颗粒表面粗糙度对胶体在多孔介质中吸附和运移的影响机理

弄清颗粒表面粗糙度对胶体在多孔介质中吸附和运移的影响机理是准确预测胶体在多孔介质中迁移行为的关键。本课题拟从理论分析和试验模拟两方面研究颗粒表面粗糙度对胶体在多孔介质中吸附和运移的影响机理。研究内容包括：通过定量分析布朗扩散、水动力、颗粒表面粗糙度和次级势阱吸附这四个关键因素与粘附效率之间的关系，建立预测粘附效率的综合理论模型；进行室内模拟试验，弄清颗粒表面粗糙度和次级势阱吸附之间的关系以及颗粒表面粗糙度和次级势阱对胶体在多孔介质中的吸附和运移的耦合影响；将建立的粘附效率综合模型和土柱模拟试验参数与对流－弥散方程相结合，建立胶体在多孔介质中吸附和运移综合模型，通过对综合模型的扩展运算，对胶体在多孔介质中的扩散速度和范围进行预测。通过上述研究，对胶体过滤理论进行进一步修正和完善，为制定水土环境健康标准，预防和控制病原性微生物及其胶体所携带的各种有机和无机污染物通过水土途径传播提供决策依据。

土壤中胶体（如纳米材料、病毒和细菌）的运移是土壤学和环境等学科近年来的研究热点之一。由于土壤颗粒表面粗糙广泛存在，因此弄清颗粒表面粗糙度对胶体在多孔介质中吸附和运移的影响机理是准确预测胶体在多孔介质中迁移行为的关键。本课题从理论分析和试验模拟两方面研究了颗粒表面粗糙度对胶体在多孔介质中吸附和运移的影响机理。主要研究内容与进展包括：（1）采用土柱实验和改进的Derjaguin积分方法对不同离子强度条件下表面粗糙度对纳米和微米胶体在多孔介质中吸附的影响进行了研究，发现表面粗糙度的存在不仅有利于胶体在高离子强度条件下吸附在初级势阱中，并且也有利于胶体吸附在次级势阱中；（2）采用DLVO势能曲线和势能图从一维和三维尺度研究了表面粗糙度对胶体从固相颗粒表面解吸的影响，发现纳米粗糙凸起的存在可使高离子强度下吸附在初级势阱中的胶体在溶液离子强度降低时解吸下来，这是由于纳米粗糙凸起使DLVO势能曲线上的初级势阱在低离子强度条件下消失，从而DLVO势能随距离的增加而单调减小（即存在排斥力），存在一临界离子强度，只有当电解质溶液小于临界值时，解吸才可能发生，胶体在初级势阱中的解吸存在滞后现象，另外，表面粗糙度的存在不仅有利于胶体从初级势阱中解吸，并且也有利于胶体从次级势阱中解吸。（3）通过定量分析布朗扩散、水动力、颗粒表面粗糙度和次级势阱吸附这四个关键因素与粘附效率之间的关系，建立了预测粘附效率的理论模型，并将建立的粘附效率模型与胶体过滤模型和对流－弥散方程相结合，建立了胶体在多孔介质中吸附和运移综合模型；（4）通过土柱实验，研究了表面粗糙度、阳离子交换、表面电荷非均质性和次级势阱对纳米和微米胶体从初级势阱中解吸的耦合影响，发现发生阳离子交换时，表面粗糙度的存在有利于微米胶体在低离子强度条件下的解吸，表面电荷非均质性有利于纳米胶体在高离子强度条件下的解吸，次级势阱阻碍纳米胶体在高离子强度条件下的解吸。本项目的研究结果对胶体过滤理论进行了进一步的修正和完善，并为制定水土环境健康标准，预防和控制病原性微生物及其胶体所携带的各种有机和无机污染物通过水土途径传播提供了决策依据。