岩溶隧道排水管结晶堵塞除垢试验及数值模拟研究

岩溶区隧道渗水的总硬度和溶解性总固体含量较高且渗入量大,隧道排水管普遍存在结晶堵塞现象,从而引发一系列隧道病害问题,严重威胁隧道的建设及运营安全,迫切需要开展针对性的除垢技术研究。以某岩溶区隧道排水管道结晶堵塞现象为原型,针对岩溶管道堵塞进行水动力冲刷除垢设计并开展室内试验,同步构建考虑水动力冲刷过程的变边界管道水动力除垢数值模型,通过试验数据拟合,验证了模型的适用性和可靠性。结果表明,变边界管道水动力除垢数值模型能定量模拟冲刷除垢过程,初期冲刷效果较好,随着时间的推移,冲刷率逐渐降低至稳定的低值,有效冲刷面积达64%,该研究可为现场开展管道结晶堵塞水动力冲刷除垢提供理论支撑。

岩溶管道结晶堵塞水动力-化学反应耦合模拟对比研究

岩溶隧址区含水层内的高矿化度地下水渗入排水管道中,由于温压条件的改变,会导致渗流结晶从而堵塞排水管道。为定量化研究隧道排水系统结晶堵塞过程,本文首次构建了考虑管道水动力场、浓度场和化学反应场耦合的排水管岩溶水结晶堵塞模型,采用动网格和水平集方法定量刻画隧道排水系统结晶堵塞过程,开展模拟对比研究,分析温度、流速和溶液浓度等因素对结晶堵塞的影响程度。结果表明:(1)两种方法均能实现结晶堵塞过程的模拟预测,其中动网格方法建模简单,且求解精度高;水平集方法可追踪拓扑结构的变化,模拟管道完全堵塞的过程;(2)纵管内流速普遍大于横管,横管内CaCO3晶体浓度高于纵管,因此结晶堵塞主要发生于横管中;(3)温度和溶液浓度与结晶速率呈正相关关系,管内流速与结晶速率呈负相关关系。本文构建的考虑水动力-化学反应耦合的结晶堵塞数值模型可为岩溶隧道堵塞早期识别与安全评价提供技术支撑。

铁路隧道排水系统结晶堵塞量化研究

岩溶区隧道排水管道堵塞的早期识别与安全评价是保障隧道安全的关键。为了实现对排水管道结晶堵塞的定量化研究,构建一种考虑“水动力(湍流)-溶质弥散-化学反应”的管道排水结晶堵塞多场耦合数值模型,采用描述移动边界水平集的方法模拟结晶堵塞过程,再借助已有的试验数据对模型进行校正,至30 d时相对误差已减小至6.92%。校正后的模型求解结果表明:(1)30 d时管道内壁结晶层横截面积已占管道横截面积的64%;(2)出口段生成碳酸钙浓度较大且流态变化较为剧烈,管道出口段相较于入口段更容易发生堵塞;(3)温度、流速、溶液浓度的变化均对结晶堵塞有较大影响,通过敏感度分析,表明温度对沉积速率的影响最大,流速对剥蚀速率的影响最大。在实际应用中,可采取局部降温或者增加排水管道内水流流速的方式实现对管道结晶问题的预防及治理。

岩溶区隧道排水系统地下水渗流结晶堵塞机理及阻垢技术研究综述

岩溶地区隧道中存在大量的地下水渗流结晶堵塞排水管道的现象,导致隧道排水不畅,侵蚀隧道衬砌,破坏支护结构,造成隧道变形、涌水、塌方等工程事故。因此,需研究岩溶排水系统地下水渗流结晶堵塞机理,为岩溶隧道地质灾害早期识别与安全评价提供保障。文章在调研大量文献的基础上,综合分析了国内外学者围绕可溶岩化学溶蚀-结晶机理的研究成果,同时基于自主建立的隧道排水管结晶堵塞理想数值模型,分析了排水管结晶堵塞过程及其影响因素,探讨了可能的阻垢工程措施。得到以下认识:(1)影响岩溶隧道结晶堵塞的微观因素包括CO_(2)分压、pH值、温度、应力场、水动力、Ca^(2+)浓度等,低温、低浓度、低流速、酸性环境及低CO_(2)分压的环境,有利于减少隧道结晶沉淀量;(2)当前岩溶隧道排水管道结晶堵塞定量化研究薄弱,经验公式和经典理论未能考虑水动力-化学反应耦合结晶过程。根据这一科学问题的研究现状,下一步应着重开展大尺寸室内结晶试验研究,建立模型试验系统真实模拟实际隧道地下水渗流结晶堵塞过程,并建立管道水动力条件下的岩溶结晶过程数值模型,以期实现场地尺度下隧道堵塞过程的定量刻画与精准防控。

石墨相氮化碳-硫化铋复合膜的染料分离与自清洁性能

随着废水零排放的标准与要求不断深化,高效可持续的膜分离水处理技术成为研究热点,但面临着水通量低、易污染等问题。本研究通过石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))、细菌纤维素(BC)和硫化铋(Bi_(2)S_(3))三者的有机结合,经真空辅助抽滤法制备得到光催化自清洁复合膜。通过一系列表征手段对粉末及膜材料进行物相结构与元素能态分析,研究了g-C_(3)N_(4)和Bi_(2)S_(3)不同添加量对复合膜染料分离性能的影响规律,探讨了两者在光催化下对染料的降解机制。结果表明,60wt%的g-C_(3)N_(4)、10wt%的BC、30wt%的Bi_(2)S_(3)与复合膜的综合性能最佳,水通量和截留率分别为23.48 L·m^(−2)·h^(−1)和100%,长时间过滤中依然保持16.65 L·m^(−2)·h^(−1)的水通量和90%左右的染料截留,在光照下浸泡3 h后通量恢复率达到96.5%,表明了该膜具有良好的光催化自清洁性能。该研究为高通量、可持续分离膜的设计提供了新的思路及基础探索。

岩溶隧道排水管结晶堵塞试验与数值模拟研究

为实现岩溶区隧道排水系统堵塞过程的精准刻画和预警防控,开展了与现场1∶1等比例的排水系统堵管室内试验,探讨了仿真现场水动力、水化学和干湿循环条件下管道结晶沉淀量的变化规律,构建了考虑水动力和碳酸盐岩组分溶解-沉淀化学反应耦合驱动过程的数值模型,结合室内试验数据,对所建立的隧道排水管结晶堵塞模型进行验证。模拟结果表明,随着时间的推移,模拟值与试验观测值之间的误差逐渐减小,至15 d左右,二者拟合决定系数R2为0.67,证明在相对较长时间尺度下,所构建的数值模型在一定程度上能够较好地预测隧道排水管道内的结晶生成过程,模型能为隧道排水系统堵塞问题的防治提供理论指导,进而为岩溶隧道地质灾害的早期识别与安全评价提供保障。

无机纳米材料填充混合基质反渗透膜的研究进展

反渗透是一种以渗透压为推动力,从溶液中分离出溶剂的操作,以能耗低、成本低和环境友好等优势成为了脱盐领域的主流技术,主导着全球海水/苦咸水淡化市场。作为反渗透的核心,反渗透膜仍然存在着水通量、截盐率难以满足日益提升的需求和耐久性不足的问题。以无机纳米材料为基础的混合基质反渗透膜的发展为解决这一难题注入了新的活力,已有较多研究报道。本文综述了现阶段无机纳米填充混合基质反渗透膜的研究进展,重点围绕零维、一维、二维无机纳米、多维纳米复合填充混合基质反渗透膜研究现状与进展、问题与挑战展开讨论。最后,对无机纳米材料填充混合基质反渗透膜的未来研究方向进行了分析与展望。

巯基接枝氧化石墨烯/聚酰胺复合膜制备及反渗透脱盐性能

反渗透膜技术作为脱盐的核心技术,在海水和苦咸水淡化、超纯水制备、污水回水等领域具有广泛应用前景,但其渗透性-选择性之间的"trade-off"效应仍是限制反渗透技术发展的一大挑战。本研究将表面功能化(接枝巯基官能团)的氧化石墨烯(GO)掺入间苯二胺水相溶液中,通过水相间苯二胺和有机相均苯三甲酰氯界面聚合的方法制备出巯基接枝氧化石墨烯(GO-SH)/聚酰胺(PA)反渗透复合膜。利用TEM、SEM、EDS、FTIR和NMR对接枝后粉体进行表征,利用2 g·L^(-1) NaCl水溶液测试膜的脱盐性能,优化了界面聚合水相pH和反应时间的设定。研究结果表明,GO-SH能够更均匀地分散在PA中,优化后的pH为11,反应时间为4 min,当改性后粉体含量为0.09wt%时,复合膜水通量可达48 L·m^(-2)·h^(-1),脱盐率达到99.6%,相较于本实验接枝前纳米材料复合的PA膜分别提高了30%和2.54%。表面功能化的GO有效地解决了无机纳米粒子和有机聚合物的相容性,提高膜脱盐性能,有望进一步降低反渗透项目的运行成本。