基于界面调控的地下水氯代烃 NAPLs 氧化降解机制研究

Groundwater contaminated by chlorinated hydrocarbons (CHC) is a serious environmental issue in China. In addition to dissolved phase, many CHC do exist in groundwater as non aqueous-phase liquids (NAPLs) which have not been quite successfully treated in remediating sites. Since the actual rate of NAPLs degradation depends on the transporting of chemical species within systems, the heterogeneous interface of water-NAPLs will be a key set for this project. Pickering emulsions are used as a template to investigate the heterogeneous CHC-water interface and reveal the mechanism of improving water-NAPLs interfaces. The study will focus on understanding the fundamental mechanism of oxidative removal of NAPLs by kinetics of mass transfer and stoichiometry. Once the conditions are established for the formation of Pickering stable emulsions will be carried out which show that NAPLs can be successfully removed from a saturated model porous system. In conclusion we believe that there are some theoretical knowledge and supporting technologies for NAPLs remediation with in situ chemical oxidation (ISCO).

地下水氯代烃污染是我国一个严重的环境问题，污染场地中氯代烃非水溶相（NAPLs） 的存在更是制约修复技术的关键因子。由于 NAPLs 的化学氧化是一个传质控制的多相反应，因而水/NAPLs 的相界面调控成为关键研究内容。本项目以微/纳米颗粒乳化水/氯代烃 NAPLs 形成稳定的 Pickering 乳液，开展 Pickering 乳液性质、稳定性及其影响因素研究，揭示微/纳米颗粒调控水/氯代烃 NAPLs 界面的机理；解析 Pickering 乳液体系 NAPLs 氧化降解过程中相间物质转化动力学和化学计量学，构建 NAPLs 降解的氧化－界面效应关系，识别氯代烃 NAPLs 降解的微观过程和机制；同时模拟多孔介质水运动环境，建立 Pickering 乳液联用 ISCO 技术高效降解氯代烃 NAPLs 体系。项目研究成果将为 NAPLs 污染地下水修复技术提供理论基础和方法支撑。

污染场地中的氯代烃，由于其难溶于水、低黏性、比水重等特点，易通过包气带沿土壤空隙向地下含水层迁移，且经常以大量非水溶相（NAPLs）形式成片或分散的取代多孔介质中空隙水的位置而存在。原位化学氧化（ISCO）技术因水/NAPLs的非均相界面限制，往往难以达成修复目标。本研究通过合成不同类型的二氧化硅（SiO2）胶体材料调控气/水/NAPLs界面，达到改善ISCO降解氯代烃NAPLs的目的。其一是合成亲水性SiO2胶体材料，通过Pickering乳化形成水包油型乳液，长径比为2.3的SiO2胶体颗粒所形成的乳化液滴小，平均直径为~20 μm，乳化指数63%，且具有良好的稳定性能。研究数据进一步证明Pickering乳化通过促进NAPLs的传质过程，不仅提高NAPLs的降解速率，也提高氯代烃转化为无毒无害化合物的降解效率。同时考察中发现的胶体颗粒浓度增加、水/NAPLs比例减小都会降低Pickering乳化液滴的直径，也为地下水修改工程应用中调控水/NAPLs界面提供理论依据。其二是合成疏水性SiO2胶体材料，通过调控氧化剂KMnO4溶液与空气的界面，形成气包水的“干粉”，该干粉材料对氯代烃NAPLs具有吸收作用，显著降低溶液中氯代烃浓度。同时在进行原位化学氧化时，将氧化剂控制在固定区域，限制其因迁移出污染区而造成的浪费，同时所产生的纳米级MnO2颗粒避免ISCO因副产物堵塞通道，破坏地下水的渗透性的不良后果，由此可见疏水性SiO2胶体材料的界面调控可显著改善ISCO技术。这两类界面调控材料均具有大规模生产的潜能，在地下水污染修复领域拥有广阔的应用前景。