地下水中Tween80對DNAPL運移和分布的影響

程 洲,徐紅霞,吳吉春*,吳 鳴

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地下水中Tween80對DNAPL運移和分布的影響

程 洲1,2,徐紅霞1*,吳吉春1**,吳 鳴3

(1.南京大學地球科學與工程學院水科學系,污染控制與資源化國家重點實驗室,江蘇 南京 210046；2.廣東省環境科學研究院,廣東 廣州 510045；3.暨南大學地下水與地球科學研究院,廣東 廣州 510632)

選用地下環境中普遍存在的四氯乙烯(PCE)為典型DNAPLs污染物,建立二維砂箱模型,研究一種人為引入表面活性劑Tween 80對粗砂介質中DNAPLs遷移和分布的影響.測定了含不同濃度Tween 80水溶液/石英砂/PCE三相體系下的液/液界面張力及PCE在石英介質表面的接觸角,結果表明PCE在石英砂表面的接觸角隨著Tween 80濃度的增大而增大,PCE/水的界面張力隨著Tween 80濃度的增大而減小,Tween 80濃度在CMC值附近時變化急劇.隨后的二維砂箱實驗定量描述地下水中表面活性劑Tween 80 對PCE的遷移和最終形態的影響.由于Tween 80可以使石英砂介質由水相潤濕轉變為中間潤濕或油相潤濕態,相應地在20~30目的粗砂均質介質中Tween 80對DNAPLs遷移存在明顯影響.背景溶液中表面活性劑的存在使得DNAPL的垂直運移速度減小,垂向遷移距離減小,最終使得被截留在運移路徑上的殘留PCE增加.和純水流情況下相比,地下水中含有表面活性物劑Tween 80時,使得DNPAL污染羽向水流方向偏移減弱,污染羽展布面積與純水情形下相比,在垂向上均明顯減小,并且以較大飽和度殘留的DNAPL量增加.

重非水相液體污染物(DNAPLs)；粗砂介質；吐溫80；遷移；分布

近年來隨著石化工業的迅速發展,在產品的生產、運輸、存儲及使用過程中,每年有大量重非水相液體(DNAPL)污染物進入到土壤和地下水中,常見的有四氯乙烯(PCE)、三氯乙烯(TCE)、三氯甲烷(TCA)等含氯有機溶劑[1].這類物質具有高毒性、低溶解性、高密度、弱遷移性、難降解的特點,一旦進入地下水環境,常常穿過地下水位進入飽和含水層,最終以不連續神經節狀(ganglia)、液滴狀(droplets)被截留在多孔介質中,或以連續相的DNAPL污染池(pool)狀滯留在含水層底部,形成持久污染源,對人體健康和生態環境構成巨大威脅[2].

目前,國內外已有研究表明[3-6],DNAPLs在飽和多孔介質中遷移和分布主要由重力、黏滯力和毛細管力控制,影響因素包括DNAPLs本身的物理化學特性,泄露特性,介質特性等.其中,水相與非水相之間的界面張力和介質的潤濕性對DNAPLs的遷移、截留及最終形態存在顯著影響[7].界面張力是指液體與另一種不相溶液體接觸界面處產生的力.潤濕性是指一種流體在另一種不相溶流體存在時優先鋪展于固體介質表面的趨勢,用接觸角()表示.當在0~70°時為水相潤濕;當為70~120°時為中間潤濕狀態;當大于120°時為油相潤濕狀態[8].現有相關DNAPLs運移行為的研究大多是基于水相是潤濕相[4],而近些年來的研究表明地下水環境中,水相并不總是潤濕相[9].

含水層介質中界面張力和潤濕性受地下水化學條件包括pH值、溶解性鹽、表面活性物質等影響從而進一步影響DNAPLs在多孔介質中的遷移.國內外學者對地下水化學條件對DNAPLs在飽和多孔介質中遷移的影響已有相關的研究.Barranco等[10],Hsu 等[11]理論上探討了在NAPL/水/石英砂三相體系下,pH值和離子強度對界面張力和介質潤濕性的影響.Molnar等[4]理論上探討了介質表面潤濕性改變對DNAPLs在飽和多孔介質中遷移的影響.Chen等[12]通過一維砂柱實驗研究了不同離子強度條件下飽和多孔介質中有機污染物的運移.本文作者等[13]利用二維砂箱并結合光透法探討了均質和非均質介質中溶解性鹽對PCE遷移規律的影響.地下水中的化學成分復雜多變,除了含有多種離子外還含有天然來源和人為因素引入的有機物[14],其中很多有機物具有表面活性,如污染地下水表面活性劑強化含水層(Surfactant-enhanced aquifer remediation)修復技術中常采用的表面活性劑Tween 80.已有研究表明[15-16],當修復工程實施以后,往往在相當長的一段時間內會有Tween80殘留在地下水中.這種人為引入的表面活性劑可能會影響地下環境中不同相之間的界面特征[4,9],進而影響到DNAPL在地下環境中的運移和分布規律,而目前國內針對地下水中表面活性劑對DNAPL遷移規律的影響研究比較少見.

本文從地下水中人工引入的表面活性劑Tween 80 入手,以地下環境中普遍存在的PCE為典型DNAPL污染物,研究DNAPL泄漏到含有此類表面活性物質的地下環境后的遷移和分布行為,研究結果能夠豐富地下水中DNAPL的遷移理論,并可為DNAPL污染的監測及修復提供一定的數據參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選擇四氯乙烯(PCE)作為DNAPLs的典型代表物,實驗所用PCE購于Sigma-Aldrich化學品公司,純度99.5%,密度為1.625g/mL (25℃),分子量為165.82g/mol,水中溶解度約224mg/L(25℃),PCE和水的界面張力為44.4mN/m[17].實驗中,利用溶于有機物而不溶于水的染色劑油紅-O(Fisher Scientific, Fair Lawn, NJ) 將無色PCE染成紅色便于觀察和光透法分析,染色濃度為0.05g/L,染色后PCE的理化性質無顯著改變[18].聚山梨酯(Poly oxye thylene sorbitanmonooleate, Tween 80),非離子型表面活性劑,購于Sigma-Aldrich公司.Tween 80的分子量1310g/ mol,密度1.08g/cm3,臨界膠束濃度(CMC)約為35mg/L[19].實驗用水為超純水,實驗所用氯化鈉為分析純,購于中東化玻公司.實驗前以超純水配制不同濃度(0~200mg/L)的Tween80溶液備用,濃度設置與野外實際地下水中Tween80的濃度變化范圍相似[15].實驗中以含有0.04g/L氯化鈉的水溶液作為背景溶液,實驗所用流體的物理化學性質見表1.

表1 實驗中所用流體的物理化學性質 Table 1 Fluid properties used in the experiments

注:A=Air; l=W (water) or N (NAPL); n.a=not applicable;a=來源于 Taylor 等[17].25℃. 2001;b=在22℃條件下測定.

表2 所用石英砂的相關性質 Table 2 Properties of sands used in the experiments.

砂箱中所填介質選用半透明石英砂Accusand,本次實驗選用20~30目和70~80目兩種規格(美國Unimin公司生產).Accusand具有較高的純度,有機物含量極低[20],并具有良好的透光性,適宜于在透射光法中使用,所用石英砂的基本性質見表2.石英砂的清洗方法和裝填方法參照本課題組前期已經建立的方法[21].

1.2 界面張力和接觸角的測定

接觸角的測定采用懸滴法[16],將非潤濕的流體(PCE)滴到石英玻璃塊上待穩定后利用接觸角測定儀(DSA 100, Kruss, Germany)測定,軸對稱形狀分析法(axisymmetric drop shape analysis, ADSA)測算接觸角.以石英玻璃塊的表面用來模擬石英砂顆粒表面.采用測微注射器將PCE液滴滴到浸沒在水相溶液中的石英玻璃塊表面上,待穩定40min后測量并分析PCE在石英玻璃板上的接觸角.PCE和水相溶液的界面張力用ADSA方法測定[16],儀器為旋轉滴界面張力儀(Model 500, Kino Industry, USA),樣品準備與接觸角的測定相同.上述測定在室溫條件下進行.

1.3 二維砂箱實驗

為了定量描述粗砂介質條件下地下水中人工表面活性劑對DNAPLs遷移規律的影響,采用一種玻璃與鋁合金材料構建的二維砂箱對DNAPL的運移進行物理模擬.砂箱尺寸為60cm(長)×45cm (高)×1.4cm(厚),由2個外側鋁框及1個中間框和兩片鋼化玻璃組成,有利于DNAPLs運移的可視化觀察.砂箱中間框左右側各設置3個孔,分別作為入水口和出水口,中間框的左右內側各設置一個U型的凹槽,作為進水井和出水井,以便于實現均勻流流場.井在整個深度上是被不銹鋼鋼網包裹的,這樣可以阻止砂堵塞井.中間框的頂端是可拆卸的頂蓋,維持砂箱中承壓狀態,橡膠條用來密封鋁制框與鋼化玻璃之間的間隙,防止水流的滲入,玻璃膠密封砂箱.外部鋁框用螺絲固定,確保內框與玻璃間的牢固,同時通過擠壓橡膠條達到隔水的目的.水流通過蠕動泵從砂箱左側3個均勻分布的入水口流入砂箱,出水從右側的3個出水口流出進入一個定水頭的廢液玻璃瓶.在每個砂箱的中間位置的上端有個注入點模擬污染物從污染源區的泄漏.二維砂箱示意圖如圖1所示.

本次實驗共設3組砂箱,均裝填20~30目的石英砂為背景介質,其中第一組砂箱以0mg/L Tween 80的溶液作為背景水溶液,記為T80-1;第二組以20mg/L的Tween80溶液為背景溶液,記為T80-2;第三組砂箱以100mg/L的Tween80溶液為背景溶液,記為T80-3.在所有的砂箱中,底部和頂部均設置1cm厚的細砂層(70~80目)防止PCE從頂部和底部溢出.

圖1 實驗砂箱示意 Fig.1 Schematic diagram of the two-dimensional sand box

在每組實驗開始前,先從左端流入口引入背景溶液對整個砂箱進行沖洗,直至形成穩定流,流速恒定在1.5m/d,選擇該側向流速是因為結果要與本課題組前期的研究結果作對比[16].利用氣密注射泵(Cole Palmer 74900series, Anjou, QC)將24mL的染色PCE以0.5mL/min的恒定流速通過注入孔注入到砂箱中,讓PCE在砂箱中充分運移分布24h,在這個過程中按照預設的時間間隔利用透射光路系統監測記錄透射光光強值.實驗操作條件如表3所示.

透射光光路包含一個CCD (AP2E,Apogee Instrumnets,Auburn,CA)相機以及相關的控制軟件(Maxim DL,Ottawa,ON).砂箱的一側為由6根日光燈管組成的燈箱,作為光源,CCD相機放在砂箱的另一側,相機鏡頭(Nikon D90)對準砂箱中間位置,距離砂箱大約1.8m.實驗基于染色PCE的光吸附峰值,選擇543nm的帶通濾波器,濾波器安裝在相機鏡頭的前面.砂箱與相機之間的空間以木質遮光板封閉,以保證位于砂箱另一側的CCD相機所接受的光線皆來自燈箱發出穿過砂箱后的光線.

1.4 分析方法

使用一種修正的光透射法分析染色的PCE在二維砂箱中的運移和變化[22].實驗期間,CCD相機設置為每隔一定時間拍照一次記錄光強變化,對PCE的入滲過程和再分布過程進行動態監測.采集的圖像使用MATLAB R2014a軟件編譯語言程序進行圖片處理得到PCE飽和度(o)的剖面圖,再現DNAPL在二維砂箱中的遷移過程.實驗過程的室內溫度保持在22℃±1.0℃.

DNAPL的飽和度通過透射光光強值計算轉換而來,之前的研究已經表明了兩者的函數關系[22-23].本次實驗是模擬飽和含水層,只有水油兩相,DNAPL的飽和度(o)計算利用Bob等[22]建立的模型,計算公式為:

式中:s與oil分別為在完全飽水和與完全飽油條件下的每一個計算單元的光強值,o是油的飽和度,是透射光光強.

2 結果與討論

2.1 界面張力和接觸角

在飽和多孔介質中,相與相之間的界面特性對油相(DNAPL)在地下水環境中的運移和最終形態有著重要影響[7].因此,有必要首先研究地下水中表面活性劑的存在對水相/油相/固相三相體系界面特性的影響.圖2顯示的是在不同Tween 80濃度條件下,PCE/水相溶液的界面張力以及PCE在石英玻璃平板表面上的接觸角().當水相中無Tween 80存在時,測得PCE/水的界面張力及PCE在石英玻璃表面的接觸角分別為47.5mN/m和44.4°,這與Molnar等[4]報道的結果一致.從圖2可以明顯看出,在水相/油相/固相組成的三相體系中,接觸角隨著Tween 80濃度的增大而增大,水/油兩相的界面張力隨著Tween 80濃度的增加而減小,尤其在Tween 80 CMC值(35mg/L)附近,界面張力和接觸角的值變化急劇.當Tween 80的濃度從0增加到100mg/L時,接觸角從44.4°增加到114.8°,界面張力從 47.5mN/m降低到7.4mN/m.總體上,當Tween 80 的濃度超過100mg/L的時,界面張力和接觸角基本上達到穩定狀態,界面張力和接觸角值改變很小.水相中存在的Tween 80分子會吸附在石英砂顆粒的表面,從而改變石英砂的疏水性能.在本次實驗設置的Tween 80 濃度變化范圍內(0~200mg/L),接觸角增加了79.8°,最大值達到124.2°界面張力減小了40.6mN/m,最小值為6.9mN/m.該實驗結果說明,當地下水中Tween 80濃度達到一定值時,將會使石英砂介質的潤濕性發生改變,即由完全水相潤濕態轉變為中間潤濕態或者油相潤濕態.從圖2中可以看到,當Tween 80 濃度達到20mg/L時,接觸角為83.4°,表明石英砂介質由水相潤濕變為中間潤濕態;當濃度超過100mg/L時,接觸角大于120°,此時介質的表面潤濕狀態發生根本轉變,由水相潤濕轉變為NAPL相潤濕.

2.2 PCE在飽和介質中的運移過程

為了定量考察非離子型表面活性劑Tween 80對DNAPL在飽和粗砂介質中運移和分布的影響,本研究中PCE在二維飽和多孔介質中的運移實驗在含有不同濃度Tween 80(0、20、100mg/L)的背景水溶液中分別進行,對應水相潤濕、中間潤濕和油相潤濕的介質潤濕態情形.圖3為PCE注入到不同背景溶液砂箱中后,不同時刻的飽和度分布結果,3組實驗中PCE的運移行為表現出顯著差異.背景溶液中不含表面活性劑時,PCE泄漏進入砂箱后的運移行為主要是在重力作用下的快速向下運移,由于運移過程中的毛管壓力,伴隨一定的側向擴散,最終形成在運移路徑上的截留PCE,以及運移到砂箱底端細砂層時由于無法克服毛細壓力而在其上方累積而成的DNAPL污染池(pool),這與本課題組的實驗結果類似.與PCE在40~50目中砂介質中的運移結果相比[16],其在粗砂介質中的側向擴散程度明顯降低.這是因為側向遷移由毛細壓力引起,而根據Young-Laplace方程,毛細壓力與介質空隙大小成反比[25],因此,PCE在具有更大孔隙的粗砂介質中的側向遷移幅度相對較小.

在純水水流條件下(圖3T80-1),能明顯觀察到團狀截留和指狀遷移,最終形成了比較尖銳的污染羽邊界,這表明即使是裝填比較好的砂箱中人工微小的局部非均質性也會對DNAPL運移造成比較大影響,在前人有關多孔介質中PCE在純水水流條件下的運移實驗中也可以觀察到類似現象[7].在20mg/L Tween 80背景水流條件下(圖3 T80-2),PCE的快速向下移動及尖銳的污染羽邊界有弱化的趨勢.最終趨于穩定時,污染羽內PCE的飽和度分布相較T80-1實驗組變得均一.在100mg/L Tween 80為背景溶液的砂箱中(圖3T80-3),PCE污染羽邊界更加趨于圓潤,但粗砂介質中,100mg/L tween 80使得污染羽的整體分布收縮并趨向于圓潤的作用沒有中砂介質中的顯著,后者在相同情形下形成了接近圓球狀的PCE污染羽[16].這主要是因為相較于中砂介質,粗砂介質的孔隙半徑更大,根據楊氏-拉普拉斯方程[24-25],當孔隙半徑R較大時,毛管力Pc的變化相對較小.

從圖3中還可以看到,在T80-1實驗中有大量PCE運移到砂箱底部細砂層形成DNAPLpool,計算得到pool狀PCE量為6.6mL,污染池長度為31.2cm,污染池的平均飽和度為0.43.在T80-2實驗中,僅有1.8mL的PCE運移到砂箱底部形成污染池,長度減小為18cm,平均飽和度減小到0.26.在T80-3實驗中,幾乎沒有PCE可以運移到砂箱底部細砂層形成DNAPL池,而是以較高飽和度的團狀PCE截留在運移路徑中.結合接觸角和界面張力的測定結果, 100mg/L的Tween 80使石英砂介質由水相潤濕變為油相潤濕,由于潤濕性的改變,PCE的遷移規律仍然發生了顯著變化.對污染羽偏移角(注入點與質量中心點所在直線與注入點所在垂直線形成的角度)進行分析,三組實驗(T80-1,T80-2,T80-3)污染羽的偏移角分別為4.97°、1.92°和-1.97°.以上對運移路徑的分析結果表明,和純水水流條件下相比,含Tween 80水流減弱PCE污染羽向右(水流方向)偏移的趨勢.在T80-3實驗中,出現了逆水流偏移的現象,這是由背景溶液前端鋒面之后顯著更低的界面張力導致的毛管力非平衡現象造成的[26].

為了進一步分析地下水體中表面活性物質對DNAPL遷移行為的影響,對PCE污染羽前端鋒面的運移速率進行計算,結果如圖4所示.隨著背景溶液中Tween 80 濃度的增加,污染羽前端鋒面向下遷移的速率呈遞減趨勢.T80-2實驗組中,介質的潤濕性由水相潤濕變成了中間潤濕狀態,而在T80-3實驗組中,介質已經完全轉為油相潤濕,與之相對應, T80-3實驗組中污染羽前端鋒面運移速率的減慢幅度最大.3組實驗中,PCE到達砂箱底端細砂層的時間分別為29、39和98min.Tween 80存在時,由于界面張力的減小和接觸角的增大,使得PCE的相對滲透率減小[9],向下遷移減慢,這與Phelan等的數值模擬結果相吻合[27].以上這些結果表明,地下水中的人工表面活性物質Tween 80能夠通過影響液/液界面張力和液/固接觸角從而顯著改變DNAPL在粗砂介質中的垂向運移速率.

2.3 Tween 80 對PCE展布范圍的影響

基于2.2節中的PCE飽和度分析結果,采用空間矩方法來定量描述表面活性劑對PCE污染羽在二維空間上的整體運移行為及變化特征的影響[13].圖5顯示的是PCE在三種背景溶液砂箱中的水平(σ2)和垂直(σ2)展布范圍隨時間變化關系圖.從圖中可以看出,PCE泄漏到砂箱中以后沿著垂直和水平方向擴展,在前期注入過程中PCE快速的擴展,隨著時間的推移,擴展逐漸減慢,最后趨向于穩定.和T80-1組(純水流情形)相比,T80-2和T80-3實驗組中,背景溶液中Tween 80的存在造成油相和水相之間界面張力降低,PCE在石英砂表面的接觸角增大,最終使得污染羽的展布面積在垂向和橫向上均有明顯減小.從圖5中還可以看到,污染羽在垂向上的展布范圍隨著Tween 80濃度的升高而減小,100mg/L的Tween 80背景溶液中PCE的展布范圍小于20mg/L Tween 80中的,而水平方向上卻正好相反,T80-3組污染羽的橫向展布范圍大于T80-2組.對比PCE在顆粒較細的中砂介質中運移結果[16],當背景溶液中Tween 80的濃度值沒有造成石英砂的潤濕性轉變為油相潤濕時,PCE污染羽在垂向上的展布范圍雖然也隨著Tween 80濃度的增加而減小,但是高于純水情形.以上研究結果進一步說明,表面活性劑通過改變界面張力和介質潤濕性來影響DNAPL在多孔介質中的運移和分布,但介質粒徑的作用不可忽視.

圖4 PCE前端鋒面平均運移速率 Fig.4 Velocity of the PCE advancing front for the six tests in the porous media

2.4 污染羽飽和度分布

當PCE在裝有粗砂介質的砂箱中分布達到穩定后,即連續的2張圖像分析結果之間沒有明顯的變化[13].利用透射光圖像分析法計算并統計分析不同時刻PCE在整個砂箱介質中的飽和度,采取飽和度直方圖的形式來描述不同飽和度區間PCE的體積分數,能夠更直觀的了解PCE飽和度空間分布的變化趨勢.

圖6為3組砂箱實驗中的PCE污染羽在不同時刻的飽和度直方圖,橫坐標表示飽和度(間隔0.01),縱坐標為該飽和度區間PCE的體積分數/頻率.3組實驗達到穩定時平均飽和度分別為0.23、0.27和0.36.從圖中可以明顯看到,隨著背景溶液中Tween 80濃度的增加,飽和度峰值向右移動(高飽和度方向),這個結果跟在中砂介質下的結果類似,在20~30目的粗砂介質下,隨著界面張力的減小和接觸角的增加,當石英砂介質的潤濕性由水潤濕變為中間潤濕甚至是油相潤濕狀態,以較高飽和度截留存在的PCE的量也有增加的趨勢.

圖7 PCE在粗砂介質中穩定分布后的殘留飽和度 Fig.7 Residual saturation of PCE after stable distribution in coarse sand medium

污染羽中DNAPL的飽和度低于殘余飽和度時稱為不連續的離散狀DNAPL(ganglia),高于殘余飽和度的稱為池狀DNAPL(pool).“GTP”(ganglia to pool)即定義為離散狀DNAPL和池狀DNAPL的比值[28],本文采用該比值來定量表征PCE污染羽的結構特征.本文所用20~30目Accusand為相關實驗模擬研究中經常使用的理想充填介質,殘留飽和度為0.11[29].當三組實驗均達到穩定后(=24h),計算得到對應GTP值分別為0.13,0.083和0.076,表明隨著背景溶液中Tween 80濃度的增加,PCE在粗砂介質的運移達穩定后,所形成的污染源區中以較低飽和度的ganglia態被截留的PCE量隨之減少.

當PCE在砂箱中運移分布達到穩定后,于砂箱中間位置(=30cm),即入滲“中軸線”上的飽和度值進行分析.圖7顯示在砂箱的中間位置(=30cm)是PCE的飽和度隨著垂直深度的變化關系曲線,砂箱左上角為起始點.從圖中可以看到,PCE在20~30目粗砂介質中的殘留飽和度的變化,受到界面張力和介質潤濕性的影響較大,即使是在20mg/L的Tween 80溶液中,界面張力和接觸角較小的變化都會對飽和度產生影響,和純水流情況下相比,隨著接觸角的增加,PCE截留的最大飽和度增加,這與中砂介質下的實驗結果一致.對這些飽和度取平均值,3組實驗,每組的平均飽和度隨著潤濕性的變化而增加,平均飽和度分別為0.23、031和0.37.這進一步表明,由表面活性劑導致的介質潤濕性的變化,對DNAPL在相對較粗的飽和多孔介質中的運移和分布也會產生明顯的影響.

3 結論

3.1 在石英砂/水/PCE三相體系下,PCE/水的之間的界面張力隨著Tween 80濃度的增大而減小,PCE在石英表面的接觸角隨著表面活性劑濃度的增大而增大.當表面活性劑濃度低于100mg/L時變化顯著,Tween 80會使石英砂介質由水潤濕態轉變為中間潤濕態或油相潤濕態.

3.2 在20~30目的粗砂均質介質中,和純水流情況下相比,背景溶液中Tween 80的存在使得PCE尖銳的污染羽邊界趨向于圓潤,造成PCE污染羽向右(水流方向)偏移的趨勢減弱,污染羽前端鋒面的垂直運移速率減小,最終使得被截留在運移路徑上的殘留PCE增加.

3.3 在粗砂介質中,當地下水中含有表面活性劑Tween 80時,油相(DNAPL)和水相之間界面張力降低,PCE在石英砂表面的接觸角增大,最終所形成DNPAL污染羽的展布面積與純水情形下相比,在垂向上明顯減小,并且以較大的飽和度殘留的DNAPL量增加.

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Effects of Tween 80 in groundwater on DNAPL migration and distribution.

CHENG Zhou1,2, XU Hong-xia1*, WU Ji-chun1**, WU Ming3

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Department of Hydrosciences, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210046, China；2.Guangdong Provincial Academy of Environmental Science, Guangzhou 510045, China；3.Institute of Groundwater and Earth Sciences, Jinan University, Guangzhou 510632, China)., 2019,39(3)：1068~1077

How artificial surfactant Tween 80 in groundwater affect ubiquitous tetrachloroethylene (PCE) migration and distribution in coarse porous media was investigated in this work. Batch experiments were first conducted to measure the contact angles and interfacial tensions (IFT) between PCE and quartz surface in water containing different amount of Tween 80. Results showed that the contact angle increased and IFT decreased with the increased concentration of Tween 80, and the effects were more obvious near the CMC value. Three 2-D sandboxexperiments were then conducted.Correspondingly, Tween 80 showed strong effects on the migration and distribution of PCE in the coarse porous media due to its ability to change the medium wettability from water-wet into intermediate/NAPL-wet. The presence of surfactant in the background solution decreased the vertical migration rate of DNAPL, decreased the vertical migration distance, and eventually increased the residual PCE trapped in the migration path. Compared with the situation without surfactant, the Tween 80 in groundwater weakened the tendency of PCE plumes deflect to the direction of water flow. Compared with the water-only case, the distribution area of PCE plumes decreased significantly in the vertical direction, but the amount of DNAPL residues with greater saturation increased.

DNAPLs；coarse porous media；Tween 80；migration；distribution

X523

A

1000-6923(2019)03-1068-10

程 洲(1986-),男,湖北襄陽人,博士,工程師,研究方向為DNAPLs在土壤及地下水系統中的遷移及修復.發表論文9篇.

2018-07-20

國家自然科學基金-新疆聯合項目(U1503282);國家自然科學基金資助項目(41030746,41172207);教育部博士點基金(20110091110039);中國博士后基金(2017M622905)

* 責任作者, 副教授, hxxu@nju.edu.cn; **, 教授, jcwu@nju.edu.cn