胶质双液泡沫原位密度调控强化修复DNAPL污染非均质含水层机理

The risk of downward migration of DNAPL into uncontaminated regions of aquifers has been the primary limitation for the implementation of surfactants enhanced displacement technologies; in addition, heterogeneity of aquifer induces fluid bypassing by creating preferential flow channels in the high-permeability zones and leaving the low permeability zones bypassed during displacement, which would result in low mass transfer and low remediation efficiencies. Based on these issues, colloidal biliquid aphrons (CBLA) combined with shear-thinning fluid properties was prepared, which were used for irreversible density modification of DNAPL through codissolved with water-insoluble light solvent released by breaking CBLA with multivalent counterions; by this means, DNAPL was changed to LNAPL completely. The objectives of this project are to investigate the transportation, distribution characteristics and hydrogeological effects of CBLA in heterogeneous aquifer; to reveal kinetics and mechanisms of in situ density modification by CBLA; to determine the interphase behaviors and its effects of each component of reaction system; to clarify the controlling factors of in situ density modification; to comprehensive evaluate the effectiveness of enhanced remediation of DNAPL polluted heterogeneous aquifer by in situ density modification with CBLA. The findings will provide strong theory support for remediation of DNAPL contaminated heterogeneous aquifer.

DNAPL垂直向下迁移、污染范围扩大是表面活性剂增流驱替修复DNAPL污染地下水存在的主要问题，而且，受含水层非均质性的影响，驱替液在高渗透区易形成“优先流”，而在低渗透区易形成“绕流”，导致修复反应传质效率低、修复效果差等问题。针对上述问题，本项目研发兼具剪切稀化流体特性的胶质双液泡沫，注入含水层后进行破乳释放非水溶性轻质有机溶剂与DNAPL相互溶解、聚并，将DNAPL直接转化为LNAPL，对其密度实现不可逆调控。项目重点研究胶质双液泡沫在非均质含水层中的迁移分布特征及水文地质效应；揭示胶质双液泡沫原位调控DNAPL密度的动力学特征及机理；确定密度调控体系中各组分的相间分配行为及影响；明确影响胶质双液泡沫原位调控DNAPL密度效果的主要控制因素；综合评估胶质双液泡沫原位密度调控强化修复DNAPL污染非均质含水层的有效性。研究可为DNAPL污染非均质含水层的修复提供有力的理论依据。

重非水相液体（DNAPLs）是地下水中最为常见的污染物之一，由于较低的水溶性和缓慢的降解性，DNAPL可能会在含水层中持续存在几十年，构成长期的污染源。表面活性剂增流驱替是一种短时间内去除污染物的有效修复技术，但DNAPL界面张力的降低会造成其垂直向下迁移，扩大污染范围，并且该技术对DNAPL污染非均质含水层的修复效果不理想。针对上述问题，本项目使用具有剪切稀化特性的胶质双液泡沫（CBLA）作为密度调控试剂，聚合氯化铝（PACl）作为破乳剂，实现含水层中DNAPL的原位不可逆密度反转，将DNAPL直接转化为LNAPL（轻非水相液体）并有效增流驱替。本项目重点研究了CBLA在含水层中的稳定性和迁移性、PACl对CBLA的破乳动力学及影响因素、CBLA对DNAPL的不可逆密度调控机制以及非均质含水层中CBLA对DNAPL的动态密度调控驱替性能等内容。结果表明，CBLA具有电负性及剪切稀化的流变特性，可以在地下水中稳定存在。CBLA的迁移传输主要受注入浓度、注入速度和多孔介质粒径的影响，浮力在CBLA的传输过程中起着重要的作用，并且CBLA的浓度与浮力的大小呈正相关。0.5 g/L的PACl可以对CBLA达到99%的破乳效率，且破乳过程遵循伪二级反应动力学模型，少量的含水层介质可以加速破乳过程，PACl对CBLA的破乳机理是电性中和作用。CBLA对DNAPL不可逆密度调控的机制是CBLA先发生破乳释放出内部的正辛烷，正辛烷与DNAPL相互溶解后形成LNAPL并上浮。CBLA与PACl的先后注入可以完成均质与非均质含水层中DNAPL污染物的密度调控驱替修复。CBLA注入后与DNAPL污染物接触产生了乳化和溶解相，后续注入PACl溶液产生LNAPL相，相态的分布对DNAPL的密度和浓度的变化起着重要作用，且CBLA与DNAPL的高粘度比控制着对残留污染物的驱替作用。此外，在渗透系数为2×10-7 m/s的粉砂介质中，CBLA对DNAPL依然可以达到99%以上的修复效率，并且修复过程中污染物的密度均小于水的密度，维持在0.72 g/cm3，没有向下迁移的风险，不会引起污染范围的扩大，该技术术可以在短时间内去除大量的DNAPL并降低其向下迁移的风险, 有助于更好地修复DNAPL污染源区。