عنوان پایان‌نامه
بررسی اثر غلظت بار رسوبی معلق بر مشخصات جهش هیدرولیکی، در کانال باز
- رشته تحصیلی
- مهندسی کشاورزی-سازه های آبی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی شماره ثبت: 7336;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 80656;کتابخانه مرکزی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی شماره ثبت: 7336;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 80656
- تاریخ دفاع
- ۲۳ تیر ۱۳۸۹
- دانشجو
- محسن نصرآبادی
- استاد راهنما
- محمدحسین امید
- چکیده
- بیشتر رودخانه‌ها در معرض تخلیه‌های صنعتی و آلودگی فلزهای سنگین ناشی از این تخلیه‌ها قرار دارند و بررسی عوامل اثرگذار بر انتقال و سرنوشت این نوع آلاینده‌ها اهمیت زیادی دارد. از سوی دیگر، نتایج پژوهش‌های زیادی نشان داده‌اند که بار رسوبی موجود در رودخانه‌ها نقش مهمی در انتقال و سرنوشت فلزهای سنگین بازی می‌کنند. به عبارت دیگر، انتقال و سرنوشت فلزهای سنگین در رودخانه‌ها به‌نوعی به سرنوشت رسوبات وابسته است. با این وجود، در کمتر پژوهشی اثر رسوبات بر انتقال و انتشار فلزهای سنگین بررسی شده است. در این رساله، اثر جذب سطحی فلز سنگین کادمیم توسط رسوبات رودخانه‌ای بر فرایندهای انتقال و انتشار کادمیم به‌صورت آزمایشگاهی، تحلیلی و عددی بررسی شده است. نخست، آزمایش‌های تعیین خصوصیات جذب سطحی رسوبات انجام شد. برای این منظور، از یک فلوم دایره‌ای با قطر 6/1 متر و عرض 2/0 متر استفاده شد. افزون بر این، آزمایش‌هایی در شرایط رآکتوری به منظور بررسی قدرت جذب سطحی و همچنین بررسی میزان واجذب کادمیم از رسوبات انجام شده است. سپس آزمایش‌های انتقال و انتشار کادمیم در حضور رسوبات بستر انجام گردید. از دو روش مدل‌سازی تحلیلی و عددی برای برآورد ضریب انتشار طولی و همچنین تدقیق سرعت جریان استفاده شد. با توجه به اینکه رسوبات زبری معینی را به جریان تحمیل می‌کنند، آزمایش‌هایی به منظور بررسی تأثیر زبری بر ضریب انتشار طولی نیز انجام گردید. تمام آزمایش‌ها در شرایط محیطی ثابت انجام شده‌اند. نتایج نشان داد که غلظت اولیه فلزهای سنگین در محلول اثر قابل‌توجهی بر فرایند جذب سطحی توسط رسوبات دارد. به‌طوری‌که با افزایش غلظت کادمیم در محلول، میزان جذب در واحد جرم رسوبات افزایش می‌یابد. این در حالی است که درصد کادمیم حذف‌شده از محلول با افزایش غلظت کاهش یافته است. به‌طوری‌که با افزایش غلظت کادمیم از 150 به 770 میکروگرم بر لیتر، میزان جذب از 30 به 67/126 میلی‌گرم در هر واحد جرم رسوبات افزایش می‌یابد، ولی درصد حذف کل رسوبات از 50 به 3/41 درصد کاهش می‌یابد. همچنین افزایش غلظت رسوبات سبب کاهش کادمیم جذب شده در واحد وزن رسوبات می‌شود. به‌طوری‌که با افزایش غلظت رسوبات از 3 به 20 گرم بر لیتر نرخ جذب در واحد وزن (یک گرم) از 67/126 به 5/36 میکروگرم کاهش می‌یابد. بررسی مدل‌های سینتیک جذب نشان داد که روش سینتیک مرتبه دو برای آزمایش‌های فلوم و روش سینتیک مرتبه یک برای آزمایش‌های رآکتوری بهترین برازش ارایه می‌نمایند. نتایج آزمایش‌های رآکتوری به منظور بررسی ظرفیت جذب سطحی رسوبات نشان داد که با پیشروی تزریق کادمیم (در یک غلظت مشخص) رسوبات همچنان کادمیم را جذب می‌کنند، ولی در هر مرحله نسبت به مرحله قبل کادمیم کمتری را جذب کرده‌اند. از سوی دیگر، نتایج آزمایش‌های واجذب نشان داد که بیشتر کادمیم قابل واجذب در حدود 5/0 ساعت از رسوبات دفع می‌شوند، اگرچه مقداری از فرایند واجذب تا پایان آزمایش هنوز در حال پیشرفت است. پس از بررسی مدل‌های سینتیک واجذب مشخص شد که معادله‌های الویچ ساده، پخشیدگی سهموی دوگانه، نرخ دوثابتی و پخشیدگی دقت بیشتری نسبت به معادله‌های دیگر دارند. نتایج آزمایش‌های این رساله نشان داد که بیشتر ذرات رسوب و کادمیم پیوند قوی از نوع شیمیایی با هم برقرار کرده‌اند. به‌طوری‌که در غلظت‌های کم حدود 7 درصد و در غلظت‌های زیاد حدود 29 درصد کادمیم از رسوبات دفع شد. همچنین فرایندهای جذب و واجذب فلزهای سنگین توسط رسوبات رودخانه کرج برگشت‌ناپذیر هستند. بررسی نتایج انتقال و انتشار کادمیم در حضور رسوبات نشان داد که با افزایش غلظت رسوبات، نرخ جذب سطحی رسوبات افزایش و ضریب انتشار طولی به‌ترتیب تاحدود 38، 36 و 33 درصد به ازای غلظت‌های کادمیم 150، 460 و 770 میکروگرم بر لیتر کاهش یافته است. با افزایش غلظت رسوبات ضریب انتشار طولی کاهش بیشتری داشته است. همچنین با افزایش غلظت کادمیم محلول میزان تغییر ضریب انتشار طولی کمتر شده است. از سوی دیگر، زبری بستر با کاهش سرعت جریان تا حدود 35 درصد سبب افزایش ضریب انتشار طولی ماده محلول تا حدود 34 درصد شده است. این نشان می‌دهد که حضور رسوبات بستر رودخانه، به دلیل زبری که به جریان تحمیل می‌کنند، می‌توانند سبب افزایش ضریب انتشار طولی ماده محلول شوند. این تأثیر به طور کامل در جهت خلاف اثر جذب سطحی بر ضریب انتشار طولی است. در این رساله روابطی برای برآورد ضریب انتشار طولی به صورت تابعی از پارامتر جذب سطحی و زبری نسبی توسعه یافته است.
- Abstract
- Most rivers are usually exposed to industrial discharges and heavy metals pollution, and the study of the factors affecting the fate and transformation of contaminants is so important. On the other hand, the results of many research have demonstrated that the sediment load in rivers play an important role in the fate and transformation of heavy metals. In other words, the fate and transformation of heavy metals depend on the fate of riverine sediments. However, less research have investigated the effects of riverine sediment on advection and dispersion of heavy metals. In this thesis, the effect of cadmium adsorption by riverine sediment on advection and dispersion of cadmium have been experimentally, analytically and numerically investigated. First, some experiments were conducted to identify the adsorption characteristics of the sediments. For this purpose, a circular flum with a diameter of 1.6 m and a width of 0.2 m was used. In addition, the batch reactor experiments were carried out in order to study the adsorption capacity of the sediment and desorption rate of cadmium from the sediments. The tests of advection and dispersion of cadmium were carried out at the presence of sediment. The analytical and numerical modeling methods were applied to estimate the longitudinal dispersion coefficient. Given that the sediment may impose the bed roughness to the flow, some experiments was performed to investigate the effect of bed roughness on longitudinal dispersion coefficient of solution. All experiments were performed at the constant environmental conditions. The results showed that the initial concentration of heavy metals in solution has a significant effect on the adsorption process. So that by increasing the cadmium concentration the absorption rate per unit weight of sediment is increased. However, the percentage of Cd elimination reduces with increasing the cadmium concentration. So that by increasing cadmium concentration from 150 to 770 ppb, the absorption rate increases from 30 to 126.67 mg/kg, but total removal of sediments decreased from 50 to 41.3 percent. Increasing cadmium concentration may decrease the absorption per unit weight of sediment. So that with increasing sediment concentration from 3 to 20 gr/lit, the absorption rate per unit weight reduces from 126.67 to 36.5 ?g. The results also showed that the second-order and first-order kinetic models have given the best fit to the experimental data. Results of batch reactor experiments to investigate the adsorption capacity of sediments showed that by advancing the injection of cadmium (with a known concentration) sediments may continuously absorb the cadmium ion, but at each stage have absorbed less cadmium than the previous one. On the other hand, the results of desorption tests showed that most of Cd are released from the sediment on first 30 min of the tests, although the desorption process is still in progress by the end of the experiment. After evaluation of desorption kinetics models, it was showen that simple Elovich equation, parabolic double diffusion, and two constant rate equations have more precision than the other equations. The results of this thesis showed that sediment and cadmium ions have a strong chemistry bonding. So that, at low and high concentrations, up to about 7% and 29% of cadmium, respectively, was released from the sediment. In addition, the absorption and desorption processes of heavy metals by Karaj River sediments are irreversible. Study of advection and dispersion of cadmium at the presence of sediments showed that by increasing sediment concentrations, cadmium adsorption increases and the longitudinal dispersion coefficient decreases up to about 38, 36 and 33 percent for cadmium concentrations of 150, 460 and 770 ppb, respectively. Also, by increasing the cadmium concentration the variation of longitudinal dispersion coefficient is less. On the other hand, by reducing the flow velocity up to about 35 percent, at the presence of the bed roughness, has increased the longitudinal dispersion coefficient up to about 34 percent. This suggests that the presence of sediment, because of the roughness imposed by them to the flow, may increase the longitudinal dispersion coefficient. This effect on longitudinal dispersion coefficient is completely in the opposite direction due to the adsorption process. In this thesis, two relationships have been developed between the longitudinal dispersion coefficients, adsorption rate and bed roughness. Keywords: Riverine Sediment, Cadmium, Adsorption, Bed Roughness, Advection and Dispersion, Longitudinal Dispersion Coefficient
