非均质介质泡沫冲洗污染物去除机制研究

Heterogeneity of soils in an unsaturated zone is common and it brings negative impact on efficiency of contaminant removal seriously in soil flushing. For the purpose of increasing sweep efficiency of washing agent and contaminant removal, based on the theory of fluid dynamics in porous media, surface physical chemistry and soil remediation, the pore-scale morphology and structure of heterogeneous media, the residence feature of organic-chlorine pesticides(OCPs) in heterogeneous media, the flow characteristics of foam and the transfer and transport of OCPs are studied, by adopting the casting, slice processing and image acquisition technique and by using the chemical analysis and mathematical simulation. The mechanism of bubble squeeze and occupying, selective plugging, the increase of flow uniformity and the increase of sweep efficiency in heterogeneous media is investigated. The relationship among the pore characteristic, foam texture and the foam mobility and the effect of this relationship on foam conductivity is quantified. The OCPs solubilization, shearing and carrying mechanism by foam is also investigated when flushing are performed. The mathematical model is developed to simulate the transport and transfer of contaminants when foam flushing is performed and to provide the theoretical basis and experiment support for improvement of contaminant removal and the actual engineering application.

包气带土壤普遍具有非均质特性，严重影响着原位冲洗修复污染物的去除效率。以多孔介质流体动力学、表面物理化学和土壤污染修复原理为基础，从提高非均质介质冲洗液冲洗波及率、污染物去除率出发，采用铸体技术、薄片加工技术结合微观图像采集技术、化学测试分析手段和数学模拟方法，从孔隙尺度研究非均质介质孔隙形态与结构特征、典型有机氯农药(OCPs)的赋存特征、介质中泡沫流动特性和OCPs相间转移、输移去除机制，揭示非均质介质中泡沫挤压和占据作用及选择性封堵作用和提高不同孔道流动均匀性、冲洗波及率的机制，确定非均质介质孔隙特征、泡沫特性和泡沫流动之间的定量关系及对介质中泡沫渗透性影响的定量关系，探索表面活性剂泡沫冲洗中对OCPs的增溶和剪切携带机制，建立模拟OCPs污染多孔介质泡沫冲洗修复的流动与污染物运移数学模型，为提高实际土壤污染的表面活性剂冲洗技术的污染物去除效率和实际工程应用提供理论依据和实验支持。

包气带土壤普遍具有非均质特性，严重影响着原位冲洗修复污染物的去除效率。本项目以多孔介质流体动力学、表面物理化学和土壤污染修复原理为基础，以提高非均质介质修复液冲洗波及效率和提高污染物去除率为目标，取得的主要研究结论和成果如下：.（1）基于CT断层扫描技术以及图像三维重构技术，建立了基于微观孔隙网络结构特征的介质非均匀性表征方法，完成了对修复介质孔隙网络结构特征的量化表征。通过分配系数测试及液相中污染物浓度测试，发现随着表面活性剂浓度提高，污染物在砂-水的分配系数逐渐降低。随着介质粒径变小，污染物分配系数明显增大。.（2）揭示了孔隙尺度上泡沫表面张力和泡沫变形附加阻力对介质渗透性的影响机制，建立了冲洗波及率与渗透系数的相关关系。引入泡沫后，冲洗液在介质中的渗透系数大幅度下降，且下降程度随泡沫稳定性上升而增加。表面活性剂种类、气液比、添加剂发泡剂及介质粒径对泡沫渗透系数都存在影响。各因素对泡沫注入压力的影响排序为：泡沫质量>泡沫流速>多孔板孔径>表面活性剂浓度。泡沫稳定性越强，在相同条件下在非均匀介质中波及效率越大。.（3）构建了动态平衡条件下基于微观孔隙网络结构的泡沫流动阻力模型，通过引入分流指数量化表征了泡沫流体在非均匀模式中的输移均匀性，揭示了泡沫流体在非均匀模式中从高渗透区向低渗透区分流作用机制。由于泡沫流体具有较高的视粘度，有利于冲洗液由高渗透区向低渗透区分流。.（4）揭示了泡沫冲洗修复去除非均匀介质中污染物的主导机制是增溶作用，得到泡沫显著提高微尺度、小尺度中非均匀介质中污染物去除率的污染物去除均匀性内在机理。泡沫冲洗在孔隙非均匀性更强的粗石英砂介质中具有更高的DDT去除率，这是由于泡沫对大孔隙通道的封堵作用使泡沫在粗石英砂中的运移强化更显著，而且污染物往往更易赋存在比表面积较大的小粒径介质中。得出表面活性剂SDS泡沫冲洗去除DDT的佳条件：表面活性剂浓度5.0 g/L，泡沫质量95%。.（5）提出了泡沫冲洗提高波及效率作用和增溶作用对DDT污染物去除率贡献的计算方法，揭示了介质层间/内非均匀性对泡沫冲洗污染物去除的影响机制。