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.     

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.     

天然胶体对含水介质中氨氮迁移的影响

为了研究天然胶体对氨氮在滨海含水介质中迁移的影响,文章采用室内土柱实验,分析了0、70、160、265和630mg/L五种不同浓度胶体影响下氨氮的迁移-转化规律。研究结果表明:氨氮在胶体影响下的穿透曲线表现为"未穿透"、"开始穿透"和"完全穿透"三个阶段,但是不同胶体浓度下三个阶段出现的孔隙体积数不同。胶体对氨氮迁移的影响与胶体浓度有关,当胶体浓度为70mg/L和160mg/L时,氨氮完全穿透时的孔隙体积数小于无胶体情况,胶体对氨氮的迁移具有促进作用;当胶体浓度为265mg/L和630mg/L时,氨氮完全穿透时的孔隙体积数大于无胶体情况,胶体对氨氮的迁移具有阻滞作用。这说明在160mg/L和265mg/L之间存在一个临界浓度;当胶体浓度达到临界浓度之前,胶体对氨氮的迁移起促进作用;当浓度超过临界浓度后,胶体对氨氮的迁移起阻滞作用。     

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.     

pH对滨海含水介质胶体迁移-沉积的影响

室内土柱试验采用天津滨海地区具有代表性的土样为研究对象,探讨pH对胶体在含水介质中迁移-沉积行为的影响。结果表明,pH为6.90和11.70的胶体穿透曲线呈"S"型,而pH为3.00时呈反"S"型;胶体的穿透曲线与示踪离子相比,存在一个临界孔隙体积数(临界点),在临界点之前胶体的迁移速度大于示踪离子,之后则相反;胶体在含水介质迁移过程中发生了沉积,沉积量随孔隙体积数的增加而增加;pH=3.00胶体的总沉积率为90.24%,是pH=6.90和pH=11.70胶体的2~3倍,后二者的总沉积率大小相近。酸性环境下,沉积作用在胶体迁移过程中一直占主导地位,中性和酸性环境中,胶体沉积作用则相对较小。     

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.      

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.     

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。     

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.     

多孔介质中污染物运移空间变异最优估计

论述了空间变异性分析的原理和方法,着重阐述不同估值方法在多孔介质污染物运移空间变异分析中的应用.实践表明,地质统计学方法能够弥补经典概率统计方法在评价区域化变量空间变异性方面的不足,从而对多孔介质中污染物运移的空间变异性做出更切合实际的分析与评价.     

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.     

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.     

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.     

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.     

多孔介质内H2S贫氧燃烧制氢数值模拟

为探索H2S在多孔介质内超绝热缺氧燃烧裂解制氢的机理,采用流体力学数值模拟与化学动力学研究相结合的方法,使用一个17组分、57步的复杂化学反应机理,模拟了H2S在直径为3 mm的Al2O3圆球堆积的多孔燃烧反应器内的缺氧燃烧制氢过程,模拟结果与试验数据基本吻合.模拟结果显示:富燃条件下,多孔介质内H2S的燃烧温度超过了绝热燃烧温度,为H2S的裂解制硫、制氢提供了高温环境,H2S部分裂解生成单质硫和氢气,从而实现了对硫化氢中的硫和氢同时利用的目的.     

多孔介质中微塑料的环境行为研究进展

微塑料的环境污染问题已成为当前国内外研究的前沿热点之一,近年来土壤和地下水系统中微塑料的环境行为研究得到越来越多的关注.在论述多孔介质中微塑料来源和危害的基础上,聚焦国内外学者在微塑料环境行为方面的研究,综合评述了微塑料稳定性及其在多孔介质中运移行为的最新进展,重点介绍了物理、化学和生物三方面因素的影响及作用机制.从微...     

Analytical solutions of three-dimensional contaminant transport in uniform flow field in porous media: A library

The purpose of this study is to present a library of analytical solutions for the three-dimensional contaminant transport in uniform flow field in porous media with the first-order decay, linear sorption, and zero-order production. The library is constructed using Green’s function method (GFM) in combination with available solutions. The library covers a wide range of solutions for various conditions. The aquifer can be vertically finite, semi-infinitive or infinitive, and laterally semi-infinitive or infinitive. The geometry of the sources can be of point, line, plane or volumetric body; and the source release can be continuous, instantaneous, or by following a given function over time. Dimensionless forms of the solutions are also proposed. A computer code FlowCAS is developed to calculate the solutions. Calculated results demonstrate the correctness of the presented solutions. The library is widely applicable to solve contaminant transport problems of one- or multiple- dimensions in uniform flow fields.