基于包氣帶動力學的長白山天然礦泉水水源地土壤吸附能力研究

金藝華，尹振浩

(1.延邊大學 農學院，吉林 延吉 133002； 2.延邊大學 地理與海洋科學學院，吉林 延吉 133002)

長白山位于吉林省的東南部地區，是一座非常著名的山脈，其東南部與朝鮮隔江相望。長白山憑借著優異的自然地理環境和獨特的地質構造，為天然礦泉水資源的形成創造了良好的條件，成為天然礦泉水集中分布區[1]。長白山原始森林是大部分天然礦泉水的水源地，由于林地的地熱比較深，形成了珍貴的低溫冷泉水，該地區的溫度始終處于6～8 ℃，為長白山天然礦泉水水質的礦物質組成和含量穩定提供了保證[2]。較深的地熱使長白山天然礦泉水呈現出天然純凈的特點，且富含大量的微量元素[3]。但由于長白山天然礦泉水缺少相關技術的支持，導致產品種類單一，出現了嚴重的同質化現象，很多企業都沒有突出產品特色，無法生產出高端天然礦泉水，同時也降低了企業的經濟效益。

在國內的研究中，林旺輝等[4]以謝家店地區為研究區域，為了充分了解該地區的水文地質情況，通過制定水文地質實驗，分析謝家店地質構造對富水性和水動力條件的影響。結果顯示，謝家店地區的地質呈現出比較復雜的構造，在破碎帶和斷層中溶蝕裂隙的發育程度較高。任曉霞等[5]為了研究咸陽市飲用水水源地的環境狀況，以2011—2017年水源地的水質數據為依據，評價了該地區的水資源質量，構建健康風險評價模型，對咸陽市飲用水源地的風險進行了評價。在國外的研究中，Gavrilov A A[6]在Primorie南部的大陸—日本海過渡帶內展開了衛星地質調查，建立一系列與斷層相連的中新世和中新世—上新世火山構造帶和大型斷裂帶，可以從Primorie南部的大陸架一直延伸到日本海中央盆地的大陸斜坡。

基于以上研究背景，本文研究了長白山地區天然礦泉水水源的地質狀況，為提高長白山天然礦泉水的質量提供了有利的地質。

1 地質環境概況

1.1 地層特性

長白山地區的地層出露比較完全，從古生代到新生代呈現出整齊的層序特征[7]。在二疊紀以前，長白山地區的地層巖性主要是以變質巖為主，分布在老齡山脈和龍崗山脈之間的渾江古地槽內；二疊紀到中生代期間，長白山地區的地層巖性主要是碎屑巖為主，且呈現出零散分布的特點[8]；到了第三紀，長白山地區的火山活動比較強烈，多旋回基性巖漿噴溢是主要的地層巖性，分布在各個區域。長白山地區不同巖組的二氧化硅豐度可以達到50%以上，為天然礦泉水中偏硅酸的富集提供了豐富的物質來源。

1.2 水文特征

長白山天然礦泉水水源地中，含水巖主要包括玄武巖孔洞裂隙水、碳酸鹽巖類溶洞裂隙水和基巖裂隙水，其中玄武巖孔洞裂隙水幾乎遍布全區[9]，其中泉陽鎮、二道白河、靖宇縣中部和輝南縣東部三角龍灣附近的富水性較好，單井涌水量1000～5 000 m3/d，特別是安圖縣二道白河地區和撫松縣泉陽、漫江等地區，水量極為豐富[10]，泉群流量最大可達500 L/s以上。

碳酸鹽巖類溶洞裂隙水主要分布在長白山渾江的向斜盆地，碳酸鹽含水層中的地下水一般是低礦化的重碳酸型水，單個水井涌水量可以達到100～5 000 m3/d[11]。

基巖裂隙水主要賦存在結晶巖中，一般富水性比較差，主要為低礦化的重碳酸鈣型水，單個水井涌水量在100 m3/d以內，然而如果存在構造裂隙，單個水井涌水量可以達到100～1 000 m3/d[12]。

1.3 水資源儲量

長白山地區擁有豐富的天然礦泉水資源和類型，目前在長白山地區探測到170多個天然礦泉水水源地，該區域內允許開采的天然礦泉水總量大約為30萬m3/d，占全國天然礦泉水開采量的10%左右[13]。在長白山天然礦泉水水源地中，超過600 m3/d的水資源是允許開采的，一共有46個水源地可供10萬t以上天然礦泉水生產基地的開采，其中有十多處天然礦泉水日均流量在萬噸以上，包括輝南縣大泉眼、靖宇縣白漿泉和撫松縣錦江礦泉等，單個泉眼的超大流量在全國都是非常罕見的[14]。長白山天然礦泉水水源地中，天然礦泉水水源地的開采量在300～600 m3/d的水源地有34處，年開采量在5萬～10萬t；天然礦泉水水源地的開采量在300 m3/d以下的水源地有92處，年開采量在5萬t以下[15]。此外，還有很多熱礦泉分布在長白山地區，最高溫度可以達到82 ℃，每日的最高流量可以達到3 300 m3，對土壤加溫、養殖業、洗浴業、溫泉療養以及輔助采暖等產業的開發十分有利。

2 實驗方法

為了研究長白山天然礦泉水的水源地質情況，選擇包氣帶為實驗對象，包氣帶是連接地下水和地面的過渡層[16]，一切污染物都會經過包氣帶傳輸到地下水系統中，因此研究長白山天然礦泉水水源地的包氣帶吸附效果，可以提高長白山天然礦泉水的質量。

2.1 材料與儀器

實驗過程中，選擇的供試土壤為長白山地區天然礦泉水水源地包氣帶，采樣地點分別為長白山的東郊水源地包氣帶、南郊水源地包氣帶和北郊水源地包氣帶。在表層土壤中選擇20 cm以內的采樣深度，將采集的土壤風干處理[17]，去除土樣中的草根和石塊雜物，經過60目的篩子后作為實驗用土。

長白山天然礦泉水水源地質研究中所用到的儀器見表1。

表1 實驗儀器Tab.1 Experimental Instruments

2.2 苯酚分析方法

先取濃度為30 μg/mg的苯酚溶液，利用蒸餾水作為苯酚溶液的參比[18]，在不同波長位置處測試苯酚溶液的吸光度，繪制苯酚溶液吸光度曲線，如圖1所示。

圖1 苯酚溶液紫外吸收光譜Fig.2 UV absorption spectrum of phenol solution

圖1中，在紫外吸收光譜區域，苯酚容量存在兩個吸收帶，分別是波長為260 nm和292 nm，由于波長為292 nm處于紫外吸收光譜的末端，長白山天然礦泉水水源地質中的很多無機離子在該區域有吸收，因此292 nm不適合作為苯酚溶液的分析波長；吸收波長為260 nm時，苯酚溶液的吸光度比較大，在該區域基本上不會吸收其他有機物。因此，選擇260 nm作為苯酚溶液的分析波長。

確定了苯酚溶液的分析波長之后，配制濃度在0～60 μg/mg的苯酚溶液[19]，依舊選擇蒸餾水作為苯酚溶液的參比，在吸收波長為260 nm處，繪制苯酚溶液標準曲線，如圖2所示。

圖2 苯酚溶液標準曲線Fig.2 Standard curve of phenol solution

根據圖2的曲線發現，當苯酚溶液濃度在0～60 μg/mg時，吸光度與苯酚濃度之間呈現出一種線性的關系。

2.3 柴油分析方法

先取濃度為13 μg/mg的柴油溶液，利用蒸餾水作為柴油溶液的參比，在不同波長位置處測試柴油溶液的吸光度[20]，繪制柴油溶液吸光度曲線，如圖3所示。

圖3 柴油溶液紫外吸收光譜Fig.3 Ultraviolet absorption spectrum of diesel solution

從圖3的結果可以看出，柴油溶液在紫外區有2個吸收帶，分別是波長為288 nm和310 nm。由于波長為310 nm處于紫外吸收光譜的末端，長白山天然礦泉水水源地質中的很多無機離子在該區域有吸收，因此310 nm不適合作為柴油溶液的分析波長；吸收波長為288 nm時，柴油溶液的吸光度比較大，在該區域基本上不會吸收其他有機物。因此，選擇288 nm作為柴油溶液的分析波長。

確定了柴油溶液的分析波長之后，配制濃度在0～25 μg/mg的柴油溶液，依舊選擇蒸餾水作為柴油溶液的參比，在吸收波長為288 nm處，繪制柴油溶液標準曲線，如圖4所示。

圖4 柴油溶液的標準曲線Fig.4 Standard curve of diesel solution

由圖4可知，當柴油溶液濃度在0～25 μg/mg時，吸光度與柴油濃度之間呈現出一種線性的關系。

3 結果分析

3.1 苯酚動力學吸附實驗

根據靜態吸附實驗，使用濃度為30 μg/mg的苯酚溶液對長白山地區天然礦泉水水源地包氣帶的土壤樣品進行測試，在不同時間維度下，測定吸附液中苯酚溶液的剩余濃度，根據苯酚濃度對應的吸光度，確定吸附量，得到了吸附量與時間的變化曲線，如圖5所示。

圖5 苯酚吸附動力學曲線Fig.5 Adsorption kinetics curve of phenol

在不同的供試土壤樣品吸附液中，測試得到的苯酚溶液濃度見表2。

表2 苯酚濃度變化情況Tab.2 Changes of phenol concentration

根據苯酚吸附的動力學曲線和濃度變化情況，得到了不同水源地包氣帶中，土壤樣品吸附苯酚的動力學參數，見表3。

表3 土壤樣品吸附苯酚的動力學參數Tab.3 Kinetic parameters of phenol adsorption on soil samples

3.2 柴油動力學吸附實驗

根據靜態吸附實驗，使用濃度為25 μg/mL的柴油溶液對長白山地區天然礦泉水水源地包氣帶的土壤樣品進行測試，在不同時間維度下，測定吸附液中柴油溶液的剩余濃度，根據柴油濃度對應的吸光度，確定吸附量，得到了吸附量與時間的變化曲線，如圖6所示。

圖6 柴油吸附動力學曲線Fig.6 Adsorption kinetics curve of diesel oil

在不同的供試土壤樣品吸附液中，測試得到的柴油溶液濃度見表4。根據柴油吸附的動力學曲線和濃度變化情況，得到了不同水源的包氣帶中，土壤樣品吸附柴油的動力學參數，見表5。

表4 柴油濃度變化情況Tab.4 Variation of diesel concentration

表5 土壤樣品吸附柴油的動力學參數Tab.5 Kinetic parameters of diesel adsorption on soil samples

4 討論

4.1 苯酚動力學吸附實驗結果

觀察圖5可以看出，3個長白山天然礦泉水水源地包氣帶的土壤樣本都是對苯酚起到吸附作用，隨著時間的變化，供試土壤對苯酚的吸附量變化趨勢基本相同。在前30 min內，隨著時間的變化，3種供試土壤對苯酚的吸附量急速上升，實驗從30～80 min，供試土壤對苯酚的吸附量出現比較慢的變化趨勢，之后，供試土壤對苯酚的吸附量基本不變，為了確保供試土壤對苯酚的吸附平衡，需要將靜態吸附實驗的振蕩時間控制在80 min以上。

實驗結果表明，3個天然礦泉水水源地包氣帶對苯酚的平衡吸附時間為2 h，吸附速率分別可以達到19.145 5、21.554 5、19.695 5 mg/(kg·h)，說明長白山天然礦泉水水源地包氣帶對苯酚有機物的吸附效果很好。

4.2 柴油動力學吸附實驗結果

觀察圖6可知，3個長白山天然礦泉水水源地包氣帶的土壤樣本都是對柴油溶液起到吸附作用，隨著時間的變化，供試土壤對柴油的吸附量變化趨勢基本相同。在前10 min內，隨著時間的變化，3種供試土壤對柴油的吸附量急速上升，在實驗進行40 min時，供試土壤對柴油的吸附量基本達到了平衡狀態。

表4與表5實驗結果表明，3個天然礦泉水水源地包氣帶對柴油的平衡吸附時間為40 min，吸附速率分別可以達到1.734 725、2.282 900、2.995 925 mg/(kg·min)，說明長白山天然礦泉水水源地包氣帶對柴油有機物的吸附效果依然很好。

5 結語

本文提出了基于包氣帶動力學的長白山天然礦泉水水源地的土壤吸附能力研究方法，根據長白山地區的地質條件，以長白山天然礦泉水水源地的包氣帶為研究對象，進行了苯酚動力學吸附實驗和柴油動力學吸附實驗。吸附實驗結果表明，前30 min內，土壤對苯酚的吸附量急速上升；平衡吸附時間為2 h，吸附速率分別可以達到19.145 5、21.554 5、19.695 5 mg/(kg·h)。前10 min內，土壤對柴油的吸附量急速上升；平衡吸附時間40 min，吸附速率可達1.734 725、2.282 900、2.995 925 mg/(kg·min)。因此，表明長白山天然礦泉水水源地的包氣帶對苯酚和柴油兩種有機物的吸附效果非常好。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以對長白山地區的水質進行測試，從而提高長白山天然礦泉水的質量。