钢在不同p H值Na Cl溶液中的阴极保护电位[4],得出当溶液p H=9时,其最佳保护电位为-0.900 V(vs SCE)。前述研究中,-0.900 V(vs SCE)和-0.775 V(vs SCE),哪个电位对X80管线钢在库尔勒土壤体系中表现出更优的腐蚀防护效果,还有没有更合适的保护电位?目前还鲜有相关文献报道。本工作以此为研究目的,通过阴极极化曲线和电化学阻抗技术,开展了X80管线钢在库尔勒土壤的水饱和溶液中阴极保护电位的研究,以其对现场实际操作提供指导和参考,并考察应用电化学阻抗技术确定阴极保护电位的可行性和准确性。
1 试验
1.1 试验材料及腐蚀介质
试验材料为西气东输现场使用的X80管线钢,其化学成分见表1。腐蚀介质为新疆库尔勒地区地下1.5m左右的实际土壤,其理化性质见表2。将土壤碾碎、烘干及过筛后,按照土壤∶去离子水=2.5∶1.0(质量比)配制土壤的水饱和溶液。
1.2 阴极极化曲线和电化学阻抗谱测试
试验过程中选用尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的X80管线钢为电化学测试试样,试样背面引出铜导线,用环氧树脂将其包封在聚四氟乙烯中,由2273电化学系统完成测试。测试采用三电极体系,X80管线钢为工作电极,铂片为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极(文中无特殊说明之处的所有电位均相对于SCE而言),溶液体积约为200 m L。测试时首先将工作电极在-1.3 V下预极化3 min,以去除试样表面在空气中形成的氧化膜。测试阴极极化曲线时,从相对于开路电位+0.15 V的电位开始以0.5 m V/s的扫描速率向阴极电位方向扫描,当电位约达到-1.3 V时结束测试。
电化学交流阻抗测试在Ecorr和不同的外加阴极电位下进行,交流扰动电压幅值为10 m V,测量频率范围为1.0×(105~10-2)Hz,采用ZSimp Win阻抗分析软件对交流阻抗数据进行数值拟合。
1.3 浸泡失重试验
浸泡失重试验选用尺寸为30 mm×20 mm×4 mm的X80管线钢试样,表面钻一小孔并引出铜导线,且将接触部位用密封胶密封,待干燥后对试样用砂纸从120号逐级打磨至1 500号,然后用无水乙醇清洗,去离子水清洗后吹干待用。将打磨好的试样放入配制好的库尔勒土壤水饱和溶液中,并施加一定的阴极极化电位,然后置于25℃恒温水浴锅中,浸泡120 h后取出,观察腐蚀形貌,测试腐蚀后的试样质量,计算腐蚀速率和相应的保护度η,其计算方式为:
其中η———保护度,%
v0———自腐蚀电位下的腐蚀速度,mm/a
v1———不同阴极极化电位下的腐蚀速度,mm/a
2 结果与讨论
2.1 阴极极化曲线
图1为X80管线钢在新疆库尔勒土壤水饱和溶液中的阴极极化曲线。可以看出,随着阴极极化电位的负移,阴极电流密度逐渐增大。具体来说,当极化电位从腐蚀电位逐渐负移到-0.860 V时,即OA段,电流密度逐渐增大,X80管线钢表面发生吸氧反应[见反应式(2)],阴极反应主要由氧离子化的反应速度所控制[5];当阴极电位继续负移动-0.860~-0.980 V范围时,即AB段,电流密度随电位负移而变化不大,出现了极限扩散电流密度,表明此时吸氧反应由电化学控制转变为氧的扩散过程所控制;当极化电位继续负移到-0.980 V以下时,即BC段,阴极开始发生析氢反应,即发生了水的还原[见反应(3)式],并且电位越负,氢气的析出速度越大。
该土壤水饱和溶液的p H值约为9.1,且该溶液没有进行除氧处理,在此试验条件下,溶液中的去极化剂主要是溶液中的溶解氧。根据阴极保护的基本原理,要想使X80管线钢得到有效保护,就要保证溶液中的溶解氧一旦扩散到电极表面,立即被外加的阴极电流还原掉,才能使金属的腐蚀速度降到最小。因此,根据阴极极化曲线所获得的氧的极限扩散电流密度下所对应的电极电位范围,就可以大致确定最佳的阴极保护电位[6],但通过极化曲线所确定最佳的保护电位是比较模糊的。结合本文中的极化曲线图,可以大致确定X80钢在库尔勒土壤水饱和溶液中的阴极保护电位范围约为-0.860~-0.980 V。
2.2 电化学阻抗谱
根据阴极极化曲线的测试结果,结合阴极保护的相关规范可知[3],阴极保护的电位一般为-0.775 V,因而实验室选择在自腐蚀电位、-0.775~-1.075 V范围下进行电化学阻抗谱电位测试,每隔50 m V增加一个测试点,结果见图。
由图2a可以看出,当外加电位为-0.775 V和-0.825 V时,Nyquist谱上没有出现Warburg阻抗特征,只存在一个容抗弧,表明电化学极化控制着阴极反应过程;当外加电位从-0.875 V变化到-1.025 V时,Nyquist谱则由容抗弧和Warburg阻抗组成,表明在此电位区间,氧的扩散过程控制着腐蚀反应;当电位继续负移到-1.075 V时,Warburg阻抗特征再次消失,表明此时的电极反应过程又转化为电化学极化控制,结合阴极极化曲线可知析氢反应开始(或已经)发生。因此不难看出,电化学阻抗谱所反映出的腐蚀特征与极化曲线所反映的腐蚀规律是吻合的,但由电化学阻抗所确定的阴极保护电位范围比极化曲线所得到的电位范围更为准确,且更为快捷。
对不同电位下的Nyquist谱进行电化学参数拟合,其中,对自腐蚀电位、外加电位为-0.775,10.825,-1.075 V时的Nyquist谱采用Rs(QRct)等效电路图进行拟合;对于外加电位为-0.875~-1.025 V时的Nyquist谱,由于出现了Warburg特征曲线,采用Rs(QRctW)等效电路图进行拟合。其中,Rs表示溶液电阻,Q表示金属和溶液间的双电层电容,Rct表示电荷转移电阻,W表示扩散过程的Warburg阻抗。
由于Rct反映了腐蚀过程中电荷穿过电极和电解质溶液界面的难易程度,而这个过程又是电化学腐蚀时必然发生的步骤,因此该参数是表征耐蚀性能的一个重要参数。一般来说,Rct数值越大,耐蚀性能越好,因而,对Nyquist曲线进行拟合以后可以求得不同电位下的Rct值,Rct随阴极极化电位的变化关系见图4。从中可以看出,当对X80管线钢施加阴极电位进行保护时,在各个电位下的电荷转移电阻Rct均大于自腐蚀电位下的,表明外加电流的阴极保护方式起到了保护作用。具体来说,当外加电位从自腐蚀电位逐渐移动到-0.875 V时,其Rct值逐渐增大,当电位继续负移,Rct开始减小,表明在-0.875 V电位下,X80管线钢在库尔勒地区土壤饱和溶液中发生腐蚀时,反应阻力最大,耐蚀性最好。拟合结果表明,此时的Rct约是2 781Ω·cm2,而自腐蚀电位时的Rct约是510Ω·cm2。当外加电位为-1.025 V时,Rct为894Ω·cm2,该数值比自腐蚀电位下的稍大一些;当电位为-1.075 V时,Rct为583Ω·cm2,与自腐蚀电位时的Rct值相接近,表明此外加电位下对X80管线钢的腐蚀防护作用已经很小。
2.3 浸泡失重
极化曲线和电化学阻抗曲线的测试结果均已表明,X80管线钢在库尔勒水饱和土壤溶液腐蚀体系的保护电位约在-0.825~-1.025 V内,且-0.875 V时的保护效果可能最佳。为了验证该快速确定保护电位方法的可靠性,实验室又通过浸泡失重试验测试了不同保护电位下X80管线钢的腐蚀速率,并计算相应电位下的保护度。图5为不同极化电位下X80钢的保护度η,可以看出,当外加极化电位为-0.875 V时,腐蚀速率最低,保护度最高;当电位负移到-0.925 V和-1.025 V时,保护度呈下降趋势。失重方法也表明,-0.875 V的阴极保护电位对X80管线钢在新疆库尔勒地区土壤中的腐蚀防护效果是最高的,同时也验证了通过电化学阻抗来快速确定阴极保护电位方法的可行性和正确性。
观察自腐蚀电位和不同阴极极化电位下X80管线钢在库尔勒水饱和土壤溶液中腐蚀120 h后的宏观形貌可以看出:在自腐蚀电位下,X80管线钢表面有一浅薄层黄色锈层,而其余保护电位下锈层则并不明显,其中,-0.875 V时X80钢腐蚀最为轻微,表面几乎仍为金属腐蚀前的颜色;-1.025 V时,试样局部表面有微小斑点出现,这可能是由于腐蚀过程中析出了氢气所致。宏观形貌与电化学阻抗所反映的特征相一致。
3 结论
通过电化学阻抗技术快速确定了X80管线钢在库尔勒土壤水饱和溶液中的阴极保护范围约为-0.825~-0.975 V,其最佳保护电位约为-0.875 V。该结果与极化曲线和浸泡失重试验得到的电位相吻合,表明了该方法的可行性和准确性,但实验室模拟土壤环境毕竟与现场实际土壤条件存在着一定的差异性,因而在现场实际应用时,保护电位可能需要进行适当的调整。
摘要：目前,选取何种阴极保护电位可实现X80钢在库尔勒土壤体系中的最佳保护效果尚无文献报道。为此,通过阴极极化曲线确定了X80管线钢在库尔勒土壤水饱和溶液中阴极保护电位的大致范围;再借助电化学阻抗技术,考察了不同电位下X80管线钢在该土壤溶液中的Nyquist曲线,并根据电荷转移电阻的拟合结果确定了最佳的阴极保护电位,并通过浸泡试验进行了验证。结果表明:X80管线钢在库尔勒土壤水饱和溶液中的阴极保护电位范围约为-0.825~-0.975 V(vs SCE,下同),而最佳的阴极保护电位约为-0.875 V,此时保护度可达86%。电化学阻抗技术可以快速确定管线钢的阴极保护电位范围,且比极化曲线更为准确。
关键词：X80管线钢,电化学阻抗谱,阴极保护,库尔勒土壤
参考文献
[1]Kim C M,Kim W S,Kho Y T.The effects of hydrogen embrittlement by cathodic protection on the CTOD of buried natural gas pipeline[J].Metals and Materials International,2002,8(2):197~202.
[2]吴继勋,傅争光,张普强,等.用交流阻抗技术确定船用钢的最佳阴极保护电位[J].中国腐蚀与防护学报,1989,9(2):161~164.
[3]GB/T 21448-2008,埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].
[4]张国虎,龚敏,唐强,等用电化学方法研究X80管线钢的阴极保护参数[J].腐蚀与防护,2011,32(11):868~871.
[5]林玉珍,杨德钧.腐蚀和腐蚀控制原理[M].北京:中国石化出版社,2012:103.
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