The transport and retention of CQDs-doped TiO2 in packed columns and 3D printed micromodels

CQDs-doped TiO₂（C-TiO₂） has drawn increased attention in recent because of its excellent catalytic performance.Understanding the transport of C-TiO₂ in porous media is necessary for evaluating the environmental process of this new nanomaterial.Column experiments were used in this study to investigate ionic strength（IS）,dissolved organic matter（DOM）and sand grain size on the transport of C-TiO₂.The mobility of C-TiO₂ was inhibited by the incr...     

离子强度对蒙脱石胶体在饱和多孔介质中运移与释放的影响

胶体在介质中的沉积和释放过程直接影响污染物的迁移和固定能力,本文以蒙脱石胶体作为主要实验材料,通过室内模拟实验,研究了不同离子强度条件下,蒙脱石胶体在多孔介质中的迁移和释放规律.结果表明:溶液离子强度的变化,会强烈影响蒙脱石胶体的运移及释放过程,随着溶液离子强度的增加,胶体在多孔介质中的沉积量增大,而当降低溶液的离子强度,又会使沉积在多孔介质中的胶体得以释放,并且离子强度改变次数越多,胶体的释放总量越大.     

腐殖酸作用下酸性多孔介质中纳米TiO2的迁移与滞留机制

探讨了富里酸（FA）和胡敏酸（HA）存在条件下饱和石英砂填充柱中纳米二氧化钛（nTiO₂）的迁移和滞留机制.结果表明,pH 4.0条件下,不存在FA和HA时,nTiO₂不发生迁移;FA和HA吸附到nTiO₂表面,改变nTiO₂电动性质,促进其在饱和多孔介质柱中迁移.随着FA和HA浓度由1mg/L升高至10mg/L,nTiO₂的流出率（填充柱流出液与进液中nTiO₂总量的比值）分别由0.01和0.88升高至0.91和0.94;相同条件下,HA在nTiO₂表面的吸附量比FA大,对nTiO₂迁移性的促进作用也更大.离子抑制nTiO₂的迁移,且CaCl₂影响大于NaCl.相同NaCl浓度,与FA相比,HA作用下nTiO₂的迁移性更强,并且7%~56%的nTiO₂沉降在第二极小势能区,高于FA作用下的4%~17%,更易被重新释放.nTiO₂与石英砂之间的高势垒促进nTiO₂的迁移,而低势垒、第二最小势能、阻塞作用、扩散和重力沉降是nTiO₂滞留的主要原因.     

饱和多孔介质中胶体运移模拟方法研究进展

阐述了国内外针对胶体在饱和多孔介质中运移模拟方法的研究进展：胶体在多孔介质中由于对流和弥散作用发生运移,而由于表面沉积和筛滤作用滞留在多孔介质中,通常采用含有滞留项的对流弥散方程对胶体的运移行为进行宏观描述,并通过拟合得到胶体运移和滞留的宏观参数,但是对流弥散方程是对试验曲线的宏观描述,无法解释其背后的微观机理;胶体的运移和滞留作用由胶体的微观受力决定,包括胶体在水中的布朗运动和有效重力,胶体-胶体/胶体-固相表面之间的相互作用以及流场作用在胶体上的力3个部分;为了实现从微观受力到宏观参数的升尺度计算,研究者们提出了胶体过滤理论及其后续的修正方法对沉积速率等宏观参数进行预测,然而现有方法通常基于简化的流场,忽略了多孔介质复杂孔隙结构和表面特性的影响;孔隙结构模型是多孔介质孔隙结构的简化模型,基于该模型能够从胶体在多孔介质中的微观力学分析出发,预测胶体的宏观运移行为,然而已有研究中尚未全面的考虑胶体在多孔介质中运移和滞留的多种作用.本文总结了该领域待解决的问题,包括建立考虑微观机理的对流弥散方程,发展考虑多孔介质孔隙结构的胶体过滤理论以及完善基于孔隙结构模型的胶体运移模拟方法.     

不同环境因子对黑土胶体在饱和多孔介质中运移特性的影响

为评价不同环境条件下黑土胶体在地下水多孔介质中的运移,采用离心法对采自于黑龙江海伦黑土样品中的胶体颗粒进行提取. 通过胶体在石英砂填充柱中的淋溶试验研究了pH、离子强度和溶解性有机质等环境因子对胶体在多孔介质中运移特性的影响. 结果表明:当pH在4～9的范围内变化时,MR(回收率)和k(沉积速率系数)没有发生显著变化,即其对胶体运移能力影响不显著. 随着离子强度从0.001 mmol/L升至1 mmol/L,黑土胶体穿透曲线MR降低,k值升高,说明高无机离子强度使胶体易于沉积在石英砂表面,运移能力降低. 当溶液中含有溶解性有机质HA(胡敏酸)和FA(富里酸)时,MR降低,k值增加,表明胶体运移能力受到抑制,并且FA对胶体颗粒运移的抑制作用比HA强. 溶液离子强度、HA和FA含量对黑土胶体在饱和多孔介质中的运移过程影响较大,是影响地下水中胶体运移过程的关键环境因子.      

Effects of surfactants on graphene oxide nanoparticles transport in saturated porous media

Transport behaviors of graphene oxide nanoparticles (GONPs) in saturated porous media were examined as a function of the presence and concentration of anionic surfactant (SDBS) and non-ionic surfactant (Triton X-100) under different ionic strength (IS). The results showed that the GONPs were retained obviously in the sand columns at both IS of 50 and 200 mmol/L, and they were more mobile at lower IS. The presence and concentration of surfactants could enhance the GONP transport, particularly as observed at higher IS. It was interesting to see that the GONP transport was surfactant type dependent, and SDBS was more effective to facilitate GONP transport than Triton X-100 in our experimental conditions. The advection–dispersion–retention numerical modeling followed this trend and depicted the difference quantitatively. Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek (DLVO) interaction calculations also were performed to interpret these effects, indicating that secondary minimum deposition was critical in this study.     

径流入渗时土壤胶体释放对重金属截留的影响

以吉林黑土、北京黄土和河北砂土作为模拟下渗柱土壤介质,考察进水pH值、流速和离子强度等条件变化时土壤胶体释放对重金属截留效果的影响,并揭示其主要作用机制.结果表明,土壤胶体与土壤颗粒间静电斥力是影响土壤胶体释放的主要因素,pH值为7.0时黑土、黄土和砂土胶体释放浓度最高,分别为216.5,182.4和272.2mg/L...     

混合钠-钙电解质溶液的物质的量比和胶体粒径对胶体在饱和多孔介质中运移的影响

通过室内砂柱实验,研究了饱和多孔介质中,相同离子强度条件下,混合钠-钙电解质溶液的Ca~(2+)/Na~+物质的量比和胶体粒径对胶体运移的影响.实验结果表明,胶体粒径相同时,随着背景电解质溶液物质的量比的增大,胶体的滞留量增多;物质的量比相同时,相同质量浓度条件下,粒径越小的胶体滞留量越大.经模型拟合,考虑Langmuirian动力学阻塞和与深度有关的沉积行为的对流-弥散-吸附-解吸方程能够很好地描述本次实验条件下胶体在饱和多孔介质中的运移行为.     

不同酸碱条件下胶体迁移对含水介质渗透性的影响

文章通过室内土柱实验,研究胶体在迁移过程中对含水介质渗透性的影响以及不同酸碱条件下含水介质渗透性变化的特征,并从胶体的动电性质、粒径分布以及胶体与含水介质的空间排斥效应等方面对含水介质渗透性变化的微观机理进行探讨。研究结果表明,胶体溶液的酸碱度对含水介质的渗透性影响很大,中性和碱性条件下,胶体容易迁移,含水介质渗透性变化小。不同酸碱度条件下胶体粒度、表面动电性质不同:在酸性环境下出水胶体表面zeta电势和淌度为正,由于胶体带正电荷与含水介质表面所带负电荷的电性相反,电荷之间的吸引作用使胶体沉积作用加大,随着胶体聚沉在含水介质表面上渗透性急剧降低;在碱性环境中出水胶体表面zeta电势和淌度为负,电荷间的排斥作用将极大地促进胶体在含水介质中的迁移。     

多孔介质中泡沫的迁移特性和影响因素研究

通过设计一系列模拟柱实验探讨了泡沫在非饱和多孔介质中的运移特征以及泡沫质量、泡沫注入速率、介质渗透率对泡沫注入压力的影响.研究表明:泡沫气体锋面、泡沫液体锋面与泡沫锋面在多孔介质中是分离迁移的,且迁移速度大小关系为泡沫气体锋面>泡沫液体锋面>泡沫锋面;泡沫锋面相对于泡沫气体锋面的延迟系数为2.0.在泡沫运移过程中,模拟柱中压力的产生主要发生并均匀分布在泡沫覆盖区域中,固定点处压力随时间呈直线增加趋势;泡沫在1~1.2mm介质中的有效粘度为85.49mPa·s,是水在介质中运移有效粘度的84.64倍(水的有效粘度为1.01mPa·s).由此可知,泡沫注入模拟柱时需要较大的压力,主要是由于泡沫的有效粘性较大引起的.介质渗透率对泡沫注入压力的影响主要取决于泡沫注入速率;当单位面积泡沫注入速率相同时,泡沫注入压力随介质渗透率增大而降低. 当泡沫质量为91.4%时,当泡沫注入速率由2.1mL/min升高至3.2mL/min与4.4mL/min时,压力梯度由26.95psi/m升高至30.74与46.40psi/m,而当泡沫注入速率为3.2mL/min时,当泡沫质量由93.5%降低至91.4%与88.2%时,压力梯度由30.16psi/m升高至30.74与34.57psi/m,由此可知,泡沫质量与泡沫注入速率均对泡沫注入速率产生影响,然而泡沫注入速率的影响大于泡沫质量对注入压力的影响.     

多孔介质中微生物生长与衰亡过程介观分析

采用LBM-IBM耦合方法模拟多孔介质中流场,应用细胞自动机模型模拟多孔介质表面微生物生长衰亡过程,在介观层面上揭示生物堵塞的动态发展过程及其造成多孔介质渗透性能改变的本质。研究发现:当营养物入口浓度增加100%时,30 h内相对渗透率衰减增加6.25%~45.5%;且生物堵塞存在淤堵临界时刻,随着营养物入口浓度增加而提前。不同条件下,多孔介质渗透性能均呈不同程度的下降趋势,多孔介质内生物堵塞在空间分布上均呈明显的不均匀性。生物增长具有浓度趋向性,局部孔隙内微生物生长衰亡行为决定了多孔介质的堵塞程度,但部分生物的衰亡不会改变多孔介质整体渗透性能的下降趋势。温度升高25%,多孔介质相对渗透率衰减最高可增加5倍以上,且不同位置生物堵塞对温度的敏感度存在显著差异。     

强化浅基质层干植草沟对道路径流的脱氮效果

搭建6个不同结构和介质组成的浅基质层干植草沟模拟柱,在基质层添加较多发酵木屑,利用进水期的脱氮作用,并设置饱水层提高设施落干期脱氮能力,从而强化设施全周期脱氮效果.以半人工道路径流作为进水,考察各模拟柱运行效果,并结合分层取样水质检测结果和模拟柱内体积含水率、ORP的变化过程,分析氮素在不同模拟柱内的去除机制.结果表明:在运行参数相对实际应用环境更为不利的条件下,设置饱水层的模拟柱的TN去除率在67%～78%; TN去除过程主要发生在进水期,且在含较多发酵木屑的基质层即被大量去除;设置饱水层不仅可提高落干期设施脱氮能力,还可保证较浅的基质层在进水期快速达到适宜反硝化的缺氧条件,从而保证进水期设施的脱氮效果;设置持水性过渡层并在其中放置有机质可以有效平衡饱水层碳源补给并控制有机质淋失的问题.     

饱和多孔介质中水流停滞对胶体吸附与解吸的影响

地下水水流停滞区域是胶体污染物吸附的重要场所.为研究水流停滞时间对胶体在饱和多孔介质中再迁移的影响,在石英砂柱与胶体达到稳定吸附后中断水流,分别设置水流停滞时间0、15、32、64、87、120 h,比较胶体的再迁移能力.结果表明:①水流停滞时间在32 h以内时,通入去离子水可使5.2%~5.3%的胶体被解吸出来再次随水流迁移,解吸量介于0.54~0.56 mg之间,对胶体再迁移能力的影响不明显;水流停滞时间为32~120 h时,水流停滞时间增加会导致胶体再迁移能力降低;水流停滞时间达到120 h,胶体主要楔在石英砂颗粒间,难以被解吸出来,此时仅有1.8%的胶体再次随水流迁移.②水流停滞时,以自上而下的流通方式吸附在土柱中的胶体受重力作用可能跨过能垒吸附在初级势阱中,使再迁移能力降低;然而在自下而上的流通方式下吸附在土柱中的胶体受重力影响难以跨过能垒吸附在初级势阱中,胶体再迁移能力较强.③当以≤ 30.2 m/d的流速通入背景液时,流速对胶体解吸的影响不如通入去离子水时显著.研究显示,水流停滞时间对吸附在饱和含水介质上胶体的再迁移能力有明显影响,重力作用在不同的流通方式下不同.      

多聚物吸附纳米零价铁在多孔介质中的迁移

针对纳米零价铁在多孔介质中的迁移特点,本文通过实验室柱实验和腐蚀实验分析了不同聚丙烯酸（PAA）包覆浓度下的纳米零价铁（nZVI）在石英砂介质中的迁移和其接触不同电解质溶液6h的反应活性.利用迁移距离和穿出率,表征了不同纳米铁材料的迁移性能.应用pH值、氧化还原电位（ORP）、Fe²⁺浓度、X射线衍射（XRD）和Fe⁰含量随时间变化图像表征纳米零价铁腐蚀程度.实验结果表明,PAA显著提高了纳米零价铁材料的迁移距离.10%聚丙烯酸包覆浓度下,实验室合成纳米零价铁的迁移效果最佳,穿出率可达58.65%.在6h的腐蚀实验中,10%聚丙烯酸包覆的零价铁含量有一定的降低,但是零价铁损失相对于20% PAA包覆的零价铁少.综合考虑迁移性和反应活性,10% PAA包覆浓度下实验室合成纳米零价铁是适用于地下水污染原位修复的最佳材料.     

典型抗生素在多孔介质中迁移特性的对比研究

为系统探究抗生素在饱和多孔介质中的迁移行为,选取两类典型抗生素—磺胺类（Sulfonamides, SAs）和氟喹诺酮类抗生素（Fluoroquinolones, FQs）,通过室内砂柱迁移实验,重点对比研究了水化学条件及介质粒径对两类抗生素迁移的影响.结果表明,不同种类抗生素在饱和石英砂多孔介质中的迁移特性不同.在实验pH（5.6~9.5）条件下,低解离常数使得SAs多以带负电形态出现,因静电斥力导致SAs在石英砂介质中具有强迁移能力,流出液中SAs回收率>97%;pH、离子强度（NaCl、CaCl₂）及介质粒径对抗生素的迁移无显著影响.FQs多呈阳离子形态及两性形态,受静电引力控制,FQs迁移能力相对较弱,但移动性随溶液pH升高而增大,NaCl和介质粒径对FQs迁移影响不显著,竞争吸附导致高浓度CaCl₂促进FQs迁移能力.本研究结果阐明了SAs和FQs在多孔介质中不同水化学条件（pH、NaCl及CaCl₂离子强度）下及不同介质粒径中的迁移过程,可为抗生素环境风险的预测和评估及污染修复提供指导.     

典型地区饱和土壤中硝态氮垂直运移及拟合

采用室内土柱模拟的方法, 研究了封丘地区农田土壤中硝态氮垂直运移规律. 结果表明: 在饱和条件下, 不同浓度硝态氮溶液(100mg·L^-1、200mg·L^-1)处理的土壤, 硝态氮运移的穿透曲线间无明显影响. 用含有不同价态陪伴阳离子(K⁺和Ca²⁺)的硝态氮溶液处理黄潮土0～30cm土层和风沙土, 硝态氮运移的穿透曲线基本重合; 而陪伴Ca²⁺硝态氮溶液处理的黄潮土30～60cm、60～90cm土层中硝态氮出流时间具有滞后效应. 硝态氮溶液全部运移出土体所需时间越长, 穿透曲线越平缓、峰值越低. CXTFIT2.0数学模型估算的稳定水流条件下饱和土壤中硝态氮淋失量具有较高精度, 相关系数均达到极显著水平.     

pH对粘土矿物胶体在饱和多孔介质中运移的影响

环境pH值条件的变化是影响土壤胶体运移的重要因素之一.本文选取土壤体系中常见的两种不同结构类型的粘土矿物胶体高岭石和蒙脱石作为主要实验材料,通过室内模拟实验和数学模型分析的手段,分别研究了不同pH值条件下,两种无机胶体在多孔介质中的迁移规律.结果表明:高岭石胶体受溶液的pH条件影响强烈,随着pH的变化,ξ电位及颗粒粒径大小发生明显变化,不同的pH条件下的穿透曲线差异明显.在酸性条件下,高岭石胶体回收率显著降低,而蒙脱石胶体基本不受pH影响;利用HYDRUS-1D模型拟合结果与测定数据之间非常匹配,说明利用该模型模拟饱和条件下胶体在多孔介质中的迁移完全可靠.     

基于LBM-DEM耦合研究多孔介质中生物膜对悬浮粒子运移的影响

生物膜是多孔介质中普遍存在的细菌群落,会与悬浮粒子相互作用并影响粒子的迁移沉积。采用格子玻尔兹曼-离散单元耦合方法(LBM-DEM)研究了悬浮粒子在覆盖生物膜多孔介质中的运移。发现生物膜的存在会降低孔喉尺寸和DLVO排斥势垒,这有助于增强悬浮粒子的沉积。进出口压差是影响粒子滞留率的主要因素,低进出口压差下粒子无法突破排斥能垒,高压差下流体力通过改变粒子的沉积位置可提高渗透率。溶液离子强度变化主要影响排斥屏障。高离子强度的溶液中,粒子滞留率对压差变化响应较小;低离子强度溶液中,粒子滞留率受进出口压差的影响较大。此外,从介观角度观察入流速度对悬浮粒子黏附与滚动的影响,发现粒子的初始沉积点与来流方向的角度随着粒子速度的增加而减小。     

催化氧化除氨氮/锰滤料活性恢复方式优化研究

以催化氧化除氨氮/锰失活滤料为研究对象,考察了3种不同恢复方式(自然恢复,投加碱度,再次挂膜)对滤料催化氧化氨氮、锰效能的影响.结果表明,自然恢复(1#)滤柱,投加碱度(2#)滤柱,再次挂膜(3#)滤柱分别于4,2,3d后氨氮去除率达到90%以上;逐渐提高氨氮浓度,3#再次挂膜滤柱出水氨氮浓度波动最大,1#自然恢复滤柱恢复期间出水亚硝氮积累时间最长且峰值最高.3根滤柱催化氧化去除锰活性恢复速度均较快.1#自然恢复滤柱和2#碱度恢复滤柱均能在2d内将锰完全去除.3#挂膜滤柱是在停止投加高锰酸钾后5d内实现将进水锰完全去除.氨氮和锰的相互影响实验结果表明,3根滤柱中投加碱度(2#)滤柱表现最优.尽管氨氮抑制锰的去除,但是投加碱度滤柱随着进水氨氮浓度的升高出水锰浓度始终低于0.1mg/L;锰对氨氮的去除影响不显著.XRD分析结果表明,受其表面负载新生成氧化膜的影响,高锰酸钾重新挂膜滤柱的滤料样品的结晶度较差.综合考虑氨氮和锰的活性恢复效率以及挂膜过程中药品的投加,提出采用自然恢复方式最适.     

十二烷基苯磺酸钠强化抽出处理对地下水中1，2-二氯乙烷的去除效果

对于地下水中的1,2-DCA(1,2-dichloroethane,1,2-二氯乙烷),表面活性剂强化抽出处理是一种十分有效的修复技术.为明确表面活性剂浓度、介质粒径及抽出速率等因素对1,2-DCA修复效果的影响,选取石英砂作为多孔介质,1,2-DCA作为DNAPLs(dense nonaqueous phase liquids,重质非水相液体)代表,SDBS(sodium dodecylbenzenesulfonate,十二烷基苯磺酸钠)作为表面活性剂代表,在二维可视化砂箱中采用染色示踪结合图像分析技术对汇于凹陷弱透水层上的1,2-DCA开展SDBS强化抽出处理试验.结果表明:SDBS对1,2-DCA具有显著增溶作用.4组纯水试验的抽出液中ρ(1,2-DCA)最大值为219.15 mg/L,加入1倍CMC和3倍CMC(CMC为临界胶束浓度)的SDBS后,ρ(1,2-DCA)最大值分别升至650.95和800.44 mg/L.1,2-DCA去除总量随ρ(SDBS)的升高而增加,其中加入3倍CMC的SDBS条件下1,2-DCA的去除总量是纯水试验条件下的1.44～2.06倍.细粒径中的毛细力比粗粒径中更大,并且1,2-DCA的最大污染面积是粗粒径条件下的2.18～3.14倍,1,2-DCA与SDBS溶液接触面积的增大有利于提高SDBS对1,2-DCA的去除效果.同时增加抽出-回注流量可以扩大1,2-DCA与SDBS溶液的接触面积,提高1,2-DCA向溶液中的传质效率,进而提高1,2-DCA的去除效果.研究显示,SDBS强化抽出处理技术能够显著提高地下水中1,2-DCA的去除总量和去除效率.