膠態微泡沫用于沖洗含水層的遷移分布特征

何 宇,郭 超,付玉豐,張成武,張婧懿,秦傳玉* (1.吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室,吉林 長春 130012；2.吉林大學新能源與環境學院,吉林 長春 130012；3.石油化工污染場地控制與修復技術國家地方聯合工程實驗室,吉林 長春 130012)

目前,對于重質非水相液體(NAPLs)污染地下水的原位治理技術中,原位表面活性劑沖洗技術因具有去除效果好、成本低、操作簡單等優點而廣受關注[1-4].但國內外學者研究表明,傳統的表面活性劑沖洗液在介質中遷移易出現“孔道流”現象,在非均質區域會產生“繞流”現象,沖洗藥劑難以完全覆蓋污染區域,從而導致污染物去除效率變差[5-10].

為了解決上述問題,原位表面活性劑泡沫強化沖洗技術逐漸受到關注,研究顯示泡沫在介質中分布更為均勻,可以有效避免“孔道效應”等問題,且污染物去除效果較好[11-18].膠態微泡沫(CGAs)是通過高速攪拌表面活性劑溶液制得的一種穩定的微泡沫,其具有獨特的泡沫結構,穩定性和耐壓性比普通泡沫更強[19-24].且研究表明,和普通表面活性劑泡沫沖洗相比,膠態微泡沫沖洗對污染物的增溶增流效果更明顯,修復效果更顯著[25-26].CGAs 具有非牛頓流體的性質,其在含水層中的遷移分布特征與普通流體不同,準確認識和描述CGAs在含水層的遷移分布特征對明確CGAs 沖洗強化機理至關重要,同時也對提高修復效果有著實際意義.

本研究通過設置二維均質模擬槽實驗,探究了CGAs 在含水層中遷移的時空分布特征,并考察了注入速率、表面活性劑濃度和介質粒徑條件對CGAs遷移分布特征的影響;同時通過二維非均質模擬槽實驗,比較了表面活性劑溶液和CGAs 在非均質含水層的遷移分布特征.研究結果可為CGAs 沖洗技術在含水層中的應用提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試劑及儀器:C14-16α-烯基磺酸鈉(AOS),純度為92%(上海源葉生物技術有限公司);水溶伊紅和亮蘭,分析純(天津市光復精細化工研究所);SDF1100 分散機(上海微特電機有限公司);07522-30Masterflex L/S 蠕動泵(美國, cole-parmer);YZ1515 蠕動泵(保定齊力恒流泵有限公司).

實驗介質采用石英砂,將石英砂篩分后清洗風干,不同粒徑介質的填充參數見表1.

表1 不同粒徑介質的填充參數Table 1 Configurations of media with different grain sizes

1.2 實驗裝置

實驗所用模擬槽為有機玻璃材質,均質模擬槽尺寸為50cm×2.5cm×100cm,注入口設置在模擬槽左側面中點位置,模擬槽右側設置布水板和1cm 寬的隔水槽,隔水槽最上端設置出流口,如圖1(a)所示.非均質模擬槽尺寸為65cm×2.5cm×75cm,模擬槽左右兩側均設置布水板和1cm 寬的隔水槽,左側隔水槽均勻設置3 個注入孔,右側隔水槽最上端設置出流口,實驗介質的粒徑及分布如圖1(b)所示. 以石英砂裝填模擬槽,然后通過模擬槽左側最底端注入孔以6mL/min 流速注入自來水進行飽和以模擬含水層環境.

實驗通過CGAs 連續發生裝置以4000r/min 攪拌AOS 溶液連續產生CGAs,有關產生的CGAs 性質參照何宇等的研究[26-27].

圖1 模擬槽實驗裝置示意Fig.1 Experimental setup for tank experiment

1.3 實驗方法

表2 均質模擬槽實驗方案一覽表Table 2 Schedule of testing programm for homogeneous tank experiments

1.3.1 CGAs 在二維均質含水層中的遷移模擬實驗 實驗方案如表2 所示,A～D 組實驗沖洗劑為CGAs, E 組實驗沖洗劑為AOS 溶液.配制以1g/L 亮蘭染色的AOS 溶液,連續產生CGAs,以固定速率向模擬槽左側中點位置的注入孔中連續注入沖洗劑.觀察模擬槽內CGAs 破裂后的氣液分離情況,以及CGAs 泡沫主體的運移情況,并記錄CGAs 在不同時間的遷移距離.

1.3.2 CGAs 在二維非均質含水層中的遷移模擬實驗 設置沖洗劑分別為AOS 溶液和CGAs,其他實驗條件相同.配制以1g/L 亮蘭染色的0.15% AOS 溶液,連續產生CGAs,通過模擬槽左側的3個注入孔同時以60mL/min 注入沖洗劑.同1.3.1,對AOS 溶液和CGAs 的遷移分布情況進行觀察并記錄.

2 結果與討論

本文以AOS 溶液或CGAs 注入的孔隙體積(PV)數來表征AOS 溶液或CGAs 的注入量隨時間的變化,以衡量其遷移分布特征隨時間的變化規律.

2.1 CGAs 在均質含水層的遷移分布規律

圖2 為不同注入量下, 0.15% AOS 產生的CGAs 以 20mL/min 的注入速率在粒徑為 0.5～1.0mm 的均質含水層中的遷移分布情況(表2 中A組實驗),為了防止實驗過程中的壓力過大而導致模擬槽發生形變,模擬槽外部使用不銹鋼框架進行固定.CGAs 在單側單點注入條件下,CGAs 波及區域形狀近似半圓形,CGAs 遷移鋒面相對規則,隨注入體積增加, CGAs 波及面積相應逐漸增大,如圖2中淺藍色區域所示.CGAs 鋒面前端破裂產生的泡沫液(圖2 中深藍色部分)分布在CGAs 鋒面四周,隨著泡沫液體積增多,泡沫液受重力影響主要聚集在CGAs 遷移方向的前方和下方.CGAs 遷移過程中,破裂產生的泡沫氣體逐漸累積,由于氣體重力小,且含水層中存在地下水浮力,使泡沫氣體向上方遷移,逐漸出現CGAs 在縱向向上遷移距離大于向下遷移距離的現象,即“向上漂移”現象.當CGAs 注入量為1.65PV 時,可觀察到CGAs 遷移出現了“向上漂移”現象;CGAs 注入量為2.44PV 時,“向上漂移”現象已十分明顯.

圖2 CGAs 在均質含水層中的遷移過程Fig.2 CGAs migration in homogeneous aquifer

圖3 不同實驗參數對CGAs 在均質含水層遷移過程的影響Fig.3 Effects of different experimental parameters on the migration process of CGAs in homogeneous aquifers

圖3 為不同實驗參數下(A～E 組實驗)CGAs 鋒面/AOS 溶液鋒面遷移至模擬槽右端時(即7.26、2.13、4.96、1.93 和0.52PV)的照片.以注入點為原點,定義CGAs 鋒面/AOS 溶液鋒面在水平方向的遷移距離為“水平遷移距離”,在豎直方向的遷移距離為“縱向遷移距離”,并分為“縱向向上遷移距離”和“縱向向下遷移距離”.

2.2 CGAs 的水平遷移變化規律

圖4 為CGAs/AOS 溶液的水平遷移距離隨注入量的變化,曲線斜率即表征了水平遷移速率,斜率越大說明水平遷移速率越大.以恒定流量注入,CGAs/AOS 溶液的水平遷移速率均隨注入量增大而逐漸降低.B組實驗中當CGAs注入量為0.52PV時,CGAs鋒面水平遷移距離為29.43cm; E 組實驗中當AOS溶液注入量為0.52PV 時,溶液鋒面水平遷移距離為49.91cm.說明在相同注入量時, CGAs 的水平遷移速率小于AOS 溶液,這主要是由于CGAs 的黏度大于溶液,因此水平遷移時的阻力較溶液更大,且通過觀察也可以看出,CGAs的縱向遷移能力比溶液強.B曲線斜率明顯大于C曲線,說明CGAs在滲透系數低的介質中的水平遷移速率較低. B 和D 兩曲線斜率相近,說明表面活性劑濃度變化對CGAs 水平遷移速率影響較小.

圖4 水平遷移距離的變化Fig.4 Changes in horizontal migration distance

2.3 CGAs 的縱向遷移變化規律

圖5 為CGAs/AOS 溶液的縱向上下遷移距離比Y 隨水平遷移距離的變化,Y 值大于1 即說明發生“向上漂移”現象.E 曲線的Y 值持續小于1,說明AOS 溶液受重力影響下沉現象明顯.比較A 和B 曲線,A 曲線當水平遷移距離為18.23cm 時,Y 值為1.06,并隨水平遷移距離增大逐漸增大,水平遷移距離為48.87cm時,Y 值已達到1.20;B 曲線在水平遷移距離達到25.69cm 之后,Y 值持續保持在1.05 左右.說明CGAs注入流速較低時,CGAs 遷移速率慢,累積產生的泡沫氣體體積大,在CGAs 遷移后期會出現明顯的“向上漂移”現象.C 曲線在水平遷移距離為34.44cm時,Y值為1.05,并逐漸增大,水平遷移距離為46.10cm時,Y 值已達到1.18,與B 曲線相比,說明CGAs 在滲透性差的介質中遷移受到阻力較大, CGAs 破裂嚴重,累積的大量泡沫氣體使CGAs 在遷移后期產生明顯的“向上漂移”現象. B 和D 曲線的Y 值始終相差較小,說明表面活性劑濃度變化對CGAs 在介質中的縱向遷移規律影響較小.

圖5 縱向上下遷移距離比Y 的變化Fig.5 Changes in the ratio of upper to lower transport distance in vertical direction

2.4 CGAs 的波及區域形狀變化規律

圖6 為CGAs/AOS 溶液的水平與縱向遷移距離比S 隨水平遷移距離的變化,S 值大于0.5 說明波及區域形狀呈長軸在水平方向上的半橢圓形.E 曲線的S 值持續大于0.5,并逐漸增大,當AOS 溶液水平遷移距離為49.91cm 時,S 值為0.72,說明AOS 溶液在含水層中的波及區域形狀呈現半橢圓形,遷移以水平方向為主,縱向上的波及影響能力有限.B 和D 曲線的S 值始終在0.5～0.58 變化,說明在單點單側注入條件下,CGAs 在地下水中的波及區域形狀接近半圓形,主要是由于CGAs 的密度小,受重力影響小,在縱向上可以相對均勻地分布和遷移,同時其黏度與水比相對較大,可以均勻地進入不同的介質孔隙;也說明表面活性劑濃度對CGAs 波及區域形狀影響較小. B 曲線S 值的最大值為0.58;A 曲線在水平遷移距離為29.21cm 時,S 值為0.59,且S 值隨CGAs 遷移逐漸增大,說明CGAs 注入速率低,在CGAs 遷移過程中,波及區域形狀會逐漸趨向于半橢圓形,且水平與縱向的遷移距離比逐漸增大.但A曲線在水平遷移距離增加到38.63cm 時,S 值逐漸降低,是由于CGAs 注入速率低,遷移后期的“向上漂移”現象嚴重,縱向向上遷移距離迅速增大,使得S 值下降.與B 曲線相比,C 曲線在水平遷移距離達到26.08cm 后,S 值逐漸增大,說明CGAs 在滲透性差的介質中遷移,遷移前期的波及區域形狀接近于半圓形,但在遷移后期,水平的單點注入模式使得CGAs 在水平方向的遷移動力更大,使得CGAs 的波及區域形狀呈半橢圓形,且水平與縱向的遷移距離比逐漸增大.

圖6 水平與縱向遷移距離比S 的變化Fig.6 Changes in the ratio of horizontal to vertical migration distance

2.5 CGAs 的波及面積變化規律

圖7 為CGAs/AOS 溶液的波及面積和注入每升CGAs/AOS 溶液的波及面積增長量M 隨注入量的變化,波及面積曲線的斜率可以反映出波及面積增長率.由圖7(a)可知,CGAs/AOS 溶液在含水層中遷移,波及面積增長率隨注入量的增加而降低.由圖7(b)可知,A～D 曲線的M 值均隨CGAs 注入量增大逐漸降低并趨向于零,說明恒定流量注入CGAs,其在含水層中遷移的波及面積達到一定值后,CGAs 將不能再繼續向前遷移,即CGAs 沖洗在實際應用中,單個注入井的作用范圍存在上限.B 和D 曲線變化規律幾乎一致,說明表面活性劑濃度對CGAs 的波及面積和波及面積增長率影響較小.比較A 和B 曲線可知,CGAs 注入速率低,波及面積增長率較小,CGAs 最大波及面積較小.比較B 和C 曲線可知,介質滲透性越差,CGAs 遷移的波及面積增長率降低的越快,CGAs 最大波及面積越小.

圖7 波及面積和注入每升CGAs/AOS 溶液的波及面積增長量M 的變化Fig.7 Changes in sweeping area and the increase of sweeping area of injecting CGAs/AOS solution per liter

2.6 CGAs 在非均質含水層的遷移變化規律

如圖8 所示,AOS 溶液遷移時的“指進”現象明顯,在AOS 溶液注入量為0.99PV 時,AOS 溶液快速優先通過滲透系數較高(粒徑2.0～4.0mm)區域,在其中的平均遷移速度達到388.86cm/h;而遷移至滲透系數較低(粒徑0.1～0.25mm 和＜0.1mm)區域發生明顯的“繞流”現象,在其中的平均遷移速度僅分別為3.37 和3.04cm/h. CGAs在粒徑2.0～4.0mm區域的平均遷移速率為23.45cm/h,明顯比AOS 溶液的遷移速率小.雖然CGAs 破裂產生的泡沫液會發生“繞流”現象,但CGAs在遷移至粒徑0.1～0.25mm 和＜0.1mm 區域幾乎未發生“繞流”現象,在粒徑0.1～0.25mm 和＜0.1mm 區域的平均遷移速度分別為7.09 和6.57cm/h,是AOS 溶液的2.10 和2.16 倍.AOS 溶液在不同滲透系數介質中的遷移速率差別較大,CGAs 的遷移速率差別相對較小,說明CGAs 受介質非均質性影響較小,在非均質含水層中遷移分布相對AOS 溶液較為均勻.

CGAs 作為一種非牛頓流體,即其剪應力與剪切應變率呈非線性關系,且CGAs 在介質中遷移時呈剪切稀化的流動狀態,即CGAs 表觀黏度隨剪切速率增加而降低. CGAs 的黏度大于AOS 溶液,CGAs的高黏度使其在較高滲透性區域遷移時的遷移速率明顯低于AOS 溶液;而CGAs 的剪切稀化性質可以降低其在較低滲透性區域的遷移阻力,提高遷移速率.如此,使得CGAs 在非均質含水層遷移時表現出“均勻推流”特征.

圖8 0.15%AOS 溶液(a)和CGAs(b)在非均質含水層中的遷移過程Fig.8 The migration process of 0.15% AOS solution (a) and CGAs (b) in heterogeneous aquifer

表3 0.15% AOS 溶液和CGAs 在不同粒徑區域的平均遷移速率Table 3 Average migration rates of 0.15% AOS solution and CGAs in different particle size regions

3 結論

3.1 CGAs在單側單點注入條件下,CGAs波及區域形狀近似半圓形,CGAs 遷移鋒面相對規則,泡沫液分布在CGAs 鋒面四周,并受重力影響主要聚集在CGAs 遷移方向的前方和下方.泡沫氣體由于重力小,且含水層中存在地下水浮力,會向上方遷移,出現CGAs 在縱向向上遷移距離大于向下遷移距離的“向上漂移”現象.

3.2 表面活性劑濃度對CGAs 的遷移分布影響較小;注入流速低或介質滲透性差,均會使CGAs 在遷移后期出現明顯的“向上漂移”現象,且波及區域形狀逐漸趨向于半橢圓形,CGAs 在水平與縱向的遷移距離比逐漸增大.

3.3 恒定流量注入CGAs,其在含水層中的波及面積存在最大值,即CGAs 沖洗在實際應用中,單個注入井的作用范圍是有限的.CGAs 注入速率低或介質滲透性差,CGAs 的最大波及面積較小.

3.4 CGAs 受介質非均質性影響較小,在非均質含水層中遷移分布較為均勻,在不同滲透系數介質中的遷移速率差別相對較小,且CGAs 在滲透性較低的介質中的遷移速率明顯大于AOS 溶液. CGAs 獨特的遷移分布特征可以使得CGAs 沖洗NAPLs 污染非均質含水層的修復效率更高,對較低滲透性區域的污染物去除效果更好.