低浓度表面活性剂作用下多孔介质中非水液相的迁移和增溶行为及其控制

In this research project the effect of low-concentration surfactants on the mobilization, distribution, solubilization and mass transfer processes of typical non-aqueous phase liquid (NAPL) in saturated porous media will be studied. The focuses of the research include: ① The mobilization behavior of NAPL in the media with the mediation of low-concentration surfactants and the correlation between the mobilization and the hydrodynamic processes. Specific investigations will be given to the rules of NAPL mobilization in the presence of surfactants and the effect of hydrodynamics, the features of distribution of residual NAPL, and the mathematical description and control of the mobilization process.② Solubilization of NAPLs by low-concentration surfactants in porous media and transport of the NAPL-surfactant aggregates. This part of study will be focused on the behavior and mechanisms for low-concentration surfactants to enhance NAPL solubilization, the change of morphology of residual NAPLs caused by the solubilization, and transport and redistribution of NAPL-surfactant aggregates in the media. ③ NAPL mass transfer and removal in porous media mediated by low-concentration surfactants and optimization of such processes. The co-effect of mobilization and solubilization on the mass transfer behavior and removal efficiency of NAPL in porous media will be studied, and optimization will be implemented for maximizing the efficiency. From the project research it is expected to develop a novel SEAR method based on low-concentration surfactants for effective and efficient removal of NAPL from porous media.

将研究低浓度表面活性剂作用下饱和多孔介质中典型有机物的非水液相（NAPL）的迁移、分布、增溶、传质的行为规律。主要内容包括：①低浓度表面活性剂作用下NAPL在介质中的迁移行为及其与水动力学过程的关联。将考察低浓度表面活性剂作用下介质中NAPL迁移的行为规律以及水动力学过程的影响、残余态NAPL的分布特征以及相应行为的模型化描述与控制。②低浓度表面活性剂对介质中NAPL的增溶及增溶聚集体的传输行为。包括低浓度表面活性剂在介质中对NAPL增溶方式和机制、增溶作用下残余态NAPL形态变化规律、以及增溶聚集体在介质中的传输与再分配行为。③低浓度表面活性剂作用下介质中NAPL的传质去除行为与条件优化。将考察低浓度表面活性剂移动和增溶联合作用下介质中NAPL的传质行为规律与去除效果，以及如何优化条件实现效率最大化。该研究有望开发基于低浓度表面活性剂的SEAR方法而实现多孔介质中NAPL的高效去除。

表面活性剂在地下水修复过程中得到了广泛的应用，但目前研究和应用的高浓度表面活性剂造成修复成本高，地下水二次污染等问题。在此背景下，本项目开展了低浓度表面活性剂作用下多孔介质中非水液相的迁移和增溶行为及其控制，完成的主要研究包括：（1）表面活性剂增溶烷烃过程中的聚集行为；低浓度鼠李糖脂对烷烃增溶的影响及机制；连续流及流动中断下表面活性剂增溶烷烃的模型探究；（2）同步辐射成像研究多孔介质中NAPL相的形貌变化；连续流下不同表面活性剂迁移行为的差异及对烷烃的增溶；流动中断下不同表面活性剂增溶烷烃行为的差异及机制；（3）表面活性剂-十二烷增溶聚集体在多孔介质中的迁移行为规律及影响因素；（4）低浓度表面活性剂淋洗对多孔介质中非水液相迁移和增溶过程的影响。本项目的研究成果表明：低浓度条件下表面活性剂对烷烃的增溶聚集体粒径大于高浓度条件下形成的增溶聚集体粒径，且该增溶聚集体粒径的大小与表面活性剂及待增溶烷烃的种类有密切的关系；二鼠李糖脂分子中增加的极性基团提高了其增溶烷烃的效率；连续流条件下，现有增溶模型对十二烷淋洗曲线的拟合由于未考虑非离子Triton X-100的分配作用而存在偏差；十二烷在多孔介质中主要以分散液滴的形态存在且鼠李糖脂的淋洗促进了十二烷相的迁移并造成了十二烷相形态的改变；连续流条件下，表面活性剂分子结构及性质，对自身迁移和十二烷的增溶产生了显著的影响；流动中断条件下， Triton X-100自身分配和对十二烷增溶的动力学上的差异导致了Triton X-100穿透曲线中出现流动中断峰；增溶聚集体迁移受到表面活性剂和多孔介质种类以及孔隙水流速的影响，且表现出胶体迁移的特性；随着注入鼠李糖脂浓度的增加，多孔介质中十二烷相比表面积增大，且增溶浓度也提高。这些研究结果对于低浓度表面活性剂在地下水修复方面的应用具有重要理论指导意义。