地下水中Tween80对DNAPL运移和分布的影响

选用地下环境中普遍存在的四氯乙烯（PCE）为典型DNAPLs污染物,建立二维砂箱模型,研究一种人为引入表面活性剂Tween 80对粗砂介质中DNAPLs迁移和分布的影响.测定了含不同浓度Tween 80水溶液/石英砂/PCE三相体系下的液/液界面张力及PCE在石英介质表面的接触角,结果表明PCE在石英砂表面的接触角随着Tween 80浓度的增大而增大,PCE/水的界面张力随着Tween 80浓度的增大而减小,Tween 80浓度在CMC值附近时变化急剧.随后的二维砂箱实验定量描述地下水中表面活性剂Tween 80对PCE的迁移和最终形态的影响.由于Tween 80可以使石英砂介质由水相润湿转变为中间润湿或油相润湿态,相应地在20~30目的粗砂均质介质中Tween 80对DNAPLs迁移存在明显影响.背景溶液中表面活性剂的存在使得DNAPL的垂直运移速度减小,垂向迁移距离减小,最终使得被截留在运移路径上的残留PCE增加.和纯水流情况下相比,地下水中含有表面活性物剂Tween 80时,使得DNPAL污染羽向水流方向偏移减弱,污染羽展布面积与纯水情形下相比,在垂向上均明显减小,并且以较大饱和度残留的DNAPL量增加.     

污染源区结构特征对Tween 80去除DNAPL效果的影响

选择四氯乙烯（PCE）作为特征污染物,通过二维砂箱实验探究3种介质情景中,污染源区结构特征对Tween 80冲洗去除PCE的影响.采用透射光法监测PCE的运移及去除过程,定量测定PCE的饱和度.进而采用不连续的离散状与连续的池状PCE体积比（GTP）定量表征污染源区结构特征.结果表明,PCE在含透镜体介质中运移时,运移路径延长,离散状PCE增多.离散状PCE与Tween 80溶液的有效接触面积较大,被优先溶解去除,而细砂层上部的污染池的比表面积和接触面积较小,溶解能力有限,远比运移路径上的PCE难以去除.此外,初始离散状PCE较多,GTP较大,有利于池状PCE溶解转变为离散状PCE,PCE去除率增大.因此对于实际污染场地,需要详细分析DNAPLs污染源区结构特征,以助于评估表面活性剂冲洗技术的修复效率及试剂消耗.     

利用截留数定量表征流速变化时DANPL驱替运移行为

SEAR(Surfactant-enhanced aquifer remediation)技术被用于修复DANPL,其修复机制分为增溶作用和驱替作用,其中驱替作用对于DNAPL的修复更为有效.多孔介质中DNAPL的驱替运移过程中,定量评价DNAPL的修复行为极为重要.本文利用多相流数值模型UTCHEM探究了流速对DNAPL驱替运移行为的影响.通过截留数定量评价流速变化时DNAPL的驱替行为,结果表明流速变化时,截留数能较准确描述驱替运移行为及流速变化时DNAPL的驱替效率.以截留数的两个分量毛管数和邦德数的比值定义的角度τ能够较准确预测不同流速条件下驱替作用过程中残留DNAPL的运移路径.     

表面活性剂增强修复地下水中PCE的砂箱实验及模拟

在石英砂充填的二维砂箱中开展表面活性剂（Tween 80）冲洗四氯乙烯（PCE）的修复实验,基于图像分析技术监测不同污染源区结构条件下NAPL相的去除过程.由于实验条件限制,实验中缺乏溶解相浓度数据.为此进一步基于UTCHEM数值模拟方法来理解NAPL相和溶解态之间的质量传输过程,并探讨表面活性剂浓度、注入速率等因素对修复效率的影响.综合砂箱实验和数值模拟结果表明：介质均质和非均质条件下会形成不同类型DNAPL污染源区结构,表现为离散状PCE与池状PCE体积比（GTP）差异.由于离散状污染物与表面活性剂的接触面积更大,更易被优先去除;初始GTP值越高,污染物的修复速率和修复效率也越高.增大表面活性剂浓度或提高表面活性剂的注入速率,虽然能提高DNAPL的修复速率,但会明显降低表面活性剂的修复效率,实验过程中修复效率降幅可达93%.线性驱动溶解模型可以有效地模拟表面活性剂修复DNAPLs过程,基于数值模拟方法选择合适的表面活性剂配比可有效的节省实际污染场址修复经费和时间成本.     

饱和多孔介质中DNAPL污染源区结构及质量溶出

为探究重非水相液体（DNAPL）在地下水中的运移和溶出行为,选取四氯乙烯（PCE）为代表,采用透射光法动态监测PCE在二维砂箱中的运移和分布,并以顶空气相色谱法监测其质量溶出,在此基础上通过乙醇冲洗来改变PCE分布,对比分析相应源区结构和溶出浓度的变化.结果表明：PCE的运移以垂向入渗为主,并伴随由毛细管力引起的横向迁移;污染源区面积和溶出浓度的变化具有明显一致性,均先迅速增大而后趋于平稳,由于泄露量小,70.7%的PCE以ganglia态残留在运移路径上.乙醇主要通过增溶作用改变污染源区结构,对PCE的空间展布影响弱,乙醇冲洗后ganglia态PCE占比增至99.6%,GTP值从2.4增至257.随着乙醇冲洗体积的增加,PCE源区面积从100cm²减至50cm²,对应溶出浓度从114mg/L减至12mg/L,二者呈较好的线性关系（R²=0.76）.此外,连续监测结果显示,在本研究的实验条件下,无论是否经过乙醇冲洗,PCE污染源区结构和其相应的质量溶出可以在一定时间内（至少16PVs）保持稳定.     

基于透射光法探讨水流流速对DNAPL运移分布的影响

重非水相污染物(DNAPL)在地下水中的运移分布受多种因素控制.选择四氯乙烯(PCE)作为DNAPL的代表,通过二维砂箱实验探究地下水流速对DNAPL运移分布的影响.采用透射光法(LTM)监测DNAPL在砂箱内的运移行为并定量分析DNAPL的饱和度,进而采用空间矩分析DNAPL污染羽的平均运移行为随时间的变化.结果表明,透射光法分析得到的DNAPL计算体积与实际注入体积有良好的相关性(R20.98),LTM的测量精度较高,可准确反映DNAPL的入渗行为和再分布过程.DNAPL饱和度和污染羽一阶矩(质心)的分析结果表明,流速的增加能够促进DNAPL在水平和垂直方向的运移使得运移路径倾斜,且其对DNAPL垂向入渗的促进作用更为明显;污染羽二阶矩(展布)的分析结果显示流速的增加还提高了DNAPL在横向和垂向的扩散速度,导致污染区域增大.实验过程中,DNAPL的饱和度直方图在较小地下水流速下始终呈单峰分布,在较大地下水流速下则逐渐呈双峰分布,且流速越大,两个峰值的间距越大.     

人工注气及生物产气对孔隙介质中DNAPL运移影响

重非水相液体(DNAPLs)的污染和治理问题是国内外研究热点,由地下水曝气技术注入的人工气体或生物作用等产生的气体必然对DNAPL在地下水系统中的运移及修复产生影响.采用CCD实时监测系统,以TCE为目标污染物,通过3个二维砂箱试验,以饱水条件下DNAPL的运移为对照,研究了人工注气及生物产气对DNAPL在孔隙介质中运移的影响.结果表明:(1)基于CCD相机的透射光监测系统是一种研究二维孔隙介质中多相流迁移规律的有效非侵入式监测方法,应用于实时监测水/NAPL,水/气,水/NAPL/气多相系统中流体渗流过程.(2)人工注气和生物产气两种条件下,气体在多孔介质中的分布特征有差异,前一条件下气体连续分布,后一条件下则以非连续分布的气泡为主.(3)在水/气两相系统中,气体的存在使得DNAPL污染羽的整体形状更加不规则;同时缩短了TCE污染羽前缘整体平均垂向下迁距离;也导致迁移路径上孔隙中TCE的截留量变小.DNAPL的入渗过程受重力影响以垂向渗流为主,垂向渗流时易于驱替孔隙中的水分,然而水平渗流时优先驱替孔隙中的空气.     

基于含水层DNAPL污染修复替代模型的多目标优化研究

基于Kriging方法建立表面活性剂强化修复DNAPL污染含水层的替代模型,与混合多目标算法NSGAII-HCS（Nondominated sortinggenetic algorithm II-Hill climber with step）耦合,实现修复成本最小化和治理效率最大化的多目标优化.以三维非均质承压含水层中PCE污染物的运移与修复过程为例,采用UTCHEM程序模拟表面活性剂强化修复含水层过程.将Kriging替代模型与多相流模型的输出结果进行对比,两种模型得到的含水层中PCE去除效率的平均相对拟合误差为0.80%,相关系数为0.9992,表明Kriging模型可以有效替代多相流模型.进一步将替代模型的Pareto最优解与相应的多相流模型的模拟值进行比较,得到两种模型的平均相对拟合误差仅为0.70%,相关系数达0.9998,表明在多目标优化的迭代求解过程中可以直接调用Kriging替代模型,而无须重复调用多相流模型的大负荷运算,从而为制定表面活性剂强化含水层修复决策提供一种稳定可靠的多目标优化方法.     

Brij35构筑原位微乳液对四氯乙烯的增溶及脱附效果

利用非离子表面活性剂Brij35与助溶剂正丁醇的二元溶液,与四氯乙烯（PCE）在含水层原位构筑微乳液.重点考察对PCE增溶性能和脱附能力以及在模拟含水层中的形成过程和对模拟含水层的修复效果.结果表明,微乳液对PCE的最大溶解度达到61.1g/L,增溶能力是单一Brij35溶液和其常规复配组合的9.7和2.3倍,并且PCE的溶解度与正丁醇体积分数呈线性正相关;脱附实验的结果表明：原位微乳液对不同类型介质中的污染物都能起到良好的脱附作用,脱附率是单一表面活性剂脱附率的3倍.同时发现正丁醇体积分数越高、介质粒径越大、微乳液黏度越低,污染脱附效率相对越高,其中250g/L Brij35-30%正丁醇的药剂组合对介质污染有着最佳的脱附效果.冲洗模拟含水层的实验结果证明,在冲洗过程中有原位微乳液的形成,前期以微乳液增溶为主,后期以表面活性剂增溶为主.冲洗结束后,共有94%的PCE被去除,并且还有效减轻了冲洗后期的拖尾现象.     

特殊地质条件下流动相原油在沿海土-水系统中的运移过程及机制研究

原油作为主要能源之一对现代社会的重要作用不言而喻,但其所带来的污染危害同样不容忽视.通过自制的有机玻璃水槽,建立模型模拟自然地层的非均质性,模拟了原油在沿海土-水系统中的运移过程,探讨了局部非渗透性透镜体、底部隔水层、土壤初始含水率、土壤质地、岩性突变界面对原油在砂土中运移速度和路径的影响.结果表明,局部非渗透性透镜体和底部隔水层对原油的运移具有阻碍作用,会改变其运动速度和路径.在一定范围内,土壤初始含水率越高,原油的侧向运移速率和垂向运移速率越大(模拟成层性土层中原油垂向运移速率随含水率增大,由0.43 cm·min~(-1)增大到1.00 cm·min~(-1),在低含水率区域原油侧向运移速率分别为0.08 cm·min~(-1)(粗-细界面)和0.10 cm·min~(-1)(细-粗界面),而在含水率较高的区域则为0.14 cm·min~(-1)),而过高的含水率又会阻碍原油的运移.土壤孔隙越大,垂向运移越快,侧向运移越慢,反之,垂向运移越慢,侧向运移越快(模拟成层性土层中,原油在粗砂中的垂向平均运移速率为0.54 cm·min~(-1),而在细砂中仅为0.33 cm·min~(-1),自然泄漏时原油在粗砂中的最大扩散范围为9.10 cm,在细砂中为12.50 cm).原油在土壤中运移遇到岩性突变界面时,会产生聚集效应,在聚集处产生侧向运移,试验中在粗-细界面扩散宽度为6.70 cm,在细-粗界面扩散宽度为29.00 cm.     

‘Emulsion locks’ for the containment of hydrocarbons during surfactant flushing

Reversible double water in oil in water (W/O/W) emulsions were developed to contain subsurface hydrocarbon spills during their remediation using surfactant flushing. Double emulsions were prepared by emulsifying CaCl₂ solutions in canola oil, and subsequently by emulsifying the W/O emulsions in aqueous sodium alginate solutions. The formation of double emulsions was confirmed with confocal and optical microscopy. The double emulsions reversed and gelled when mixed with the surfactants sodium dodecyl sulfate (SDS) and cocamidopropyl betaine (CPB). Gels can act as ‘emulsion locks’ to prevent spreading of the hydrocarbon plume from the areas treated with surfactant flushing, as shown in sand column tests. Shear rheology was used to quantify the viscoelastic moduli increase (gelation) upon mixing the double emulsion with SDS and CPB. SDS was more effective than CPB in gelling the double emulsions. CPB and SDS could adsorb at the interface between water and model hydrocarbons (toluene and motor oil), lowering the interfacial tension and rigidifying the interface (as shown with a Langmuir trough). Bottle tests and optical microscopy showed that SDS and CPB produced W/O and O/W emulsions, with either toluene or motor oil and water. The emulsification of motor oil and toluene in water with SDS and CPB facilitated their flow through sand columns and their recovery. Toluene recovery from sand columns was quantitated using Gas-Chromatography Mass-Spectroscopy (GC-MS). The data show that SDS and CPB can be used both for surfactant flushing and to trigger the gelation of ‘emulsion locks’. Ethanol also gelled the emulsions at 100 mL/L.     

氨基酸双子表面活性剂复配增溶PCE性能研究

利用氨基酸双子表面活性剂N,N'-双月桂酰基乙二胺二丙酸钠（DLMC）及其复配体系来提高四氯乙烯（PCE）在地下水中的溶解性,强化去除效果.测定了DLMC的初级生物降解性并将其与短链醇（异丙醇IPA,乙醇）和传统表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）,辛基苯基聚氧乙烯醚（TX-100）和聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯（Tween80）复配.结果表明,DLMC的生物降解度超过99%,具备良好的生物降解性;筛选出DLMC-IPA （1：4）和DLMC-Tween80（1：1）两个PCE污染柱冲洗剂配方,40g/L作用浓度下其增溶浓度分别为18329,16906mg/L;DLMC-Tween80（1：1）对PCE污染柱的冲洗效果最好,冲洗效率为9.87（g PCE/L冲洗液）,较DLMC单体系提升16%.     

吐温80对硝基苯的增溶作用和无机电解质作用机理研究

研究了在10℃条件下,非离子表面活性剂吐温80对硝基苯的增溶作用.结果表明,吐温80在临界胶束浓度(CMC)以上能够显著提高硝基苯的溶解度,对硝基苯的增溶曲线呈线性关系,MSR值为5.093,lgKm为3.499.硝基苯的增溶作用为吐温80胶束中聚氧乙烯链形成的聚醚微环境作用的结果.并考察了4种无机电解质NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2对硝基苯增溶作用的影响,结果表明,4种高浓度(≥500 mg·L-1)无机电解质的加入,均使吐温80溶液中硝基苯的浓度有所增加,增溶曲线仍呈线性关系.在吐温80与无机电解质质量比为2∶1、5∶1和10∶1时,增溶曲线的MSR值与lgKm值均有提高,硝基苯在吐温80胶束中的分配增强.原因为随着无机电解质与吐温80胶束发生盐析作用.吐温80胶束体积变大,为硝基苯提供了更大的增溶空间.非离子表面活性剂-无机电解质复配体系可以作为表面活性剂强化修复中的一种冲洗液,提高非离子表面活性剂的使用效率,降低成本.     

胶态泡沫在饱和介质迁移特性及对PCE冲洗效果

利用表面活性剂胶态微泡沫冲洗技术来提高四氯乙烯（PCE）在地下水的溶解性和流动性,提高污染物迁移通量,强化去除效果.主要工艺参数和影响因素对泡沫稳定性的影响,结果表明4000r/min的搅拌转数即可产生稳定的胶态微泡沫,泡沫稳定性随表面活性剂浓度增大有小幅度提高,PCE对泡沫稳定性有不利影响;胶态微泡沫在含水层的迁移规律表明,泡沫前端迁移时不断破裂并气液分离,形成气体在上部,液体在下部,后续泡沫稳定向前推流的迁移模式,泡沫在含水层中受到地下水的静水压力,与在土壤迁移相比其体系压力更大,泡沫破裂更严重、迁移速率更慢;和液体冲洗相比,泡沫冲洗对PCE增溶增流效果明显,介质粒径为0.1~0.25mm、0.25~0.5mm和0.5~1mm时,PCE去除率分别达到83.7%、90.8%和98.2%,介质粒径越大,去除效果越明显.