全氟化合物在包气带多孔介质气-液界面上的吸附行为特征及影响因素研究

The adsorption of the air-water interface of the porous media in vadose zone is one of the main mechanisms leading to the retention and attenuation of high surface-active contaminants in unsaturated porous media. Perfluoroalkyl compounds (PFCs) are a new class of global environmental pollutants with high surface activity, strong stability, environmental persistence and bioaccumulation. Their biological toxicity and pollution level have caused globally wide attention. While, the specific impact of air−water interface adsorption on PFCs transport in unsaturated porous media has not yet been investigated. Therefore, this project intends to measure and revise the air-water interfacial area of natural porous media in the vadose zone, and then deeply explore the adsorption behavior and influencing factors of multi-component PFCs with different carbon chain lengths on the air-water interface of porous media in the vadose zone. And finally evaluate the potential importance of air-water interface adsorption of porous media for the retention and migration of PFCs in the vadose zone. This project can provide an important theoretical basis for in-depth study of the impact of the vadose zone on the potential of pollutant migration.

包气带中多孔介质气-液界面的吸附是影响具有高表面活性的污染物在非饱和多孔介质中保留和衰减的主要机制之一。全氟化合物（Perfluoroalkyl compounds，PFCs）是一类具有高表面活性、极强的稳定性、环境持久性及生物累积性的全球性新型环境污染物，其生物毒性及污染程度已经引起了全球学者的广泛关注。然而，目前关于不同碳链长度PFCs在包气带天然多孔介质气-液界面上的吸附行为特征的研究还尚未展开。由此，本项目拟通过化学反应吸收方法实现包气带天然多孔介质的气-液界面面积的测量及修正，进而探究多组分PFCs共存时不同碳链长度PFCs在包气带中天然多孔介质气-液界面上的吸附行为特征及影响因素，最终评价多孔介质气-液界面吸附对PFCs在包气带中保留和迁移的重要性。本项目可为深入研究包气带对污染物迁移能力的影响提供重要理论依据。

包气带是污染物进入到地下环境的必经途径。在包气带中，气-液界面面积可影响多相流流动，控制界面化学污染物、病原体、胶体的滞留和运移，以及各种传质过程。全氟化合物是一系列具有高表面活性、长期持久性以及生物累积性的全球性新型污染物。调查表明，全世界范围内的土壤、地表水以及地下水中都存在着全氟化合物。. 本项目探究了碳链长度对在饱和和非饱和多孔介质中运移时全氟羧酸 (PFCA) 的滞留和吸附量的影响。短链（C4-C7：PFBA、PFPeA、PFHxA、PFHpA）和长链（C8-C10：PFOA、PFNA、PFDA）PFCAs 被选为具有代表性的同源系列全氟化合物。在饱和和稳定非饱和条件下进行混相驱替运移实验，分别表征固相吸附和气-液界面吸附的大小。对C4-C10 PFCA的表面张力进行测量以表征长短链PFCA的表面活性。运用定量结构/性质关系（QSPR）分析法对溶质分子大小对吸附的影响进行表征。本研究还研究了离子强度、水化学类型和pH值等条件对动态水流条件下全氟化合物滞留和运移的影响。在饱和非不饱和条件下，长链 PFCAs 的运移表现出比短链 PFCAs 更大的延迟。C4-C10 PFCAs在饱和多孔介质中运移时，滞留因子的范围为 1.2 到 2.6。固相吸附系数 (Kd) 的对数与碳链长度和摩尔体积呈双相关，且反映了不同吸附机制对短链和长链 PFCA 的影响。在本研究的不饱和实验条件下，长链 PFCAs 的滞留因子范围为 2.4 至 9.2，而短链 PFCAs 的滞留因子均≤1.7。多孔介质气-液界面吸附（AWIA）是长链 PFCA 的主要滞留来源（≥63%）。相反，对于短链 PFCA，AWIA 对保留的贡献小于固相吸附，贡献范围为仅为 4% 到 40%。从运移实验确定的气-液界面吸附系数 (Kia) 的对数是碳链数和摩尔体积的单调函数，与基于表面张力值的定量结构/性质关系分析一致。本研究中最长链C10 PFCAs的运移受非线性气-液界面吸附的影响，而短链 PFCAs 的运移不受非线性气-液界面吸附的影响。溶液水化学条件对PFAS运移的影响方面，在柱实验中观察到的离子强度变化对气-液界面吸附量的影响与测量的表面张力数据一致。PFAS在非饱和条件下运移时，与离子强度相比，pH 变化的影响不那么显着。