分散型纳米铁在饱和介质中的迁移及堵塞过程实验研究

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目前,零价纳米铁(Nanoscale Zero Valent Iron,nZVI)已经被广泛应用于实际地下水污染修复原位治理工程中。但在实际应用中却面临一些问题,比如其分散性能差,在地下含水层中迁移性差,容易团聚沉淀,容易造成介质的堵塞等潜在的环境风险。这些问题都极大地限制了nZVI在实际工程中的应用。  针对以上问题,首先选用羧甲基淀粉钠(Carboxy methyl starch sodium,CMS-Na)作为分散剂,制备得到不同的比例下分散型nZVI。利用透射电镜(TEM)与沉降实验对其进行表征与分散效果观察。并在此基础上,选取3种分散型nZVI,即最差分散效果(nZVI/CMS-Na)、最好分散效果(nZVI/400%CMS-Na)、较好分散效果(nZVI/200%CMS-Na)的分散型nZVI研究研究其在饱和多孔介质中的迁移过程;并选取nZVI/400%CMS-Na在3种初始流速(0.0236cm/s、0.0472cm/s、0.0708cm/s)、3种初始nZVI浓度(0.5g/L、0.75g/L、1g/L)的条件下砂柱实验研究,研究其在饱和多孔介质中迁移过程的影响因素;鉴于nZVI在多孔介质中的迁移过程中会造成介质堵塞的现象,用渗透系数表示多孔介质中nZVI悬浮液堵塞的现象及发生的过程,并分析其在不同质量比、初始流速、初始nZVI浓度条件下的发展规律。  论文所取得的研究成果主要分为以下7个部分:  (1)用透射电镜(TEM)对分散型nZVI进行表征,发现nZVI和nZVI/500%CMS-Na的nZVI颗粒团聚在一起,分散效果由强到弱依次为nZVI/400%CMS-Na>nZVI/300%CMS-Na>nZVI/200%CMS-Na>nZVI/CMS-Na>nZVI/500%CMS-Na;  (2)沉降曲线表明:分散效果由强到弱依次为nZVI/400%CMS-Na>nZVI/300%CMS-Na>nZVI/200%CMS-Na>nZVI/500%CMS-Na>nZVI/CMS-Na,发现分散效果不与CMS-Na与nZVI的质量比成正比,其中nZVI/400%CMS-Na的分散效果最好,nZVI/500%CMS-Na的分散效果反而变差。  (3)在初始浓度和初始流速一定的情况下,对于分散效果不同的分散型nZVI的迁移能力由强到弱依次为:nZVI/400%CMS-Na>nZVI/200%CMS-Na>nZVI/CMS-Na。迁移能力与分散效果成正相关关系。  (4)在初始流速和分散性能一定的情况下,对于初始浓度不同的分散型nZVI的迁移能力由强到弱依次为:1g/LnZVI/400%CMS-Na>0.75g/L nZVI/400%CMS-Na>0.5g/L nZVI/400%CMS-Na。迁移能力与nZVI初始浓度成正相关关系。  (5)在初始浓度和分散性能一定的情况下,对于初始流速不同的分散型nZVI的迁移能力由强到弱依次为:0.0708cm/s>0.0472cm/s>0.0236cm/s。迁移能力与nZVI初始流速成正相关关系。  (6)渗透系数都是随时间的增加先保持不变即未堵塞,而后突然急剧下降即开始堵塞、最后趋于稳定即严重堵塞。随时间的延长,K/Kmax随迁移长度的增加而不断减小,随着底层堵塞的加重,悬浮物侵入介质内部的能力降低,堵塞向更远处发展的能力也降低。  (7)堵塞过程与迁移过程有一定相关性,迁移性能越好,渗透性发生变化的时间越早,堵塞程度越轻;渗透性变化过程分别与分散效果、初始浓度、初始流速均成正相关关系。
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