滲透裝置實驗視頻

A. 反滲透水處理的原理

定義
反滲透是一種藉助於選擇透過（半透過）性膜的功能以壓力為推動力的膜分離技術，當系統中所加的壓力大於進水溶液滲透壓時，水分子不斷地透過膜，經過產水流道流入中心管，然後在一端流出水中的雜質，如離子、有機物、細菌、病毒等，被截留在膜的進水側，然後在濃水出水端流出，從而達到分離凈化目的。

工作原理
反滲透是最精密的膜法液體分離技術，在進水(濃溶液)側施加操作壓力以克服自然滲透壓，當高於自然滲透壓的操作壓力離加於濃溶液側時水分子自然滲透的流動方向就會逆轉，進水(濃溶液)中的水分子部份通過反滲透膜成為稀溶液側的凈化產水;反滲透設備能阻擋所有溶解性鹽及分子量大於100的有機物，但允許水分子透過，反滲透復合膜脫鹽率一般大於98%，它們廣泛用於工業純水及電子超純水制備，飲用純凈水生產，鍋爐給水等過程，在離子交換前使用反滲透設備可大幅度降底操作用水和廢水的排放量。

反滲透作用
反滲透是過濾精度最高的膜分離技術。過濾精度達到0.0001um。過濾了自來水中的所有物質，沒有礦物質和微量元素，這種水是可以直接飲用的。水中的雜質如可溶性固體、有機物、膠體物質及細菌等則被反滲透膜截留，在截流液中濃縮並被去除。一級反滲透可去除原水中97%以上的溶解性固體。

反滲透膜工作原理是將純水與含有溶質的溶液用一種只能通過水的半透膜隔開，此時，純水側的水就自發的透過半透膜，進入溶液一側，溶液側的水面升高，這種現象就是滲透。當液面升高至一定高度時，膜兩側壓力達到平衡，溶液側的液面不再升高，這時，膜兩側有一個壓力差，稱為滲透壓。如果給溶液側加上一個大於滲透壓的壓力，溶液中的水分子就會被擠壓到純水一側，這個過程正好與滲透相反，我們稱之為反滲透。我們可以從反滲透的過程看到，由於壓力的作用，溶液中的水分子進入純水中，純水量增加，而溶液本身被濃縮。反滲透除鹽原理，就是施以比自然滲透壓更大的壓力，使滲透向相反方向進行，把原水中的水分子壓到膜的另一邊，從而達到除去水中鹽分的目的。這就是反滲透膜除鹽原理。

B. 【3D視頻】水泥混凝土抗滲性試驗方法

在混凝土施工中，質量檢驗是整個流程的重要環節，涵蓋了從選料、配比、澆築到養護、滿水試驗直至竣工的每一個步驟，構建了一個全面的質量檢驗系統。其中，滲透實驗對於評估混凝土的防水性能，確定其抗滲標號至關重要。在實驗過程中，試件在達到規定時間後，需先擦乾表面並用鋼絲刷清除兩端面的水泥漿膜，隨後在側面均勻塗上溶化的密封材料（如黃油混合滑石粉），以確保密封效果。然後，試件被裝入抗滲儀中進行試驗。若在實驗中觀察到水從試件周邊滲出，說明密封不嚴密，需要重新密封。

檢測普通混凝土抗滲透性的過程需要嚴格遵循一系列步驟。首先，選用合適的原材料至關重要，細骨料應為中粗砂，細度模數應在2.5到3.0之間，同時，砂的含泥量不得超過3%，並使用具有早強性能和高效減水劑的外加劑。接下來，實驗前一天應取出試件，用鋼絲刷清潔兩端面，以便進行後續的操作。

接著，在試件側面均勻塗抹一層溶化後的石蠟密封材料，並確保在試體兩端無蠟殘留。將試件放入預熱的試件套中，然後將其壓入試件套中，確保底面與試模平齊，解除壓力。接著，將試件連同試件套固定在抗滲儀上進行試驗，開啟閥門，打開電源，調整電接點壓力表上限指針至0.1MPa，下限指針靠近但不接觸上限指針（約0.05MPa），摁綠色按鈕啟動電源，水泵開始工作。實驗過程中，水壓從0.1MPa開始，每隔8小時增加0.1MPa。當檢測到試件滲水時，關閉相應的閥門。實驗直到三塊試件均滲水結束，記錄此時的壓力，即可停止實驗。

實驗結束後，關閉電源，取出試模，將試件放在壓力機上沿縱斷面劈裂成兩半，用鋼直尺測量試件內部的滲水高度，滲水高度越低，表明混凝土的抗滲透性能越好。通過以上步驟，可以全面了解和評估普通混凝土的抗滲透性，確保其在實際應用中的防水性能。

C. 達西滲流定律的達西定律

達西在1856年通過了大量的實驗研究，總結得出滲流能量損失與滲流速度之間的關系，即達西定律。
達西定律：
達西實驗裝置如圖所示。圓筒橫斷面積為A，其中充填均勻的砂粒，砂層厚度為l，由金屬網支托。水由穩壓水箱經水管A流入圓筒中，再經砂層滲濾後由出水管B流出。其流量由量筒C量測，在砂層上下兩端裝測壓管以量測滲流的水頭損失。由於滲流流速極小，所以流速水頭可以忽略不計，總水頭可用測壓管水頭來表示，水力坡度可以用測壓管坡度來表示：

達西分析了大量實驗資料，得到圓筒內的滲流量Q與圓筒橫斷面積A和水力坡度J成正比，並和砂層的透水性能有關。達西建立的基本關系為：Q=kAJ,也可以寫成V=Q/A=kJ，式中 k為滲流系數，反映了土壤的透水性能。
實驗發現，隨著雷諾數Re的增加，多孔介質（砂層）中的流動狀態經歷三個區域：①線性層流區：粘性力占優勢，達西定律成立，上限約在Re=10左右；②非線性層流區(過渡區)：為主要被慣性力制約的層流，達西定律不成立，上限約在Re=100左右，在上限附近開始有層流到湍流的過渡；③湍流區：慣性力占優勢，達西定律不成立。由此可見，從上限雷諾數方面偏離達西定律與層流到湍流的過渡不是完全等價的。
在滲流速度很低時，流體與介質間的表面分子力作用顯得更為重要。部分液體的滯流現象使孔隙度發生變化，從而引起滲透率的相應變化。實驗表明，這時孔隙度和滲透率均隨滲流速度的增加而增加，速度到某一臨界值後不再變化，因此不遵循達西定律。
在雷諾數大於上限Re數的情況下，應該用「滲流的二項式定律」代替達西定律，即
，
式中A、B為決定於流體和介質性質的常數。
在雷諾數小於下限Re數情況下，非線性滲流定律的一般形式可寫為：
式中f(J)為小雷諾數情況下滲透率隨水力坡度的變化函數關系，由實驗確定。
以上主要是單相流體達西滲流定律；對於多相流體，達西定律對每一相仍然成立，只需將滲透率修正為該相的相滲透率即可。

D. 達西定律

法國水力工程師亨利·達西（Henry Darcy）為了研究Dijon市的供水問題而進行大量的砂柱滲流實驗，於1856年提出了線性滲流定律，即達西定律。達西所採用的實驗裝置如圖2.3所示。在直立的等直徑圓筒中裝有均勻的砂，水由圓筒上端流入經砂柱後由下端流出。在圓筒上端使用溢水設備控制水位，使其水頭保持不變，從而使通過砂柱的流量為恆定。在上、下端斷面1和斷面2 處各安裝一根測壓管分別測定兩個過水斷面處的水頭，並在下端出口處測定流量。根據實驗結果得到以下達西公式：

地下水科學概論（第二版·彩色版）

式中：Q為通過砂柱的流量（滲流量），m³/d；A為砂柱橫截面（過水斷面）面積，m²；h₁和h₂分別為上、下端過水斷面處的水頭，m；∆h=h₁-h₂為上、下端過水斷面之間的水頭差，m；L 為上、下端過水斷面之間的距離，m；I=∆h/L 為水力梯度，無量綱；K為均質砂柱的滲透系數，m/d。

式（2.2）表明，通過砂柱的滲流量（Q）與砂柱的滲透系數（K）、橫截面面積（A）及水頭差（∆h）成正比，而與滲流長度（L）成反比，也可以說滲流量（Q）與滲透系數（K）、橫截面面積（A）和水力梯度（I）成正比。而且，利用不同尺寸的實驗裝置進行達西實驗，即適當改變砂柱的滲透系數（K）、橫截面面積（A）及水頭差（∆h）與長度（L），都會得到式（2.2）的關系。

圖2.3 達西實驗裝置示意圖（截面圖）

另外，通過某一過水斷面的滲流量可以表示為

Q=vA （2.3）

式中：v為滲流速度。由此可以得到達西定律的另一種表示形式：

v=KIA （2.4）

式（2.4）表明滲流速度等於滲透系數與水力梯度的乘積。對於同一均質砂柱來說，其滲透系數通常為一常數，因而滲流速度與水力梯度的一次方成正比，故達西定律又稱為線性滲流定律。達西定律不僅對垂直向下通過均質砂柱的滲流是適用的，而且對於通過傾斜的、水平的及流向為自下而上的均質砂柱的滲流也是適用的，亦即和砂柱中的滲流方向與垂向方向的夾角大小無關。

式（2.4）中的滲流速度（v）實際上是一種平均流速，是水流通過包括空隙和固體骨架在內的過水斷面面積（A）的流速。由於過水斷面面積（A）中包括斷面上砂粒所佔據的面積和孔隙面積，而水流實際通過的面積只是孔隙實際過水面積A＇=n_eA，其中n_e為有效孔隙度。因此，水流通過實際過水斷面面積（A＇）的滲透速度（u，也是一種平均流速）為

地下水科學概論（第二版·彩色版）

由於n_e＜1，所以滲流速度（v）總是小於滲透速度（u）。

式（2.2）或式（2.4）中的水力梯度I=∆h/L，為沿滲流途徑的水頭差（水頭損失）與相應滲流長度的比值。水頭損失是由於水質點通過多孔介質細小彎曲通道流動時為克服摩擦阻力而消耗的機械能，水頭差也稱為驅動水頭。因此，水力梯度也可以理解為水流通過單位長度滲流途徑為了克服摩擦阻力所耗失的機械能，或者理解為使水流以一定速度流動的驅動力。

圖2.4 均質潛水流動水力梯度示意圖（剖面圖）

在實際的地下水流動中，不同點的水力梯度可以不相同。例如在圖2.4所示的均質潛水流動中，在任意距離x處對應的潛水面處的水力梯度為 ∆h/∆s≈∆h/∆x=dh/dx。其中，∆s為水位線的一段弧長，∆h為對應的水頭差，∆x為∆s對應的水平距離。用微分形式dh/dx表示水力梯度，則意味著水力梯度沿水流方向是可以變化的。另外，實際過水斷面是一個曲面，難以求得其面積。如果假設潛水含水層中的地下水流基本上是水平流動（這一假設稱為裘布依假設）時，則x處的過水斷面可以近似看成是一個垂直斷面。這時以式（2.4）表示的達西定律可以寫成以下更一般的一維形式：

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式（2.6）中等號右端的負號表示沿著地下水流動方向水頭是降低的。

達西公式（2.2）中的滲透系數（K，也有人稱之為水力傳導系數），可以定義為水力梯度等於1時的滲流速度（因為在式（2.4）中，當I=1時，v=K）。由式（2.4）可知，當I為一定值時，K越大則v就越大；當v為一定值時，K越大則I就越小。說明K越大時，砂柱的透水性越好，使水流的水頭損失越小。因此，滲透系數是表徵多孔介質透水能力的參數。

滲透系數既與多孔介質的空隙性質有關，也與滲透液體的物理性質（特別是黏滯性）有關：

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式中：K為滲透系數；k為滲透率（透水率）；ρ為液體的密度；g為重力加速度常數；μ為液體的動力黏滯系數。如果有兩種黏滯性不同的液體分別在同一介質中滲透，則動力黏滯系數大的液體滲流時介質的滲透系數會小於動力黏滯系數小的液體滲流時介質的滲透系數。在一般情況下，當地下水的物理性質變化不大時，可以忽略它們的影響，而把滲透系數單純地看作表徵介質透水性能的指標。在研究地下鹵水或熱水的運動時，由於它們的物理性質變化明顯而不能忽略。滲透率（k，也有人稱之為內在滲透率或固有滲透率）僅與介質本身的性質有關，取決於介質的空隙性，其中介質的空隙大小起著重要作用。已知介質的滲透率，可以利用式（2.7）計算介質的滲透系數。例如，已知k=2.3×10^-9cm²，並且ρ=1.0g/cm³，g=981cm/s₂，μ=0.01 g/（cm·s），則求得K=2.2563×10^-4cm/s（Hudak，2000）。

多孔介質的滲透系數或滲透率隨空間位置和方向可以發生變化。如果介質的滲透系數隨空間位置不發生變化，這種介質稱為均質介質，而發生變化的介質稱為非均質介質。如果介質中同一位置的滲透系數隨方向不發生變化，這種介質稱為各向同性介質，而發生變化的介質稱為各向異性介質。在某些情況下，介質的滲透系數也可以隨時間而發生變化。例如，由於外部荷載的增加導致介質的壓密可以降低介質的滲透系數。鹽岩晶間鹵水由於礦化度的升高或降低導致石鹽沉澱或溶解，可以使鹽岩的滲透系數降低或增大。在某些條件下，由於存在於介質中的生物活動可以逐漸堵塞空隙通道，可以使介質滲透系數逐漸減小。

滲透系數具有與滲流速度相同的單位，常用單位為m/d或cm/s。滲透率的常用單位為達西或毫達西，1達西=9.8697×10^-9cm²（相對於20℃的水而言）。表2.1列出了部分多孔介質的滲透系數的參考數值。

表2.1 多孔介質滲透系數單位：m/d

（據王大純等，1995；余鍾波等，2008）

雖然滲透系數（K）可以說明岩層的透水能力，但不能單獨說明含水層的出水能力。對於承壓含水層，由於其厚度（M）是定值，則T=KM也是定值。T稱為導水系數，它指的是在水力梯度等於1時流經整個含水層厚度上的單寬流量，常用單位是m²/d。導水系數是表徵承壓含水層導水能力的參數，只適用於二維流，對於三維流則沒有意義（Bear，1979）。