（物理電子學專業(yè)論文）鹽溶液及吸附鹽溶液土壤介電特性實驗研究.pdf

北京科技人學碩七學t i ) = 論文 摘要 本文是在國家自然科學基會支持下完成的，旨在研究重會屬離子溶液及吸附重金屬 離子溶液土壤的微波介電特性。以淀粉聚乙烯醇( p o l y v i n y la l c o h 0 1 ) 共混體( 簡稱淀粉 p v a ) 為溶液吸附載體，測量了水及含有c k 2 + 離子的水溶液的復介電常數(shù)，分析了其 復介電常數(shù)與體積含水率之間的關系。制備了不同白“離子濃度的淀粉聚乙烯醇樣 品，測試了4 0 0 7 0 0 m h z 頻段內樣品的介電特性，分析了其復介電常數(shù)與c u 2 + 離子濃 度之日j 的關系。測試結果表明，淀粉聚乙烯醇樣品復介電常數(shù)實部對樣品體積含水率很 敏感，隨含水率呈線性變化，復介電常數(shù)虛部隨吸附溶液c u 2 + 離子濃度升高呈對數(shù)增 加。采集河北香河縣的砂土作為土壤樣本，經過預處理后進行不同體積含水率的水分滲 透，分析了土壤復介電常數(shù)與樣品體積含水率之i b j 的關系，得到了與吸附水的淀粉聚乙 烯醇載體一樣的變化規(guī)律，即土壤復介電常數(shù)實部在3 0 0 7 0 0 m h z 頻段內隨土壤樣品 體積含水率呈線性增長。吸附c u c i ，溶液的土壤樣品實驗中，當土壤樣品密度和體積含 水率保持不變時，在固定頻率點處其復介電常數(shù)只受離子濃度的影響。實驗中土壤樣品 0 2 + 離子濃度增大時，其復介電常數(shù)值虛部也隨著增大，在各個頻率點處對復介電常 數(shù)和仇2 + 離子濃度的變化關系進行曲線擬合，可以得到復介電常數(shù)虛部和 “濃度之 間的關系式。 實驗表明通過測量土壤以及吸附有土壤析出液的介質載體的相對復介電常數(shù)，可以 反映土壤析出液的污染狀況，根據(jù)復介電常數(shù)虛部的變化規(guī)律可以得到地表和地下土壤 污染程度，為土壤污染監(jiān)測提供了可能和實驗依據(jù)，這對于預測和監(jiān)測土壤的污染程度 具有重大意義。 關鍵詞：復介電常數(shù)土壤離子濃度 北京科技人學碩十學位論文 s t u d yo n t h ed i e l e c t r i cb e h a v i o ro ft h es a l i n es o l u t i o n s a n ds o i lc o n t a i n i n gs a l i n es o l u t i o n s a b s t r a c t t h ep a p e rw a ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n t h em i c r o w a v e d i e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so f w m e rs o l u t i o nw i t hh e a v ym e t a li o na n ds o i lc o n t a i n i n gh e a v ym e t a l i o ns o l u t i o nw e r et e s t e d t h ec o m p l e xp e r m i t t i v i t yo f w a t e ra n dw a t e rs o l u t i o nw i t hc u 2 + i o n w e r em e a s u r e d ，i nw h i c hs t a r c h p o l y v i n y la l c o h o lb l e n d ( s t a r c hp v af o rs h o r t ) w a su s e da s s o l u t i o nc a r r i e r , t of i n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e uc o m p l e xp e n n i t t i v i t ya n df r e q u e n c y , i o n c o n c e n t r a t i o n , a n dw a t e rc o n t e n t t h es o l u t i o ns a m p l e sw i t hd i f f e r e n tc u 2 + i o nc o n c e n t r a t i o n w e l et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e a lp a r to f r e l a t i v ec o m p l e xp e r m i t t i v i t yw a ss e n s i t i v e t ot h ec h a n g e si nv o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n to ft h es a m p l e s n e a r l yi n c r e a s i n gl i n e a r l y 、v i t l lt h e c h a n g e so fv o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n to fs a m p l e sw h e nl i n e a rr e g r e s s i o nw a sd o n et ot h ed a t a t h ei i i l a g i n a r yp mo f t h a ti n c r e a s e dl o g a r i t h m i c a l l yw i t ht h ec u “i o nc o n c e n t r a t i o n t h es o i l s a m p l e so ft h ec o u n t yo fx i a n g h ei nh e b e ip r o v i n c ew e l et e s t e di nt h ee x p e r i m e n t t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nv o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n ta n dt h ec o m p l e xp e r m i t t i v i t yo fs o i l w e r e a n a l y z e d ，w h i c hs h o w e dt h es t a t i ca st h es t a r c hp v a c a l t i e rw i t hw a t e r t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h er e a lp a r to f c o m p l e xp e l m i t t i v i t yi n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h ev o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n ti nt h e f r e q u e n c yb a n df r o m3 0 0m h zt o7 0 0 m h z i tw a ss h o w e di nt h ee x p e r i t n e n to f s o i ls a m p l e s w i t hp o r es o l u t i o nw i t h c u c l zt h a tt h ei m a g i n a r yp a r to fc o m p l e xp e r m i t t i v i t yo n l yv a r i e d 謝mi o nc o n c e n t r a t i o nw h e nt h ed e n s i t ya n dv o l t m a e l r i cw a t e rc o n t e n tk e e pc o n s t a n ta ta s p e c i f i c 矗明u c yp o i n t w h e nt h er e g r e s s i o nr e l a t i o n s h i pb c c c w c c nc u “i o nc o n c e n t r a t i o n a n di m a g i n a r yp a r to f c o m p l e xp e r m i t t i v i t yo f s o i ls a m p l e sw a sd o n e , t h ec o n c e m 枷o f lo f s o i l s a m p l e sw i l lc h a r a c t e r i z et h eh e a v ym e t a li o nc o n t a m i n a t i o no f s o i l 。 a ss u c h , i tm a yh a v ep o t e n t i a lf o rd e t e c t i n gi o nc o n t a m i n a t i o ni ns o i lw a t e rs y s t e m a c c o r d i n gt o t h ec h a n g e so fr e l a t i v e c o m p l e xp e r m i t t i v i t y a f t e rm i c r o w a v ed i e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c so fs o i la n ds a m p l e sw i t hp o r es o l u t i o no fs o i lw e r et e s t e d i ti ss i g n i f i c a n tf o r p r e d i c t i o na n dm o n i t o ro f s o i lc o n t a m i n a t i o n k e yw o r d s ：c o m p l e xp e r m i t t i v i t y ，s o i l , i o nc o n c e n t r a t i o n 2 一 獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得 北京科技大學或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與我一同 工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表 示了謝意。 簽名：封邀蒜日期：nv 關于論文使用授權的說明 本人完全了解北京科技大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即： 學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨?布論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論 文。 ( 保密的論文在解密后應遵循此規(guī)定) 簽名：蜮導師簽名：圭l 日期： l 7 s 1 f 北京科技人學碩十學位論文 引言 近年來，由于人口的急劇增長和工業(yè)的迅猛發(fā)展，固體廢棄物的傾倒和堆放量同益 增多，為了減少地面垃圾的堆放，一些大型的城市采取了地下掩埋的方式進行了處理。 這些固體廢棄物的長期存在，在自然雨水以及地表水的侵蝕下，產生的污染水分不斷地 向周圍的土壤以及地下水循環(huán)系統(tǒng)擴散河滲透，導致地表一定范圍內土壤的污染以及地 下水的嚴重污染。土壤、水、陽光和空氣是自然界賦予人類和其他生物生存的生念環(huán)境 的重要組成部分，目6 口世界各國經濟的高速發(fā)展以及城市化進程的進行，導致了我們生 存所依賴的自然生態(tài)環(huán)境的嚴重污染。一般像水、空氣的污染，很快就能夠引起世界各 國環(huán)保部門以及廣大人民群眾的關注，但是土壤的污染卻并沒有得到重視，這是由于土 壤污染引起的不良后果的表征一般會有比較長的潛伏期，短則幾年、幾十年，長則上百 年l 能夠顯現(xiàn)出來。因此，土壤的污染也許不會對目自u 人類的生存和發(fā)展造成影響，但 這將危及到我們人類后代的生存環(huán)境，不利于長期的可持續(xù)發(fā)展。所以，土壤污染的監(jiān) 測和防治將是一項非常重要和具有重大意義的活動。 固體廢棄物的隨意傾倒，工業(yè)有害廢水的排放，大氣中有害氣體和漂浮塵埃隨阿水 的降落，這些都將導致土壤的污染。土壤污染將導致嚴重的直接經濟損失，我國目前尚 無系統(tǒng)全面的資料可查。僅以土壤重會屬的污染為例，我國每年因重會屬污染而減產的 糧食就有1 0 0 多萬噸，被污染的糧食每年也多達1 2 0 0 萬噸，合計經濟損失至少2 0 0 億 元人民幣。由于土壤的污染導致食物品質的下降也是很嚴重的，在我國很多大中城市， 由于城市垃圾的傾倒，導致郊區(qū)土壤都受到了不同程度的污染，從而導致這些土壤生長 的農作物，諸如糧食、蔬菜、水果等的污染，使得這些食物中的鎘、鉻、砷、鉛、汞等 重金屬含量接近臨界值甚至超標。更嚴重的是，這些污染物會在植物體內積累，并通過 食物鏈富集到人體和動物體內，引發(fā)各種難以治愈的疾病，危害人類的健康。在自然界 風力和水力的作用下，地表土壤顆粒會進入到大氣和水中，導致大氣和水體的污染，從 而危及到整個生態(tài)圈的健康。 土壤是植物生長的基地，是動物、人類賴以生存的物質基礎，因此，土壤質量的優(yōu) 劣直接影響人類的生存和發(fā)展。但由于近些年人們不合理的開發(fā)和利用，致使許多污染 物質通過多種渠道進入土壤。當污染物進入土壤的數(shù)量和速度超過土壤的自凈能力時， 將導致土壤質量下降甚至惡化，影響土壤的生產能力。因此，對土壤污染進行監(jiān)測，對 提高土壤的環(huán)境質量和生產能力，保障食品安全以及人類的健康具有十分積極的意義。 北京科技人學碩十學位論文 對于土壤污染的監(jiān)測，世界各國的科學家們相繼提出了各種監(jiān)測辦法。到目前為 止，主要依靠人工采樣，實驗室分析為主，這種方法雖然監(jiān)測精度較高，但需要耗費大 量的人力物力，而且監(jiān)測周期較長，不適宜現(xiàn)場在線測量、快速測量，建立快速、智 能、準確的水土污染檢測系統(tǒng)，用于地下質或水土系統(tǒng)的環(huán)保監(jiān)測，實現(xiàn)水土系統(tǒng)污 染狀況高精度，動態(tài)的，連續(xù)的，無損的實時監(jiān)測，最終實現(xiàn)我國環(huán)境地質監(jiān)測系統(tǒng)的 智能化，網絡化，數(shù)據(jù)化，這將對我國環(huán)保事業(yè)的意義極其重大。本項目旨在研制一套 用于快速監(jiān)測土壤污染的測量系統(tǒng)，在之前的工作中【l 】，測試系統(tǒng)信號獲取部分的到了 很好的研究，在實驗中取得了滿足實驗誤差的數(shù)據(jù)，后續(xù)的人工神經網絡的應用 2 1 ，也 初步驗證了利用復介電常數(shù)測量方法辨別土壤污染的可行性。本論文測量了函a ，溶液 以及吸附c u c l ，溶液土壤的介電特性，分析了復介電常數(shù)和含水率，離子濃度，土壤密 度之問的關系，采用的實驗方法可分別應用于地表土壤及地下土壤的污染監(jiān)中。 北京科技人學碩十學位論文 1 緒論 1 1 課題研究意義及選題依據(jù) 目自u 我國土壤污染的總體形勢嚴峻，已對生態(tài)環(huán)境、食品安全、百姓身體健康和農 業(yè)可持續(xù)發(fā)展構成威脅。主要污染物排放量超過環(huán)境承載能力，流經城市的河段普遍受 到污染，許多城市空氣污染嚴重，酸時污染加重，持久性有機污染物的危害開始顯現(xiàn)， 土壤污染面積擴大，近岸海域污染加劇，生念環(huán)境安全存在隱患。生態(tài)破壞嚴重，水土 流失量大面廣，沙漠化、草原退化j i 口, n ，生物多樣性減少，生念系統(tǒng)功能退化。發(fā)達國 家上百年工業(yè)化過程中分階段出現(xiàn)的環(huán)境問題，在我國近2 0 年來集中出現(xiàn)，呈現(xiàn)結構 型、復合型、壓縮型的特點。環(huán)境污染和生態(tài)破壞造成了巨大經濟損失，危害群眾健 康，影響社會穩(wěn)定和環(huán)境安全。未來1 5 年我國人口將繼續(xù)增加，經濟總量將繼續(xù)高速 增長，資源、能源消耗持續(xù)增加，環(huán)境保護面臨的壓力越來越大。 據(jù)不完全調查，目自u 全國受污染的耕地約有1 5 億畝，污水灌溉污染耕地3 2 5 0 萬 畝，固體廢棄物堆存占地和毀用2 0 0 萬畝，合計約占耕地總面積的1 l o 以上，其中多 數(shù)集中在經濟較發(fā)達的地區(qū)。全國每年因重會屬污染的糧食達1 2 0 0 力1 噸，造成的直接 經濟損失超過2 0 0 億元。土壤污染造成有害物質在農作物中積累，并通過食物鏈進入人 體，引發(fā)各種疾病，最終危害人體健康。土壤污染直接影響壤塵念系統(tǒng)的結構和功 能，最終將對生態(tài)安全構成威脅。土壤污染與每個人的身體健康息息相關，比如糧食中 的重會屬含量、蔬菜中的農藥殘留、飲用水源的安全情況，都會受到土壤環(huán)境質量的直 接影響。但長期以來，我們對全國土壤污染的面積、分布和程度不明確，影響了我國土 壤污染防治措旌的針對性和有效性 3 1 。開展重點區(qū)域土壤污染風險評估與安全等級劃分 已經迫在眉睫。目自口我國主要采取重點監(jiān)控，集中治理的策略。把重污染企業(yè)周邊、工 業(yè)遺留或遺棄場地、固體廢物集中處理處置場地、油田、采礦區(qū)、主要蔬菜基地、污灌 區(qū)、大型交通干線兩側以及社會關注的環(huán)境熱點區(qū)域作為調查重點，按照統(tǒng)一的技術要 求，采集土壤、農產品和地下水等樣品進行系統(tǒng)測試分析，查明土壤污染的類型、范 圍、程度以及土壤重污染區(qū)的空日j 分布情況，分析污染成因。在此基礎上開展污染土壤 風險評估，確定土壤環(huán)境安全等級，建立污染土壤檔案。如何解決好城市發(fā)展和環(huán)境問 題的沖突，是一個亟待研究的重要課題，中國幣面臨著嚴重的環(huán)境污染問題，必須加大 治理和監(jiān)測力度。建立快速、智能、準確的水土污染檢測系統(tǒng)，對我國環(huán)保事業(yè)的意義 及其重大。 北京科技人學碩士學伉論文 我國在水土污染檢測方面的研究，到目前為止，主要依靠人工采樣，實驗室分析為 主。利用短路同軸線復介電常數(shù)測量方法，可以研制一套用于地下土質或水土系統(tǒng)的環(huán) 保監(jiān)測傳感系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高精度，動態(tài)的，連續(xù)的，無損的實時監(jiān)測。根據(jù)微波測濕 法的原理，利用所研制的短路同軸線采集土壤樣品反射的電磁波信號，探測被測介質復 介質常數(shù)變化，使用專門設計的自動網絡分析系統(tǒng)和微型計算機進行數(shù)掘處理，分析復 介電常數(shù)受眾多環(huán)境因素影響引起的土壤物理化學性質和力學性質的變化，從而實現(xiàn)對 地下環(huán)境變化的檢測。和傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比，短路同軸線復介電常數(shù)測量法以其耗用 時| 1 日j 短，長期實時動態(tài)監(jiān)測，方法簡單，效率高，費用少，易于實現(xiàn)網絡化智能化的特 點而有更大的優(yōu)越性和推廣價值，因此短路同軸線復介電常數(shù)測量方法將是對水土污染 監(jiān)測的一個很好的補充和發(fā)展。 1 2 國內外進展 據(jù)美國2 0 世紀8 0 年代末的統(tǒng)計資料，美國有污染場地5 2 0 0 0 個，其中的7 5 已對 地下水構成污染，處置這些污染場地的費用占當時美國年國民生產總產值的1 0 ?，F(xiàn)在 美國對環(huán)境地質污染建立了多種監(jiān)測體系，例如在地下水污染防治中起重要作用的地下 水監(jiān)測網。美國對監(jiān)測網、監(jiān)測項目和技術作了研究，并取得了很好的成果。美國東郁 的大西洋城和邁阿密曾通過監(jiān)測井網絡資料，發(fā)現(xiàn)受污染地下水正緩慢流向城市供水 井。大城市一般都建立了三級監(jiān)測網，用于不同的監(jiān)測目標。2 0 多年來，地下水污染 物探技術以其良好的勘查效果，以及速度快、成本低、不破壞地質環(huán)境的優(yōu)點，得到水 文地質學家和環(huán)保工作者的認可。到目前為止，國外已成功地將電法、電磁法、地震、 磁法、微重力、探地雷達和測井技術用于地下水污染的調查與監(jiān)測。 日本在這方面則建立了水質環(huán)境污染的自動監(jiān)測儀器。水質自動監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛應 用在公共用水水域的水質污染的經常性監(jiān)視中，水質自動監(jiān)測可以自動、連續(xù)得到多項 目的數(shù)據(jù)，定期定點監(jiān)視，可以有效地把握水質異常、水質及污染負荷量等的變化特征 和水污染物排放總量控制的情況。因此，水質自動監(jiān)測系統(tǒng)成為公共用水水域的水質經 常性監(jiān)測的極為有效的手段。另外，水質自動監(jiān)測還可以與定期定點監(jiān)視結合，形成極 為詳細的監(jiān)測體制，根據(jù)調整水質自動監(jiān)測的配置狀況，可以把握大范圍水質污染狀 況，把從水質自動監(jiān)測站得到的數(shù)據(jù)通過計算機處理，處理結果作為該地區(qū)的公共用水 水域的水質污染狀況向公眾發(fā)布；或者，作為制定該地區(qū)的水質改善計劃基礎資料來使 用。目前，r 本的水質自動監(jiān)測的設置主要在河流、湖泊和近海海域。 面對同益嚴重的環(huán)境問題，中國近年來也加強了對環(huán)保方面的研究，環(huán)保是一項牽 涉極廣的復雜的系統(tǒng)工程，不僅需要各種法律條令的健全，而且還要求眾多高新技術的 l 京科技人學碩十學位論文 綜合使用，此外還要求全民環(huán)保意識的增強，總的來說應該以監(jiān)測和預防為主，同時也 要深入研究各種污染物的合理再利用的相關問題。目前，國內已建立了眾多的監(jiān)測點， 并在局部地區(qū)實現(xiàn)了監(jiān)測的網絡化，采用了多種方法。還建立了水資源環(huán)境保護自動監(jiān) 控區(qū)域網，在某一局部地區(qū)實現(xiàn)對水質采樣后的數(shù)據(jù)聯(lián)網處理。另外，國內各種學術期 刊也一直在探討更簡單有效的監(jiān)測手段，近年來的部分研究成果如：土壤污染及其防 治，對城市積存垃圾處理項目的建議，環(huán)境污染及其防治，用于市政污水的排放監(jiān)測、 地表水的水質監(jiān)測、食品加工行業(yè)和飲料行業(yè)污水的排放監(jiān)測的l x w a - o 分析儀， t w 一6 0 0 0 水質連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，z h 2 5 2 1 型污染源二氧化硫在線自動監(jiān)測系統(tǒng)等等。 這些科研成果及方法對一些地表水關鍵地段的污染控制以及污水處理廠的過程控制，以 及某些污染排放口的在線連續(xù)監(jiān)測起到了很好的效果。 目前都只是對單純的氣體或地表水體的監(jiān)測，對于地下水質污染的監(jiān)測，主要依靠 人工采樣，實驗室分析為主。與空氣和地面環(huán)境污染相比，由于地下水污染的不可視 性，使其污染的防治工作較為艱難，例如在污染場所及附近地區(qū)的地下水質的污染，現(xiàn) 在還沒有一種簡便可靠的辦法來實現(xiàn)對其連續(xù)動態(tài)的在線監(jiān)測。其實地下水污染的嚴重 程度和危害并不亞于空氣和地面環(huán)境污染，所以研制一種用于地下水土污染的監(jiān)測系統(tǒng) 就顯的尤為重要。 復介電常數(shù)是介質材料最基本的性能參數(shù)之一，表征了介質材料在一定頻段下的基 本物理特性【4 目，測量線是一種傳輸線結構的傳統(tǒng)微波測量儀器，通常使用波導或同軸 線來進行測量，其原理是測量離負載最近的第一電壓波節(jié)點的距離和測量線上的駐波 比，束確定負載的復反射系數(shù)和阻抗數(shù)值，這種方法所需設備結構簡單，價格低廉，基 本測量原理清晰，目前主要使用于微波毫米波段未知阻抗的測量。微波介質復介電常數(shù) f ) 可以表示為： s + 0 ) = 0 = e o ( e b ) 一弦0 ” 式中島為自由空問的介電常數(shù)，s ，為介質材料的相對復介電常數(shù)。 1 3 主要研究內容 本文旨在研究重會屬離子溶液及吸附重金屬離子溶液土壤的微波介電特性，對 b a k e r - j a r v i s 等的s 參數(shù)模型 6 1 進行了復介電常數(shù)求解方法的擴展，同時對r o w er k ， 等71 】的復介電常數(shù)離子濃度模型進行了高頻段和低濃度區(qū)域的擴展，從而為水土系統(tǒng) 無機物污染的監(jiān)測提供了理論依據(jù)和實驗基礎。利用短路同軸線對微波介質材料復介電 北京科技大學碩十學位論文 常數(shù)進行了測量，將網絡分析測量技術與計算機輔助測量技術、微波同軸線結構設計方 法、微波介質樣品制備方法等相結合，對微波介質材料的端口反射參數(shù)墨。以及復介電 常數(shù)進行了測量和計算：以電磁波傳輸理論和微波測量技術為基礎，進行了二端口微波 網絡的分析與技術研究，得到了微波介質材料復介電常數(shù)和其中吸附的溶液濃度的定量 關系曲線。 該文主要研究內容包括以下幾點： 1 根據(jù)微波介質吸附溶液的理論分析和前期的試驗研究，采用淀粉聚乙烯醇作為載 體介質材料，配制成不同含鹽量、含水量的實驗樣品，分析了復介電常數(shù)的影響因素。 以實際的土壤為研究對象，測量了其復介電常數(shù)的變化規(guī)律。 2 根據(jù)微波的傳輸反射特性，通過軟件模擬設計制作了短路同軸傳輸線，在傳輸線 中l(wèi) b j 部位制作了樣品腔，以便將制作好的樣品裝入傳輸線適當部位。 3 將制作好的短路同軸線接入矢量網絡分析儀的共軸接頭，分別對土壤樣品以及 c u c l 2 進行頻域掃描，測量樣品的單端反射參數(shù)s 。 4 利用牛頓割線法對關于復介電常數(shù)的s 。方程進行數(shù)值方法求解，對求解獲得的 結果進行數(shù)據(jù)分析，獲得復介電常數(shù)和頻率以及污染物濃度，種類之間的關系。 北京科技大學碩十學位論文 2 土壤各組分的物理化學性質 2 1 土壤物理化學組分 土壤是指地球陸地表面具有一定肥力且能生長作物的疏松表層，是由巖石風化以及 大氣、水，特別是動植物和微生物對于地殼表層長期作用而形成的；它介于大氣圈、巖 石圈、水圈和生物圈之間，是環(huán)境中獨特的組成部分，土壤是由固體顆粒( 基質) 、液 體、氣體三相物質組成的疏松多孔體。固相物質包括礦物質、有機質和土壤生物。固帽 物質之問形成不同形狀的孔隙，孑l 隙中存在水分和空氣。其固體顆粒部分，顆粒形狀有 較大的變化范圍，有體積較大的近似球體狀，薄的平面板狀體，長的纖維針狀體。細小 的土壤顆粒中，包含有機物質和非結晶的無機物質組分，其化學成分可以包含地殼中發(fā) 現(xiàn)的任何元素，含有的常量元素有o 、s i 、a l 、f e 、c a 、n a 、k 、m g 、c 、h 、n 、p 、 s 等，含有的微量元素有b 、c u 、z n 、m o 、c o 等。最豐富的元素為o 、s i 、h 、a 1 ， 這些元素會形成不同成分和結晶念的物質，其它元素含量較少，所有這些元素就形成了 土壤形念的礦物質。 土壤的固體部分為土壤基質，是一個分散和多孔的體系。土壤的固體物質顆粒其粒 徑大小不一，形狀和組成也各不形同，從而形成了一個分散的體系。世界各國大都以土 壤中各粒級含量的相對百分比作為標準，國際制采用三級分類法舊，即根據(jù)砂粒( o 0 2 2 m m ) 、粉砂粒( 0 0 0 2 - 0 0 2 m m ) 和粘粒( 。 j 二二= = ： z 圖6 4 不同含水率土壤復介電常數(shù)實部與頻率關系曲線 北京科技人學碩十學位論文 圖6 5 不同含水率土壤復介電常數(shù)虛部與頻率關系曲線 圖6 4 中，土壤復介電常數(shù)的實部隨著土壤中水的體積分數(shù)的增加而增大，虛部隨 含水率的增大有較小的增大，受土壤含水率的影響較小。為了能夠在各個頻率點處看到 復介電常數(shù)隨含水率的變化關系，分別在4 5 0 6m h z ，4 7 5 1 m h z ，5 0 1 9m h z 頻率點 處對土壤含水率和復介電常數(shù)實部之間的關系作圖，得到如圖6 6 所示的關系曲線。 十壤體積俞水率m v ( ) 圖6 6 土壤復介電常數(shù)與體積含水率關系曲線圖 - 4 1 北京科技人學碩十學位論文 分別在各頻率點處的曲線進行線性擬合，所得到的線性擬合公式及線性回歸系數(shù) 如表6 3 所示。 表6 3 土壤復介電常數(shù)實部與含水率關系線性擬合 頻率( m h z ) 4 5 0 64 7 5 15 0 1 9 線性擬合 占= o 3 8 5 5m 。+ 3 6 6 6 6 f 1 = o 3 8 5 5 m 。+ 3 5 3 8 7f l = 0 3 9 3 4 m 。+ 3 4 0 7 9 回歸系數(shù)0 9 9 4 3 0 9 9 4 4 0 9 9 4 6 由表6 - 3 可以看出，隨著土壤中水的體積分數(shù)的增大，土壤的介電常數(shù)實部呈線性 增大。在3 0 0 - - 7 0 0 m h z 頻段內，土壤的介電常數(shù)實部在3 , - - 4 之間，與溫度和頻率無 關，而相應的水的介電常數(shù)實部為8 l 。根據(jù)異質混合物介電常數(shù)模型，混合物的介電 常數(shù)值為各組成成分的介電常數(shù)與體積乘積之和，即如式( 3 一1 ) s ：= + 葉( f ? 一占孑) 所描述，在3 0 0 - - 7 0 0 m h z 頻段內土壤中的大部分水分為自由水，其介電常數(shù)值遠大于 土壤介電常數(shù)值，隨著水的體積分數(shù)的增大，從而使介電常數(shù)實部呈現(xiàn)出增大的趨勢。 從圖7 _ 6 中可以看到，在低含水率區(qū)，復介電常數(shù)值隨含水率的增長較為緩慢，這是由 于土壤中的水分一部分為束縛水，一部分為自由水，在低含水率區(qū)，土壤顆粒周圍較大 半徑范圍內的水分在晶格力和滲透壓的作用下被緊緊吸附在土壤顆粒表面，成為束縛 水，能夠成為自由水的水分在總含水量中所占比重較小。由于帶有負電的粘土顆粒的強 靜電力的作用，使得水分子的極化強度大大減弱，導致束縛水的復介電常數(shù)實部遠小于 自由水，約為3 2 ，和土壤的復介電常數(shù)實都較為接近，這樣就使得水分的增加對土壤 總體介電常數(shù)值的增大的貢獻較小，在實驗中表現(xiàn)為低含水率區(qū)土壤復介電常數(shù)實部隨 含水率增加變化較為緩慢。 滲透了c k c f ，溶液的9 個土壤樣品，測得其復介電常數(shù)實部如圖6 7 所示。 4 2 北京科技人學碩十學位論文 七 i 圖6 7 含c u c i ：溶液土壤樣品復介電常數(shù)實部 不同溶液濃度的樣品虛部值隨頻率及溶液濃度變化情況如圖6 8 所示。 圖6 8 含函c 如溶液土壤樣品復介電常數(shù)虛部 從圖6 7 可以看出，在含水率保持不變的情況下，隨著頻率的增加，復介電常數(shù)實 部呈下降趨勢，當溶液濃度增加時，實部值在各頻率點處有下降趨勢，但這種趨勢不明 顯。由于復介電常數(shù)實部值表征介質極化程度，當頻率增加時，一部分離子的極化速度 _ 4 3 一 ca日蘭口日e一 北京科技人學碩+ 學位論文 逐漸跟不上外加頻率的變化，在宏觀上表征為復介電常數(shù)實部值的下降。溶液中離子濃 度增加時，單位體積溶液中的離子數(shù)量增多，由于離子的自由移動，導致溶液內部的一 些正負電荷互相抵消，使單位體積溶液中的偶極子數(shù)量減少，溶液極化強度減弱，最終 使土壤介質極化強度變弱，導致其實部值呈下降趨勢。實驗中的樣品的加工存在缺陷， 導致各個反射面不是理想的平面，同時對于含水率相同的控制存在誤差，而這一點恰恰 對實部影響較大，導致圖6 4 中出現(xiàn)了一些不符合該規(guī)律的曲線，如曲線6 ，8 。在圖 6 7 中，除樣品9 之外的其他樣品，在5 5 0 m h z 7 0 0 m h z 頻段內其復介電常數(shù)實部都 呈增大的趨勢，這一現(xiàn)象有些異常。由于我們采用的是基于n i d s o n 、r o s s 與w c i r 等人 于二十世紀七十年代提出的n r w 傳輸反射法的復介電常數(shù)求解方法，該方法在計算復 介電常數(shù)值時，在墨幅值和相位角對較小的頻率點處會產生較大的誤差m t 3 5 】。同時實 驗中采用了牛頓迭代法，該方法所求得的解并不是完全不依賴于猜測初值的解，所以也 會引入一部分誤差，這些都導致了圖6 7 中復介電常數(shù)實部值隨頻率增加的現(xiàn)象，這一 實驗現(xiàn)象還出現(xiàn)在圖6 a ，圖5 9 ，圖5 5 圖中。對于復介電常數(shù)虛部值，如圖6 8 所 示，則可以看出，隨著頻率的增加，復介電常數(shù)虛部呈下降趨勢，在各個頻率點處隨著 c u 2 + 濃度的增加，復介電常數(shù)呈增大趨勢，表現(xiàn)出了和圖5 1 0 一樣的性質，這說明對 于土壤和淀粉p v a 載體，吸附溶液對復介電常數(shù)虛部的影響具有一致的規(guī)律。 為了得到土壤復介電常數(shù)和白2 + 離子濃度之| 日j 的明確的規(guī)律，對圖6 8 中的數(shù)據(jù) 分別在頻率點4 0 1 7 m h z ，4 5 0 6 m h z ，4 9 9 5 m h z ，5 5 0 8 m h z ，5 9 9 7 m h z 處作復介 電常數(shù)虛部和c u “濃度的關系曲線圖，得到如圖6 9 ，6 1 0 ，6 1 1 ，6 1 2 ，6 1 3 所示數(shù) 據(jù)。 北京科技人學碩十學位論文 圖6 94 0 l 7 m h z 土壤樣品復介電常數(shù)虛部與c u 2 + 濃度關系曲線 圖6 1 04 5 0 6 m h z 土壤樣品復介電常數(shù)虛部與c u 2 + 濃度關系曲線 - 4 5 北京科技人學碩十學位論文 圖6 1 14 9 9 5 m h z 土壤樣品復介電常數(shù)虛部與c u2 + 濃度關系曲線 圖6 1 25 5 0 8 m h z 土壤樣品復介電常數(shù)虛部與國“濃度關系曲線 4 6 北京科技人學碩十學位論文 圖6 1 35 9 9 7 m h z 土壤樣品復介電常數(shù)虛部與仇2 + 濃度關系曲線 對各頻率點處的數(shù)據(jù)進行二次多項式擬合，得到如表6 - 4 的關系式，表中c 為土 壤樣品吸附溶液中c u 2 + 離子的濃度。 表6 _ 4 各頻率點復介電常數(shù)虛部與濃度關系 頻率( 2 次多項式擬合回歸系數(shù) 4 0 1 7 占。= _ o 0 0 4 5 c2 + 0 4 9 4 5 c + 1 7 7 1 2 0 9 9 3 8 4 5 0 6s 。= 旬0 0 3 7 c2 + 0 4 3 0 1c + 1 6 5 7 3 o 9 9 5 0 4 9 9 5。= m 0 0 3 4 c2 + o 3 9 0 7 c + 1 5 4 5 5 0 9 9 3 8 5 5 0 8 s = 0 0 0 3 c2 + 0 3 7 1 1c + 1 5 9 2 5 o 9 9 2 0 5 9 9 7s 。= - o 0 0 2 9 c2 + 0 3 6 7 9 c + 1 6 5 9 7 0 9 9 1 3 從表6 - 4 中可以看出各頻率點處的回歸系數(shù)均大于0 9 9 ，對于土壤c h 2 + 離子污染 監(jiān)測中，當測得土壤的復介電常數(shù)虛部在某一頻率點處的值時，可以根據(jù)表6 4 中所示 的擬合公式計算出c u 2 + 離子濃度c ，從而做到快速的在線測量。 - 4 7 北京科技人學碩七學位論文 結論 本文用短路同軸線法測量了c u 2 + 離子溶液和吸附c u c i ，溶液土壤在含水率和溶液 離子濃度變化的情況下的端口反射參數(shù)s 分析了樣品復介電常數(shù)值在4 0 0 7 0 0 m h z 頻段內與含水率以及離子濃度之間的關系，得出如下結論： 1 以淀粉p v a 為載體的水的復介電常數(shù)測量中，含水率對其復介電常數(shù)的實部影 響較大，在頻率由4 0 0 m h z 上升到7 0 0 m h z 的過程中，淀粉p v a 載體復介電常數(shù)實部 在5 0 0 - - 7 0 0 膩隴頻段內趨于一個定值，這一定值隨著含水率的增大而增大，對 4 0 i 7 8m h z 頻率點處復介電常數(shù)實部和淀粉p v a 體積含水率之日j 的曲線作線性擬合， 線性回歸系數(shù)為0 9 2 4 4 ，可以看出復介電常數(shù)實部隨淀粉p v a 體積含水率的增大呈線 性增加。體積含水率由5 4 9 增至7 4 3 的過程中，復介電常數(shù)由6 增至1 6 。而復介電 常數(shù)虛部隨頻率增大呈下降趨勢，在體積含水率由0 增至7 0 的過程中，復介電常數(shù)虛 部的波動范圍為1 2 ，因此體積含水率在該頻段內對復介電常數(shù)的虛部影響不大。 2 c u c i ，溶液復介電常數(shù)測量中，淀粉p v a 載體體積含水率保持為6 3 8 3 ，c u 2 + 離子濃度對淀粉p v a 復介電常數(shù)的虛部影響較大，隨著頻率的增大，吸附溶液c u 2 + 離 子濃度不同的淀粉p v a 其復介電常數(shù)虛部趨于不同的值，并隨著離子濃度的升高而增 大。分別在5 0 2 9 8 m h z ，6 0 2 1 8m h z ，7 0 2 3 7 m h z 頻率點上對復介電常數(shù)虛部和c u 2 + 離子濃度的關系進行對數(shù)擬合，其回歸系數(shù)均大于0 9 9 ，復介電常數(shù)實部隨離子濃度的 升高有所增大，但在5 ( x ) 7 0 0 m h z 頻段內變化幅度不大。綜合結論l ，可以得到，在對 地下土壤層進行污染監(jiān)測時，可以將內置有吸附載體的同軸線埋入該土層，土壤析出液 通過滲透作用進入吸附載體中，測量端口反射參數(shù)墨，求得相應的復介電常數(shù)，根據(jù) 復介電常數(shù)實部的值確定土壤中的水分含量范圍，由復介電常數(shù)虛部值確定土壤中的離 子濃度。利用事先建立的人工神經網絡模型，即可實現(xiàn)對土壤污染類型及程度進行估計 和評測。 3 采樣河北香河縣的砂土作為土壤樣本，測試了土壤復介電常數(shù)值與頻率、含水率 之間的關系曲線，驗證了基于p o l d e r - v a ns a n t e n d el o o t 公式的混合介質介電模型，以 及d o b s o n 等提出的經驗土壤介電模型。在3 0 0 7 0 0 m h z 頻段內，測試了密度為 1 7 8 9 9 c m 3 的土壤壓制樣品的介電常數(shù)，土壤復介電常數(shù)值在整個頻段內保持在3 4 之間，沒有明顯的變化，復介電常數(shù)虛部保持在o 如5 范圍內，對實驗中出現(xiàn)的測量誤 差給予了解釋。 匕京科技人學碩十學位論文 4 在考慮實驗誤差的情況下測量了不同含水率的土壤壓制樣品的復介電常數(shù)值，密 度為1 7 8 9 9 c m 3 的土壤壓制樣品其復介電常數(shù)的實部隨著土壤中水的體積分數(shù)的增加 而增大，分別在4 5 0 6 m h z ，4 7 5 1m h z ，5 0 1 9 m h z 頻率點處對土壤含水率和復介電 常數(shù)實部之間的關系曲線進行線性擬合，各頻率點的線性回歸系數(shù)均大于0 9 9 ，可以得 到土壤復介電常數(shù)實部隨體積含水率的增大呈線性關系增加。土壤復介電常數(shù)虛部則隨 體積含水率增大沒有明顯的變化。在低含水率區(qū)域，復介電常數(shù)值隨體積含水率增長趨 勢較為緩慢，表明了土壤中自由水和結合水隨著水分的增n - - 者的比例關系發(fā)生了變 化。 5 在土壤樣品密度保持為1 7 8 9 9 c m 3 ，體積含水率保持為1 4 3 2 時，實驗中得到 在各頻率點處土壤樣品復介電常數(shù)虛部隨著 “離子濃度的增加而增大，在 4 0 1 7 m h z ，4 5 0 6 m h z ，4 9 9 5 m h z ，5 5 0 8 m h z ，5 9 9 7 m h z 頻率點處對二者的變化 關系曲線進行二次多項式擬合，得到各頻率點處的回歸系數(shù)均大于0 9 9 。土壤復介電常 數(shù)虛部主要受到密度、溫度、體積含水率、吸附溶液離子種類和濃度的影響，利用人工 神經網絡建立土壤復介電常數(shù)和密度、溫度、體積含水率、溶液離子種類、濃度的非線 性關系，在一定的條件下，當密度、溫度、體積含水率一定時，土壤吸附溶液離子種類 和濃度的變化將直接表征為復介電常數(shù)的變化。利用人工神經網絡模型，判斷和識別土 壤吸附溶液離子種類和濃度。綜上所述，在對地表土壤的污染監(jiān)測中，在固定頻率點處 測量土壤的復介電常數(shù)，根據(jù)復介電常數(shù)實部值得到土壤的含水率，由復介電常數(shù)虛部 值以實驗中預先測量的經驗公式推算土壤中c u “離子的濃度，能夠預測土壤中重金屬 離子的污染狀況。 北京科技人學碩十學位論文 參考文獻 1 1 l馮振華，用躍，尚秋林，許洪彥，邱宏，高頻電磁波測量土水系統(tǒng)環(huán)保傳感器的 設計與制造，北京科技大學學報，2 0 0 5 ，2 7 ( 5 ) ：6 1 3 - 6 1 6 1 2 j李建麗、李杰，田躍等，利用復介電常數(shù)和b p 人工神經網絡進行環(huán)境監(jiān)測的可 行性研究，污染防治技術，2 0 0 6 ，1 9 ( 2 ) ：3 - 6 1 3 l高拯民，土壤一植物系統(tǒng)污染生態(tài)研究【h q ，北京：中國科技出版社，1 9 8 6 1 4 l j y hs h e e n ，s t u d yo fm i c r o w a v ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e sm e a s u r e m e n t sb yv a r i o u s r e s o n a n c et e c h n i q u e s ，m e a s u r e m e n t , 2 0 0 5 ，3 7 ：1 2 3 1 3 0 【5 l j uh y u n gk 磚m y o u n gh a ko h , j u n b o u mp a r k , s e o c kh c o nl e e ，k y uh o n ga h n , d i e l e c t r i cd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs a n dc o n t a m i n a t e db y h e a v ym e t a l 1 a n d f i l ll e a c h a t ea n d b t e x ( 0 2 1 0 4 b ) ，j o u r n a lo f h a z a r d o u sm a t e r i a l sb 1 0 5 。2 0 0 3 ：8 3 1 0 2 1 6 l j a m e sb a k e r - j a r v i s ，m i c h a e ld j a n e z i c ，j o h nh g r o s v e n o l - j r ，r i c h a r dg g e y e r , t r a n s m i s s i o n r e f l e c t i o na n ds h o r t c i r c u i tl i n em e t h o d sf o r m e a s u r i n gp e r m i t t i v i t y a n d p e r m e a b i l i t y , n a t i n s t s t a n d 1 k h ( u s ) ，1 9 9 3 ：6 6 - 7 3 1 7 1 s h a n gj q ，r o w ei l k ，u m a n a , j a a n ds c h o l t ej w ，ac o m p l e xp e r m i t t i v i t y m e a s u r e l n e n ts y s t e mf o ru n d i s t u r b e d c o m p a c t e ds o i i s , j o u m a lo fg e o t e c h n i c a lt e s t i n g , 1 9 9 9 ， a s t m , 2 2 ( 2 ) ：1 6 5 1 7 4 1 8 1 r o w er k ，s h a n gj q ，a n dx i ey ，c o m p l e xp e r m i t t i v i t ym e a s u r e m e n ts y s t e mf o r d e c e c t i n gs o i lc o n t a m i n a t i o n , c a n a d i a ng e o t e c h n i c a l ，j