基于可见光成像和数值模拟研究微塑料对DNAPL在地下水中运移的影响

Microplastics are defined as plastic pieces less than 5 mm in length or diameter, which have been a new type of contaminant attracted attention both in domestic and abroad. Microplastics have strong adsorption capacity for contaminants such as dense non-aqueous phase liquid (DNAPL) and act as a carrier of contaminants to carry these contaminants. As a matter of fact, microplastics are very possible to affect the environmental behaviors of contaminants such as migration and transformation in groundwater. As a result, the risk of the spread of contamination in groundwater will be increased and result in further contamination. The aim of this project is to study the effect of microplastics on the migration of DNAPL in groundwater. Perchloroethylene (PCE) is selected as characteristic DNAPL contaminant in this project. Polyethylene (PE), Polypropylene (PP), Polystyrene (PS) and Polyvinyl chloride (PVC) are selected as typical microplastics. Using the idea of combining the two-dimensional (2D) sandbox experiment and numerical modeling, the migration of PCE affected by typical microplastics in 2D translucent porous media is studied by light transmission tomography system. Furthermore, numerical model of the cotransport of PCE and typical microplastics in porous media is established to study the effect of microplastics on migration of PCE. The implementation of this project will contribute to further understanding the environmental behavior and risks of microplastics in groundwater, providing scientific basis for the accurately predicting and assessing the environmental risks of DNAPL and microplastics in groundwater system.

微塑料指尺寸小于 5 mm 的塑料颗粒，是国内外广泛关注的新型污染物。微塑料对有机污染物如重非水相污染物（DNAPL）具有较好的吸附能力和携带能力，因此会影响污染物在地下水中的运移、分布、转化，增强污染物在地下水中的扩散风险，对环境造成进一步污染。本项目拟选择四氯乙烯作为特征DNAPL污染物，选取聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯作为典型微塑料污染物，以四氯乙烯在含有典型微塑料颗粒的地下水中运移规律和机理为研究重点，采用二维砂箱实验和数值模型相结合的方法，应用可见光成像技术系统研究二维多孔介质中典型微塑料颗粒对四氯乙烯运移的影响程度和规律，进一步建立四氯乙烯和典型微塑料颗粒在多孔介质中运移的数值模型来模拟二者的协同运移。研究结果有助于揭示和阐明地下水中微塑料的环境行为和风险，为准确预测评估地下水中微塑料和DNAPL等有机污染物的环境风险提供科学依据。

微塑料是一种广泛存在于环境中的新型持久性污染物，日益引起人们越来越多的关注和重视。由于环境中的塑料长期暴露在阳光、风、水等不同的条件下，因此会被不断破碎和降解成微（纳米）塑料。微（纳米）塑料体积小、比表面积大，不仅容易进入到土壤-地下水环境中，还可以作为土壤-地下水中有机污染物或重金属的载体，造成更大的危害。通过本项目的实施，提出了DLVO相互作用能二维表面，可用于定量确定在石英砂多孔介质中微塑料颗粒的迁移能力和运移参数与钠离子强度之间的关系。研究结果表明，微塑料颗粒对污染物的吸附能力比石英砂等多孔介质对污染物的吸附能力更强，而且随着电解质Na+、Ca2+和Ba2+浓度的增加，微塑料颗粒对污染物吸附量减少。多孔介质中微塑料含量增大使得更多的污染物滞留在多孔介质中，而提高离子强度则会提高抗生素等小分子污染物的运移能力，但是氧化石墨烯颗粒等胶体的迁移能力则随离子强度增大而降低。在REV评估方面，本项目提出了一个新的REV评估指标χi来识别多孔介质和污染物运移的REV。与已有的这些REV评估指标相比，新的REV评估指标χi则可以比较容易直接识别出REV平台区域II的起点和终点，说明新的REV评估指标χi可有效方便地识别评估REV。在低离子强度和高离子强度条件下，非均质性把PCE-水接触面积REV分别降低了46.0％和51.9％，把PCE饱和度REV分别降低了13.5％和28.9％。此外，高离子强度增大PCE-水接触面积REV的均值。在非均质条件下，提高离子强度会降低PCE饱和度REV的均值；在均质条件下，提高离子强度则增大PCE饱和度REV的均值。基于REV尺度进行网格剖分的数值模型与实验观测结果最相符，未按REV尺度进行网格剖分的数值模型(网格尺寸小于REV及大于REV)模拟所得结果的误差均较大。