论文部分内容阅读
随着全球工农业的迅速发展及农药的广泛使用,世界范围内土壤和地下水POPs污染问题日益严重,治理POPs污染已成为当今各国环境学家和水文地质学家研究的热点。表面活性剂冲洗技术(SER)是美国环保局推荐使用的土壤和地下水疏水性有机物污染原位治理方法。为了尽量降低介质非均匀性对原位冲洗带来的负面影响,基于SER技术开发出了专门针对非均匀介质污染的泡沫原位冲洗技术(SFER)。泡沫冲洗修复有机污染土壤中的过程非常复杂,要科学指导泡沫—污染物—非均匀介质整个系统的修复处理工程,提高对有机污染的治理效率,需要深入地研究泡沫冲洗去除污染物的主要机制和规律,探讨非均匀介质孔隙特征、泡沫特性和泡沫流动之间的相互作用机理。本文以多氯联苯(PCBs)为代表污染物,重点研究泡沫特性与流动性间的相互作用规律,探讨泡沫提高非均匀介质中冲洗液波及效率的微观机理,研究泡沫流动性对非均匀介质中污染物去除的影响规律和机制。主要研究成果归纳如下: 1、通过罗氏泡沫仪法测试得到表面活性剂种类、浓度,气液比及加入十二醇对泡沫特性的影响并得到生成泡沫的最佳条件。基于一维、二维柱冲实验及图像处理技术得到泡沫在介质中的渗透系数及波及效率,分析泡沫特性与泡沫流动性间的相互作用规律并得到泡沫流动性与波及效率间的相关关系: 引入泡沫后,由于流动阻力上升,冲洗液在三种介质中的渗透系数大幅度下降,并且下降程度随泡沫稳定性上升而增加。由于存在毛管阻力(贾敏效应),泡沫冲洗中不同介质间的渗透系数级差被缩小,且发泡剂的发泡性能决定了贾敏效应,从而决定了渗透系数级差的缩小程度。泡沫在非均匀介质中流动的再生机制主要包括变形与剪切作用,具体的再生机制取决于泡沫的初始平均粒径与孔隙尺寸间的关系。基于泡沫再生作用以及每种作用条件按下毛管阻力的发生机制建立了泡沫渗透系数理论模型,并计算得到粗砂中的牛顿流动、非牛顿流动贡献值分别为0.428,0.572,中砂中变形和剪切机制的贡献值分别为0.791和0.209;细纱中变形和剪切机制的贡献值分别为0.373和0.627。建立泡沫流体在单一介质中的波及效率与渗透系数呈反比,即引入泡沫后带来的冲洗液渗透系数降低能有效提高冲洗液在介质中的“流动均匀性”。 2、通过一维柱冲试验研究得到泡沫冲洗修复微尺度(孔隙尺度)非均匀介质的主要污染物去除机制,得到冲洗液流动性控制对提高污染物去除率的影响规律,开发出一套泡沫-溶液-水的联合冲洗技术并进行了冲洗效果评估: 介质的粒径对泡沫冲洗有显著的影响,随着粒径变小,泡沫冲洗的优势愈加明显。主导泡沫冲洗过程中污染物去除的主要机制依然是增溶作用,但相比于溶液冲洗,泡沫的主要优势在于提高了冲洗液在介质中的波及效率;和溶液冲洗相比,由于泡沫冲洗过程中的断面有效过流面积降低,因此泡沫的增溶能力有所下降。影响溶液发泡性能的因素,如表面活性剂种类、浓度、气液比等均能通过影响泡沫稳定性间接影响到污染物的流出液浓度及最终去除率。联合冲洗由于集成了溶液冲洗及泡沫冲洗的优点,不仅能够明显提高PCBs的去除效率,还能有效降低洗涤剂的消耗量。 3、对人工构造的小尺度二维非均匀介质进行溶液、泡沫冲洗,观察溶液、泡沫冲洗条件下冲洗液对小尺度非均匀介质的润湿规律,对比分析小尺度非均匀介质中两种冲洗方式过程中PCBs的溶解驱替规律,得到泡沫冲洗修复小尺度非均匀介质的优势与泡沫渗透系数、波及效率间的联系以及影响机制: 溶液在细砂中的毛细作用非常明显,溶液很容易将细颗粒的介质润湿;泡沫的毛细作用非常微弱,对细颗粒介质的润湿更多来源于泡沫体在细砂中的流动。溶液冲洗修复模式2非均匀介质过程中,溶液发生“绕流现象”,从而使非均匀介质中污染物的去除效果也呈现非均匀特性。由于泡沫的引入能够降低非均匀介质中不同粒径介质间的渗透系数级差,因此泡沫能有效提高冲洗液在细砂中的流动速度,能明显改善细砂中PCBs的去除效率,提高非均匀介质整体的修复效率。虽然引入泡沫能够提高小尺度非均匀介质中污染物的整体去除效率,但与溶液冲洗一样,PCBs去除率随介质粒径变小而降低。