多孔介质表面化学异质性对胶体运移的影响

研究胶体在饱和多孔介质中的迁移行为在污染物迁移、环境修复等领域具有重要意义.本文通过对比胶体在未酸洗和酸洗过的玻璃珠中的迁移行为来探究多孔介质表面异质性对胶体迁移的影响,并通过扩展DLVO理论来计算每一组中胶体与多孔介质的相互作用能.结果表明,不论在有利环境还是在不利环境下,多孔介质表面的化学杂质均会提高胶体的吸附能力,这主要归因于胶体在初级势阱中的吸附.不利环境下,多孔介质表面的化学杂质能够将不利环境转化为有利环境,而在有利环境下,化学杂质的存在可能提高胶体的单一拦截效率(η_0).此外,研究发现,高pH溶液仍然能使胶体从多孔介质表面解吸下来,并且沥滤作用仍被低估.本研究对化学杂质在胶体迁移过程中所扮演的角色有了进一步的认识,可为胶体迁移行为研究提供实验依据.     

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.      

有机质胶体对卡马西平在多孔介质中迁移影响模拟实验

有机质胶体与有机污染物的相互作用会影响污染物在多孔介质中迁移转化等环境行为.为研究有机质胶体对药物和个人护理品(PPCPs)在土壤环境中迁移的影响,本实验以卡马西平(CBZ)为目标污染物,用商用腐殖酸制备有机质胶体,分别选择石英砂、标准土和野外所取土样为研究介质,通过室内土柱模拟实验探究有机质胶体存在时污染物在多孔介质中的迁移行为.结果表明,描述一维溶质运移的两点化学非平衡模型能够较好模拟CBZ在各介质土中的运移过程,说明污染物运移过程中与介质间发生了化学非平衡吸附作用;石英砂柱中加入胶体后,对CBZ的吸附过程无明显影响,但在解吸时阻滞因子及滞留量变小,可见胶体与石英砂间作用微弱,解吸过程中胶体与污染物结合形成复合体后对污染物有增溶作用;胶体存在时,标准土和自然土对CBZ的吸附量和迁移阻滞强度均明显大于石英砂,其中有机质及黏土矿物的作用最为明显,有机质中的低能/高能吸附位点以及黏土矿物极性表面均能够固定污染物;由于有机质含量较高,自然土对CBZ在吸附-解吸过程中的阻滞截留强度大于标准土.针对本实验中CBZ的迁移情况,提出了疏水性有机污染物在含有机质胶体土壤中的迁移过程中各种作用的概念模型.     

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.     

非均性多孔介质中生物炭胶体的迁移行为研究

生物炭颗粒在多孔介质中的迁移行为不仅决定了其在环境中的归趋,也极大地影响了被吸附污染物的环境行为.以往的研究主要集中在生物炭胶体在均性多孔介质中的迁移行为,但实际环境介质通常是非均性的,目前对生物炭胶体在非均性多孔介质中的迁移行为知之甚少.本研究采用两种不同粒径的石英砂构建了上下两层非均性填充柱（上层细颗粒,下层粗颗粒）,研究了生物炭胶体在非均性多孔介质中的迁移和截留行为,考察了溶液离子强度和pH对生物炭胶体迁移能力的影响.研究结果表明在非均性多孔介质中,生物炭胶体具有很高的迁移能力,在离子强度为1~50 mmol·L^-1,pH为4.0~11.0条件下,生物炭胶体的迁移率达40.2%~88.0%.非均性介质中生物炭胶体的截留曲线表现为非单调型曲线,截留量峰值往往出现在细-粗石英砂的交界面处（细石英砂侧）,这与非均性介质中显著的电荷异质性、介质尺寸异质性和迁移过程中传质通量异质性有关.生物炭胶体在上层细石英砂中的截留量显著大于其在下层粗石英砂中的截留量,表明上层细石英砂是影响生物炭胶体迁移行为的关键层.随着溶液离子强度增加,生物炭胶体自团聚作用增强,其与石英砂介质间界面作用能垒降低,因而生物炭胶体的迁移能力减弱.由于生物炭胶体与细石英砂间的物理张力作用趋于显著,增加离子强度提高了生物炭胶体在上层细石英砂中的截留比率.中性和碱性条件下生物炭胶体的迁移能力较强,而在酸性条件下,生物炭胶体表面电负性显著降低,团聚体粒径增大,生物炭胶体的迁移能力较弱.降低溶液pH增加了生物炭胶体在上层细石英砂中的截留比率.本研究的结果将有利于人们更好地了解生物炭胶体在复杂多孔介质中的迁移行为,为全面评估生物炭的潜在环境风险提供理论支持.     

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.     

一种纳米级不定形碳对水中四环素的吸附研究

研究了一种新型纳米级不定形碳对水中四环素的吸附作用.结果表明,在Li-Na-K碳酸盐的共熔体系中生成的碳粉对四环素表现出了良好的吸附性能.在298K下,碳粉对四环素的吸附行为更符合拟二级动力学模型和Freundlich吸附等温线,最大吸附容量达到127.76 mg·g-1.热力学计算结果表明,吸附过程是吸热的、自发的,以化学吸附为主.吸附行为表现出明显的p H依赖性,当溶液的起始p H在2~11,p H为4时碳粉对四环素的吸附量最大.溶液中的阳离子对吸附有一定的影响,但影响不大,随着阳离子浓度的增加,吸附量在一定程度上逐渐减小.离子交换作用可能是吸附的原理之一,还可能同时存在静电引力、氢键等作用.分别使用0.25 mol·L-1的Ca Cl2和Na Cl溶液进行解吸实验,解吸效率在7.42%~25%,解吸效率较低,说明吸附的化学作用较强.     

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.      

沉积物提取液对萘在河流沉积物中吸附-解吸行为的影响

疏水性有机污染物在沉积物上的吸附-解吸行为直接决定其在水环境中迁移、转化、生物效应与归宿.以往采用背景电解质溶液作为解吸体系的方法,忽略了其与天然水体水化学条件的差异可能对污染物的解吸行为产生的影响,从而造成疏水性有机污染物在天然水体沉积物上的吸附-解吸性能评价方法存在较大偏差.本文通过选用沉积物浸出液代替背景电解质溶液的方式来保证吸附-解吸水化学条件的一致性,采用批量平衡的方法对分别采集于凉水河水系(标记为L)以及东江流域(标记为D)的两种河流沉积物样品,进行连续吸附-解吸实验,以考察多环芳烃萘在沉积物上的吸附-解吸规律,从而阐明水化学条件的一致性对吸附-解吸过程的影响与重要性.实验结果表明,萘在沉积物上的吸附-解吸过程呈现出明显的滞后现象.传统的以背景电解质溶液作为介质,研究疏水性有机污染物解吸行为的方法会导致解吸体系的TOC值比模拟天然水体体系减少74.68%～85.01%,这种吸附-解吸水化学条件的差异会增强污染物在沉积物上的滞后性,具体表现为萘在沉积物L和D浸出液中的平均解吸量相比其在背景电解质溶液中分别增加了3.14mg·kg-1和2.40mg·kg-1,平均解吸滞后系数由在背景电解质溶液中的0.04和0.135降低至沉积物浸出液中的0.012和0.072.此现象表明,与纯电解质溶液比较,采用从沉积物中提取的溶解有机碳作为解吸介质,会显著增加萘在沉积物中的平均解吸量,所获得的实验结果更加符合天然水体的实际条件.     

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.     

微生物在多孔介质中环境行为研究

多孔介质中的致病细菌及病毒等病原微生物迁移研究对保护饮用水资源具有重要意义.在归纳总结国内外已有研究资料的基础上,对微生物在多孔介质中迁移行为进行了分析.研究表明病原微生物作为生物胶体的一种,在迁移过程中受多种迁移机制共同作用.除常见水动力条件和水化学条件外,微生物在迁移过程中还受自身性质,介质颗粒及环境因素的影响.在此基础上,分别讨论了微生物在饱和多孔介质与非饱和多孔介质中的迁移行为,并对近年来研究热点及进展进行了简要概括.目前微生物在地下水中迁移研究日益丰富,但由于地下环境复杂性,微生物的易变异性,对于地下水系统中微生物造成的污染去除修复还需进一步探讨.     

可变电荷与恒电荷土壤胶体对DNA吸附与解吸特征

采用平衡法研究了红壤胶体、砖红壤胶体、潮土胶体和褐土胶体在不同pH值条件下DNA吸附与解吸特征.结果表明,在NaCl和KCl电解质体系中,4种土壤胶体在吸附过DNA后,溶液pH值均有不同程度的增加,pH增加的幅度为红壤胶体>砖红壤胶体>潮土胶体>褐土胶体;NaCl电解质体系>KCl电解质体系.土壤胶体对DNA的吸附量均随着pH值的升高而降低,在pH为2~4,不同胶体对DNA的吸附量保持最大值,约为13.1~14.8μg.mg-1.当平衡溶液pH值从4.2开始上升至8.6,在NaCl体系中,砖红壤胶体和红壤胶体上DNA的吸附量下降幅度约5.5μg.mg-1,而在KCl体系中,DNA的吸附量下降幅度约2.1μg.mg-1.2种电解质体系,潮土胶体与褐土胶体上DNA的吸附量下降幅度约为8.3~12.2μg.mg-1.DNA吸附量下降幅度为恒电荷土壤(潮土和褐土)胶体>可变电荷土壤(红壤和砖红壤)胶体.用NaOAc和NaH2PO4对土壤胶体吸附DNA的解吸时,可变电荷土壤胶体与恒电荷土壤胶体解吸规律有明显差异.在3种溶液pH值为3、5和7时,可变电荷土壤(红壤和砖红壤)胶体上NaOAc解吸率约10%~24.5%,Na...     

矿山排水污染稻田土壤胶体对砷的吸附研究

为研究矿山排水污染土壤胶体对砷的吸附影响,文章以高砷污染区和背景区土壤的胶体在不同的pH、离子强度以及好氧/厌氧淹水条件下对As(Ⅴ)的吸附进行对比试验。结果表明:土壤胶体对As(Ⅴ)的吸附量随pH的增大而减少,且污染区胶体比背景区胶体对As(Ⅴ)的吸附量大;离子强度越大,胶体对As(Ⅴ)的吸附量越大,Ca(NO_3)_2浓度从0.001 mol/L增至0.1 mol/L时,污染区与背景区胶体对As(Ⅴ)的吸附量分别增加了30.57%、50.25%;厌氧淹水后的胶体对As(Ⅴ)的吸附量低于好氧条件下的胶体,解吸量较高,且厌氧淹水后污染区胶体与背景区胶体相比无明显吸附优势,而好氧条件下污染区胶体的解吸率低于背景区胶体,说明厌氧淹水后的胶体不易吸附且易释放As(Ⅴ)。因此,低p H和高离子强度以及好氧的条件有利于土壤胶体对砷的吸附。     

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.     

双酚S在两种典型地带性土壤中的吸附/解吸行为研究

采用批平衡实验方法研究了双酚S（BPS）在两种典型地带性土壤中的吸附/解吸行为.结果表明,吸附动力学曲线符合拟二级动力学方程.吸附等温线呈非线性,且同时符合Freundlich和Langmuir方程.相比而言,BPS更易吸附在高有机质含量的黑土中,298 K反应温度下BPS在黑土和红壤上的最大吸附容量分别为497.8和156.6 mg·kg^-1.吸附到两种土壤中的BPS存在解吸滞后现象,这可能是由于BPS以化学吸附和微孔扩散的形式存在于土壤中的缘故.溶液pH与BPS在土壤中的吸附容量呈负相关关系,即中性形态的BPS比阴离子形态的BPS具有更高的吸附容量.与结构类似物双酚A（BPA）的吸附相比,BPS在土壤中的吸附量更低,因此具有更高的迁移能力,可能会引起更高的环境健康风险.本研究结果为了解BPS在土壤中的迁移规律提供了数据支持.     

锆改性高岭土原位改良技术控制重污染河道底泥磷释放效果

采用锆对高岭土进行改性,通过批量吸附实验考察了锆改性高岭土对水中磷酸盐的吸附性能,并通过底泥培养实验考察了锆改性高岭土原位改良技术对底泥磷释放的控制效果.结果表明,锆改性高岭土对水中磷酸盐的吸附能力随改性所用锆投加量的增加而增加.在制备锆改性高岭土过程中,溶液沉淀p H值由8增加到10时,锆改性高岭土对水中磷酸盐的吸附能力增加;沉淀p H值由10增加到11时,锆改性高岭土对磷的吸附能力基本不变;沉淀p H值由11增加到12时,锆改性高岭土的吸磷能力则下降.沉淀p H值为10时制备得到的锆改性高岭土对水中磷酸盐的吸附平衡数据可以采用Langmuir模型加以描述.大部分被锆改性高岭土中锆所吸附的磷酸盐(84%左右)主要以Na OH提取态磷(Na OH-P)和残渣态磷(Res-P)形态存在,低溶解氧情况下不容易被重新释放出来,同时重污染河道底泥会释放出大量的溶解性磷酸盐进入上覆水体;向重污染河道底泥中添加锆改性高岭土可以极大地削减底泥中磷向上覆水体迁移的通量.采用锆改性高岭土对底泥进行改良不仅增强了底泥对水中磷的吸附能力,而且降低了底泥的磷吸附-解吸平衡浓度(EPC0).因此,应用锆改性高岭土作为底泥改良剂可以有效控制重污染河道底泥磷释放.     

BS-CTMAB复配修饰膨润土的稳定性

为了探究两性阳离子复配修饰膨润土的解吸稳定性,采用阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)对两性表面活性剂十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)修饰后的膨润土进行复配修饰,批处理法研究Na Cl溶液解吸下的土样稳定性,并对比温度、p H和盐溶液浓度对解吸的影响.结果表明:在相同BS-12修饰比例下,BS-CTMAB复配修饰膨润土的稳定性随CTMAB复配修饰比例的增加而减小;在相同CTMAB的修饰比例下,100%BS复配的土样相比50%BS稳定性更佳.解吸液p H和Na Cl溶液浓度的升高、温度的降低均促进土样稳定性增强;Na Cl溶液浓度、温度和p H值对BS-CTMAB复配修饰膨润土稳定性影响呈现为Na Cl溶液浓度最大,温度次之,p H值最小;100%BS+CT复配土样的解吸稳定性最好.     

我国18种不同理化性质的土壤对硒酸盐的吸附解吸作用研究

硒在土壤中的环境化学行为及其生物有效性在很大程度受到吸附解吸作用的影响,土壤对硒的吸附解吸因为土壤理化性质的不同差异很大.本文采用批量吸附实验,选择土壤性质差异较大的我国18种农田土壤,探讨了土壤p H、无定形铁铝氧化物、有机质和机械组成等对SeO_4~(2-)吸附的影响.结果表明,18种土壤对SeO_4~(2-)的吸附均是一个先快后慢的过程,在24 h达到吸附平衡;二级动力学方程为描述SeO_4~(2-)吸附的最佳模型(R20.976),18种土壤对SeO_4~(2-)吸附大多符合Freundlich模型(R20.842);土壤对SeO_4~(2-)吸附量与p H值(P0.01)、碳酸盐含量(P0.05)呈显著负相关,而与无定型铁、铝含量(P0.01)及有机质含量(P0.05)呈正相关;18种土壤对SeO_4~(2-)吸附的固液分配系数(Kd值)均很低(0.99~18.18 L·kg~(-1));土壤SeO_4~(2-)解吸率均大于80%,表明吸附是可逆的;土壤吸附SeO_4~(2-)的低Kd值和高解吸率反映了硒酸盐易迁移淋溶的特性,这应当在区域环境硒的评价和调控中受到关注.     

给水厂废弃铁铝泥对镉的吸附特征及影响因素

通过批量实验探讨了给水厂废弃铁铝泥(Ferric and Alum Water Treatment Residuals,FARs)对Cd2+的吸附特征及影响因素.实验结果表明,在最初的6 h内,FARs对Cd2+的吸附量已经达到其平衡吸附量的90%,吸附较符合伪二级动力学模型(R2=0.99),并且Langmuir(R2=0.99)和Freundlich(R2=0.90)方程均能较好地描述FARs对Cd2+的等温吸附过程,其Cd2+的饱和吸附量达35.39 mg·g-1.初始溶液p H由3.0增加到8.0时,FARs对Cd2+的吸附量缓慢增加,当p H升为9.0时,其对Cd2+去除率可达97%.FARs对Cd2+的吸附量随溶液体系离子强度的增加而减小.随着柠檬酸浓度的升高,FARs对Cd2+的吸附量显著降低,而水杨酸和酒石酸则微弱促进了对Cd2+的吸附.解吸实验证明,在p H为3.0时Cd2+的解吸率最高,但仅为11%左右.分级提取结果进一步表明,被吸附的Cd2+主要以酸溶态和残渣态存在.综合实验结果表明,FARs可以作为一种高效的吸附剂用于水体除镉.     

石油烃在页岩气开采区土壤中的迁移特性

页岩气开采区油基钻井液的使用会导致土壤受到石油类物质污染,探究石油类污染物在土壤中的环境行为对受污染土壤的修复有重要意义。为此,文章选择以涪陵页岩气开采区为研究区域,通过批量平衡试验研究废油基钻井液中石油类物质在土壤中的吸附/解吸特性,并采用动力学模型进行拟合分析;以土柱淋滤法探究不同降水量和污染强度对土壤中石油类污染物纵向迁移特性。研究结果表明,土壤对石油类污染物的吸附能力较强,解吸率低,吸附平衡状态下的土-水分布系数K_d值为51.86 mL/g,准二级动力学模型对吸附和解吸附过程均有很好的拟合效果,R~2均大于0.99,表明吸附/解吸速率主要受化学吸附机理的控制。石油类污染物主要分布在土壤的表层(0～18 cm),且随深度的增加呈下降趋势。石油类污染物迁移的深度及迁移量受污染强度、淋滤量等因素的影响,总体上,随着污染强度及淋滤量的增加,石油类污染物在土壤中的迁移量及迁移深度也增加。