表面粗糙度对胶体及其携带的环境激素在多孔介质中运移的影响机理及模拟

Knowledge of the behavior of colloid transport and colloid-facilitated transport of contaminants in porous media is critical to preventing groundwater from being polluted by biocolloids (e.g., virus and bacteria) and colloid-associated contaminants. Surface roughness is one of the primary factors that influence colloid transport in porous media. The objective of this research to theoretically and experimentally study effects of surface roughness on attachment, detachment and transport of colloids and colloid-associated environmental endocrine in porous media. We will theoretically examine the effects of surface roughness on detachment of colloids from secondary minimum in one dimension and, further, three-dimensionally investigate the attachment, detachment, and transport of colloids in the presence of surface roughness. We will also conduct laboratory column experiments to investigate the coupled influence of surface roughness and humic substances on transports of colloids, polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), polychlorinated biphenyls (PCB), and colloid-facilitated PBDEs or PCB in porous media. Finally, a three-dimensional model will be developed by combining convective-diffusion equation with the equations of attachment and detachment obtained previously to determine the transport distances of colloids and colloid-associated contaminants under different conditions. Results of this study have implications in prediction of fate and transport behavior of pathogenic microorganisms and colloid-associated environmental endocrine in subsurface environments and can be helpful for drinking water protection regulations and government decisions.

弄清表面粗糙度对胶体及其携带的环境激素在多孔介质中的吸附、解吸和运移的影响机理对于准确预测胶体和环境激素在地下环境中的归趋具有重要的意义。本课题拟在在青年科学基金项目工作的基础上，进一步将表面粗糙度对胶体在初级和次级势阱中吸附和解吸的影响研究从一维方向扩展到三维空间中，建立胶体的吸附和解吸三维模型，然后进行室内土柱模拟试验，研究表面粗糙度和腐殖质对胶体携带溴代阻燃剂(PBDEs)和多氯联苯(PCB)在多孔介质中吸附、解吸和运移的影响机理，最后在建立的吸附和解吸模型以及试验观测基础上，参考土壤溶质运移的对流-弥散方程，建立预测胶体携带环境激素在多孔介质中吸附、解吸和运移的三维模型，通过模型的扩展运算，预测胶体及其携带的环境激素在不同条件下的扩散速度和范围，为预防和控制地下水受到病原性微生物以及胶体所携带的环境激素的污染提供理论基础和决策依据。

有关胶体可携带重金属等污染物在土壤中迁移从而增强这些污染物在土壤中的扩散范围已有大量报道，然而有关胶体对环境激素在多孔介质中迁移的影响还未有研究，此方面的研究对于预防和控制地下水受到环境激素的污染具有十分重要的意义。本项目首先研究了三维空间中表面粗糙度和表面电荷非均质性对胶体在固相表面吸附和解吸的影响机制，以及胶体团聚对胶体吸附和解吸的影响机制，然后研究了胶体和环境激素在多孔介质中的协同迁移规律，最后研究了零价铁和生物质碳对环境激素的去除。本项目获得的主要研究结果主要如下：. 1．表面分形的存在使固相表面既存在大的粗糙突起，同时大的粗糙突起的表面又存在小的粗糙突起，小的粗糙突起有利于胶体克服排斥势垒吸附在初级势阱中，而大的粗糙突起则有利于胶体吸附在其旁边凹陷处的次级势阱中。. 2. 表面电荷非均质性的存在有利于减小排斥势垒，从而有利于胶体吸附在初级势阱中，并且这些吸附在初级势阱中的胶体不易通过离子强度降低的方式解吸，这是因为表面非均质体的存在还增加了胶体在初级势阱所受的力。. 3．微米胶体的表面吸附纳米颗粒形成纳米/微米复合颗粒后，有利于减小排斥势垒，从而有利于纳米/微米复合颗粒吸附在初级势阱中，这些吸附在初级势阱中的纳米/微米复合颗粒在溶液离子强度改变条件下还有利于从初级势阱中解吸，这是因为微米颗粒表面吸附纳米颗粒后会减小排斥势垒。. 4．通过研究蒙脱石胶体和环境激素在土壤中的协同迁移，发现蒙脱石可以携带环境激素从而显著增强蒙脱石在土壤中的迁移的距离，同时环境激素也可以通过和蒙脱石竞争土壤表面的吸附点位而减少蒙脱石的吸附并增强蒙脱石的迁移，建立了蒙脱石携带环境激素在土壤中迁移的模型。. 5．通过研究零价铁和生物质碳对环境激素的去除，发现零价铁对环境激素具有很强的去除能力，尽管零价铁对有机污染物一般通过还原降解的方式去除，零价铁对环境激素的去除主要通过吸附的方式去除。生物质碳对环境激素也具有很强的去除能力，主要是通过环境激素扩散到生物质碳孔隙中的方式来进行去除。. 上述研究结果进一步弄清了表面非均质性对胶体在多孔介质中迁移的影响机制，为预防和控制地下水受到胶体携带环境激素的污染提供了理论基础和决策依据。