不同载体携带纳米零价铁在多孔介质中的迁移特性

批次试验和模拟柱试验探讨了NZVI在3种载体(水、十二烷基硫酸钠(SDS)溶液和SDS泡沫)中的稳定性以及在3种载体携带作用下NZVI在多孔介质(0.25~0.5mm, 0.5~0.9mm, 0.9~1.4mm)中的迁移特性.由实验可知,对于NZVI悬浊液,在0.9~1.4mm,0.5~0.9mm和0.25~0.5mm介质中,NZVI从模拟柱中的溢出率分别为20.9%,17.4%和6.5%,NZVI在介质中分布的均匀性关系为0.9~1.4mm>0.5~0.9mm>0.25~0.5mm;对于SDS-NZVI悬浊液,NZVI在0.9~1.4mm 和0.5~0.9mm介质中的迁移性较0.25~0.5mm介质远远增强,NZVI在介质中分布均匀性关系为0.5~0.9mm>0.9~1.4mm>0.25~0.5mm;对于NZVI负载泡沫,NZVI在0.5~0.9mm与0.25~0.5mm介质中的迁移性较NZVI悬浊液和SDS-NZVI悬浊液增强,NZVI在0.5~0.9mm介质中分布均匀性较好,0.25~0.5mm其次,0.9~1.4mm均匀性最差.研究结果表明,SDS溶液和SDS泡沫与水相比较均有效促进了NZVI在3种介质中的运移,然而对于0.9~1.4mm介质,SDS溶液对NZVI迁移的促进作用较SDS泡沫更明显,对于0.25~0.5mm介质,SDS泡沫对NZVI迁移的促进作用较SDS溶液更大.     

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.     

纳米乳化油缓解多孔介质渗透性损失的实验研究

为有效缓解乳化油在原位修复地下水污染过程中所产生的堵塞及修复效率降低的问题,采用升温相转变技术手段,制备纳米乳化油.并采用一维柱实验,开展微米及纳米乳化油在多孔介质中的迁移研究,对比分析微米及纳米乳化油造成多孔介质的渗透性损失、在多孔介质中的截留比率及迁移距离等问题,探究纳米乳化油缓解多孔介质渗透性损失的效果.实验结果显示,微米及纳米乳化油所导致的中砂介质渗透性损失分别为20.40%和3.20%,乳化油截留比率分别为28.51%和20.15%.由此可见,乳化油截留是多孔介质渗透性损失的重要原因,减小乳化油粒径可有效缓解多孔介质的渗透性损失.与微米乳化油相比,纳米乳化油有效降低中、细砂介质渗透性损失84.3%和47.5%.此外,乳化油截留对多孔介质渗透性损失的影响在一定程度上也影响到其在多孔介质中的迁移距离,微米及纳米乳化油在中砂介质中的迁移距离分别为6.53 m和8.19 m.相比之下,纳米乳化油所导致的细砂介质渗透性损失为10.70%,截留比率为25.71%,迁移距离为7.36 m,说明纳米乳化油迁移效果更佳,可适用介质范围更广.     

光透法定量两相流中流体饱和度的模型及其应用

基于光透法定量流体饱和度的原理及其在两相流中的应用,设计了两组密封砂箱实验来研究气体或重非水相流体(DNAPL)在饱和孔隙介质中的迁移,观察了气体或DNAPL在孔隙介质中的迁移规律,应用并验证了2个水/气两相流中的光强-饱和度(LIS)模型,特别是建立并应用了适用于NAPL/水两相流系统的2个新LIS模型.结果表明,气体以不规则的"指状"通道向上迁移直到在砂箱顶部聚集,最终形成连续的气体分布;TCE由于自身重力的影响向下迁移直至砂箱底部,最终在砂箱中形成不规则的污染羽并在砂箱底部形成污染池.利用实验结果应用并验证4个光透法模型得到:2个水/气系统中LIS模型(WG-A和WG-B)整体适用于本实验数据;2个NAPL/水系统的LIS模型(NW-A和NW-B)得到与实测资料较吻合的结果,其中基于单个孔隙水驱替假设的模型NW-A与实验结果更加接近,对量化多孔介质中的NAPL/水系统各相饱和度具有一定的参考意义.     

泡沫去除含水层硝基苯微观过程及其稳定化机理

为了研究泡沫在地层多孔介质中的微观渗流行为、去除污染物的过程和机理,以及纳米SiO₂颗粒对泡沫稳定性能的影响,制作了真实砂岩微观模型并利用硬脂酸钠对纳米SiO₂颗粒进行了改性以稳定泡沫.结果表明,泡沫在多孔介质中的生成、破灭和运移是同时发生的,其生成方式与注入气流速度有关,破灭与气体扩散有关,运移则是以大部分被孔道所捕集而少部分以气泡链的形式进行;泡沫去除污染物硝基苯的方式包括乳化增溶、剥离携带和封堵作用,其中封堵作用是主要方式;疏水改性的纳米SiO₂颗粒对泡沫的稳定性有极大的提升,添加的纳米颗粒浓度越大,稳定性越强;纳米SiO₂颗粒稳定的泡沫在模拟中迁移时仍具有较强的稳定性,随着泡沫注入体积的增大,注入压力及阻力因子增大,封堵效应增强.     

水体扰动条件下物质在沉积介质中的迁移

为了研究在上覆水体扰动条件下物质在沉积介质中的迁移,本实验建立了简单的沉积物再悬浮发生装置,并分别利用不同粒径大小的沙粒作为均质沉积物,同时利用500μg·cm-3的溶解性罗丹明B作为示踪剂,观察在紊流扰动条件下物质在不同的均匀沉积介质中的迁移情况.结果表明,在粒径不同的各类沉积介质中,由于不同颗粒的孔隙度、渗透率不同,在各沉积介质中形成的孔隙水压力差产生了孔隙水对流现象,从而导致了物质在多孔介质中发生垂向或水平迁移,并且其平均迁移速度受到染色剂的埋深和多孔介质的粒径大小的影响.而在均匀的沉积层中,200 r·min-1的扰动主要影响各沉积介质中物质的垂向迁移,并且当适当增加介质的粒径时,这种垂向对流迁移现象相对增强.     

4种NAPLs污染物在二维砂箱中的指进锋面形态特征研究

为明确介质和流体性质等因素对非水相液体(NAPLs)在多孔介质中入渗迁移的影响,利用数码图像分析技术对甲苯、柴油、1,2-二氯乙烷和四氯乙烯这4种NAPLs在4种不同粒径多孔介质中的非饱和入渗特性进行了实验研究.结果表明,数码图像分析技术能够动态、全过程记录NAPLs的迁移锋面;NAPLs在驱替气体过程中会出现指进形式的不稳定流;指进生长过程中出现分叉、合并和屏蔽等现象;NAPLs的迁移特性受介质性质和流体特性的共同影响,入渗过程中垂向上的迁移速率和污染面积增长率与介质粒径大小呈正相关,与流体密度呈正相关(甲苯除外),入渗过程中形成的指进与介质和流体本身性质也密切相关.相同时间内,DNAPL相较于LNAPL入渗的距离更深,造成的污染面积更大,其环境风险明显大于LNAPL.     

胶态微泡沫用于冲洗含水层的迁移分布特征

目前有关胶态微泡沫（CGAs）冲洗含水层过程中的迁移分布特性尚不明确,本研究利用二维模拟实验详细探究了注入速率、表面活性剂浓度和介质条件对CGAs迁移分布时空变化特征的影响.结果表明,在单侧单点注入条件下,CGAs的波及区域形状近似半圆形,迁移锋面相对规则;CGAs破裂产生的泡沫液分布在其迁移锋面四周,泡沫气体受地下水浮力影响向上方迁移,导致出现在纵向向上迁移距离大于向下迁移距离的"向上漂移"现象.表面活性剂浓度对CGAs的迁移分布影响较小;注入流速低或介质渗透性差,CGAs均会在迁移后期出现明显的“向上漂移”现象,同时其波及区域形状逐渐趋向于半椭圆形;恒定流量注入CGAs,其在含水层中的波及面积存在最大值.相对传统液相冲洗液,CGAs在非均质含水层中迁移分布较为均匀,受介质非均质性影响较小.     

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.     

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.     

稳定型纳米零价铁去除地下水中2,4-二氯苯酚

为改善纳米零价铁(NZVI)在水溶液中容易发生团聚和易被氧化的缺点.本文研究利用廉价易得的环境友好型材料羧甲基淀粉钠(CMS)对NZVI进行包覆改性,利用空间位阻效应提高其分散悬浮性.利用透射电镜和X射线衍射研究了改性后的纳米铁微观结构及物相组成,通过化学实验研究其对2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)的去除效果.结果表明,改性后的NZVI直径大约在80~100 nm,呈链状或分散颗粒分布,主要物质组成为零价铁,具有强还原性.当CMS的比例为80.00%时,悬浮性最佳;经过CMS包覆改性后,NZVI还保留原有的活性,在不同包覆比例对于2,4-DCP的去除效果的实验中发现,同样CMS比例为80%时去除效果最好,达到83.69%,且有明显的脱氯降解过程.     

乳化纳米铁浆液在含水层中的迁移特征研究

本文主要研究地下水修复试剂乳化纳米铁（EZVI）在含水层中的迁移特性和影响因素.一维模拟柱实验考察EZVI的穿透曲线和模拟柱中分布情况.结果表明：乳化植物油对纳米铁的改性显著提高了纳米铁在含水层中的迁移能力,EZVI的迁移距离为未改性纳米铁的2~3倍;EZVI中的乳化植物油会随水流迁移,分别形成纳米铁反应带和植物油反应带;岩性对迁移的影响表现为介质粒径越大,越有利于EZVI的迁移,且EZVI在粗砂中的迁移能力是细砂的1.9倍;注入速率通过影响纳米铁迁移到含水层介质表面的几率影响迁移行为,注入速率越大,迁移距离越长;共存离子对乳化纳米铁的迁移性能影响不大,会引起微量的铁的损失.最佳迁移效果的条件是3cm/min的注入速度,2g/L的注入浓度.     

F-127改性纳米零价铁及对水中2,4-DCP的去除

为了增强纳米零价铁的分散性,本研究采用环境友好型材料Pluronic F-127对纳米零价铁(NZVI)进行表面改性,形成分散型纳米零价铁(F-NZVI),并用于水中2,4-DCP的去除.通过不同质量比的F-NZVI颗粒沉降试验和对2,4-DCP的去除试验,发现存在沉降去除和悬浮去除两个阶段,确定F-127与NZVI颗粒的最佳质量比为2∶1,2,4-DCP最大去除率为72.32%.通过SEM、FTIR、XRD、XPS对样品进行表面形貌、组成和晶体结构分析,发现F-127对提高NZVI分散性和抗氧化性有显著作用.通过控制不同因素研究F-NZVI去除水中2,4-DCP的最优条件,实验结果表明,当2,4-DCP初始浓度为20 mg·L~(-1)时,F-NZVI去除2,4-DCP的最佳pH值为5,F-NZVI最佳投加量为3 g·L~(-1).     

聚氨酯生物膜载体处理高氨氮废水的研究

利用NaOH对聚氨酯泡沫塑料进行碱解扩孔处理,研究其作为微生物膜载体应用于曝气生物滤池,处理高氨氮模拟废水的效果。泡沫经ω=8%NaOH溶液处理0.5、1和1.5 h,结果表明:扩孔后的聚氨酯载体在孔隙率、持水倍率等方面都有所提高。碱解0.5 h对聚氨酯处理效果最好,孔隙率达到93.4%,持水倍率达到31.4。碱解扩孔处理聚氨酯泡沫载体亲水性能良好,微生物负载量达到264.35 mg/g,具有较高的微生物负载量。使用扩孔前后的聚氨酯泡沫作为微生物固定化载体用于模拟废水处理时,对于污水各指标的去除效果表明,对COD、NH4+-N等均具有较好的降解性能。     

负载型纳米铁吸附剂去除饮用水中As(Ⅴ)的研究

以活性炭为载体制备了一种负载型纳米铁吸附剂.纳米铁在活性炭孔内为针状,其直径为30～500 nm,长度为1 000～3 000 nm,载入量[m(Fe)/m(炭)]为82.1 mg/g.用1.5 g/L该吸附剂对pH 6.5、 (25±2)℃、 2 mg/L的As(Ⅴ)进行吸附其去除率为99.5%,在平衡浓度1.0 mg/L时,该吸附剂对As(Ⅴ)的吸附容量为15.4 mg/g;吸附速度较快,12 h可达91.4%,72 h达到吸附平衡.吸附过程可由孔内扩散模型较好地说明.除PO_4~(3-)、SiO_4~(2-)外其它常见阴阳离子均对As(Ⅴ)的去除影响不大.吸附剂可以用0.1 mol/L NaOH溶液再生,再生效率较高.实验室初步实验数据表明,该吸附剂对饮用水砷去除具有较好的应用前景.     

纳米零价铁去除水中微量N-亚硝基二甲胺的研究

采用纳米零价铁催化降解水中微量N-亚硝基二甲胺(NDMA),并研究了溶解氧、纳米铁投加量、NDMA初始浓度、初始pH值、温度对纳米铁降解NDMA的影响.结果表明,纳米铁可以在中性厌氧条件下有效降解NDMA,作用效果远胜于普通铁粉;其对NDMA的去除速率随着纳米铁投加量的增加而增大,但与NDMA初始浓度无关;pH值降低或温度升高均有利于NDMA的降解.纳米铁降解NDMA存在一个启动期,启动期的长短与pH值和反应温度有关,提前活化纳米铁能有效提高反应速率.NDMA的降解产物主要是DMA和NH4+,其他产物如UDMH需进一步确认.     

基于Micro-PIV和LBM的土壤孔隙网络中流体速度分布表征

土壤孔隙结构复杂多变,揭示其内部流场特性对于描述和预测土壤中水分传输、溶质迁移等现象至关重要.基于规则性的土壤孔隙网络模型,采用Micro-PIV(Micro-scale Particle Image Velocimetry,显微粒子成像测速系统)技术分析不同雷诺数下孔隙结构中流体运动的特征,通过LBM方法(Lattice Boltzmann Method,晶格玻尔兹曼方法)对孔隙结构中流场分布进行数值模拟研究.结果表明:微观尺度下孔隙网络模型中不同孔隙区域流速分布差异明显,中线区域流场呈规律性分布,孔喉处为高速区,流速达到0.001 4 m/s,水平方向相邻两圆柱靠近边界处存在低速区,速度不高于0.000 2 m/s,在垂直于流向方向上速度场具有良好的对称性;靠近上下边界的大孔隙区域流体优先通过,流体的速度可达到0.003 0 m/s. LBM方法模拟的孔隙网络模型中流场分布结果与试验获得的流场分布吻合,其平均均方根误差为0.009 4 m/s,表明土壤孔隙网络模型能有效模拟土壤孔隙,捕捉微观尺度上的流体运动特征,为应用孔隙网络模型研究土壤孔隙中溶质运移和反应等问题提供了微观尺度的度量工具.      

胶质气体泡沫气浮分离含Cu(Ⅱ)废水的试验研究

用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)制备胶质气体泡沫并将之引入浮选柱,以胶质气体泡沫为浮选载体并通入常规浮选气泡对预先装入浮选柱的模拟含Cu(Ⅱ)废水进行浮选分离实验,考察了pH值、铜离子初始浓度、SDS用量和絮凝剂的添加对Cu(Ⅱ)去除率的影响。实验结果表明,采用胶质气体泡沫与常规柱浮选气泡相结合的方法处理含Cu(Ⅱ)废水,铜离子去除率可达99%以上。