多孔介質中懸浮顆粒滲透遷移特性的試驗研究

阮方毅, 薛傳成, 王 艷, 劉干斌

多孔介質中懸浮顆粒滲透遷移特性的試驗研究

阮方毅, 薛傳成, 王 艷*, 劉干斌

（寧波大學 土木與環境工程學院, 浙江 寧波 315211）

通過室內土柱試驗, 研究硅微粉和聚苯乙烯微球兩種不同的懸浮顆粒的遷移特性, 考慮pH、溫度和滲流速度對懸浮顆粒遷移的影響, 結合理論解對試驗數據進行擬合, 并確定遷移參數, 進而討論pH對遷移參數的影響. 結果表明: pH是影響多孔介質中懸浮顆粒遷移的重要因素, 當溫度為5℃時, 兩種懸浮顆粒質量濃度峰值隨著pH值的增大而提高; 當溫度增大至30℃和58.3℃時, 懸浮顆粒的遷移特性發生了變化, 溫度升高導致顆粒表面電荷發生改變, 隨著pH值的增大質量濃度峰值呈現先增后減的趨勢; 當溫度和滲流速度一定時, 兩種懸浮顆粒的相對速度隨著pH值的增大而略微增大, 在流速較高時表現尤為顯著, 表明懸浮顆粒在多孔介質中存在加速效應; 隨著孔隙水流速的增大, 水動力影響增強, 懸浮顆粒受pH的影響相對減弱, 不同pH時質量濃度峰值變化減小; 兩種懸浮顆粒的彌散度都表現為隨著pH值的增大而降低, 且硅微粉的彌散度整體比聚苯乙烯微球大.

多孔介質; 懸浮顆粒; 滲透遷移; 穿透曲線; 參數分析

懸浮顆粒在多孔介質中受到物理、化學和生物過程的影響, 其遷移過程包含顆粒、流體、多孔介質之間的相互作用, 非常復雜. 了解懸浮顆粒的運輸對污染物在孔隙介質中遷移至關重要[1-3]. 污染物可能會附著在懸浮顆粒表面隨著水流一起移動,從而加速污染物的擴散. 研究多孔介質中懸浮顆粒的遷移特性對土壤和地下水的污染治理, 以及核廢料的處置等具有重要意義[4-6].

懸浮顆粒在多孔介質中的遷移受懸浮顆粒尺寸、形狀和特性等因素的影響較大[6-8], 同時也受pH和溫度的影響. 在自然環境中, 土體中pH會隨著降雨變化而發生變化, 隨著季節的改變土體溫度也隨之改變[2,9-14]. 一些學者做了關于pH對懸浮顆粒在多孔介質中遷移的影響研究. 如Hamamoto等[2]使用玻璃珠進行一維土柱試驗, 研究pH對納米級氣泡在多孔介質中運輸行為的影響, 結果表明: pH值較高時納米級氣泡更加穩定, pH值較低的水中, 捕獲較大納米級氣泡增強. Chen等[11]進行了磺胺甲惡唑(SMZ)和環丙沙星(CIP)兩種抗生素在飽和多孔介質中的轉運試驗, 結果表明: SMZ的遷移率比CIP高很多, pH值的改變對飽和柱中SMZ遷移沒有影響; 然而, 當pH值增至9.5時, 約93％的CIP從砂柱中洗脫. Gao等[12]分析了孔隙水pH值和孔隙水流量瞬變對非飽和砂柱內膠體大小黏土顆粒沉積和遷移的影響, 發現伊利石在穩定流條件下的沉積速率基本與pH值無關, 而隨著pH值從7.4降至4.6, 高嶺石的沉積速率幾乎翻倍. Roy等[13]通過砂柱試驗, 研究了不同pH值和離子強度條件下, 膠體對兩種強吸附性溶質遷移的影響, 發現當溶質吸附在膠體顆粒上遷移時, 膠體的沉積效率對溶質的遷移影響顯著, 膠體沉積效率與pH和溶質的質量濃度相關. Bradford等[14]提出了一個連續模型來描述瞬態物理化學條件下地下膠體的釋放, 結合試驗結果數據發現溶液離子強度減小和pH值增大會促進大腸桿菌的釋放, 類似于減少次級最小納米級化學異質性的預期趨勢. 現有研究大多僅考慮pH值單獨對懸浮顆粒遷移的影響, 鮮有同時考慮其他因素, 諸如顆粒類型、溫度等作用.

本文針對硅微粉和聚苯乙烯微球兩種不同懸浮顆粒, 通過室內滲透遷移試驗, 研究懸浮顆粒在pH值、溫度、滲流速度等變化時的遷移特性, 并用理論解來擬合試驗數據曲線, 得到擬合參數, 進而分析pH對遷移參數的影響.

1 試驗儀器和方法

1.1 試驗裝置及材料

試驗裝置如圖1所示, 有機玻璃制成的圓柱土柱長200mm, 直徑50mm, 長徑比4, 可以看作是一維滲透. 選用保定融柏恒流泵制造有限公司生產的蘭格精密蠕動泵(BT100-2J), 將儲水箱中的超純水以恒定流速輸入到圓柱試樣中, 該蠕動泵(單管)的流量范圍為0.002～380mL?min-1. 采用上海一恒科學儀器有限公司生產的生化培養箱(LRH-150)提供試驗所需的恒定溫度, 該培養箱控溫范圍為0～60℃, 溫度分辨率為0.1℃. 在圓柱試樣的進出水口處均設置孔徑為0.4mm的不銹鋼篩網, 防止多孔介質流出試樣. 為保證超純水pH值的準確性, 試驗前選用瑞士Mettler toledo FE28實驗室酸度計測定超純水的pH值, 該酸度計測量范圍為2～16, 精度為±0.01. 收集流出液, 采用上海悅豐儀器儀表有限公司生產的數顯濁度儀(SGZ-2)測量其濁度, 再將濁度轉換成質量濃度, 進而分析懸浮顆粒質量濃度的變化規律.

圖1 試驗裝置

試驗選用硅微粉和聚苯乙烯微球為注入顆粒. 硅微粉的平均粒徑為4μm, 密度為2.26g?cm-3. 聚苯乙烯微球平均粒徑同樣為4μm, 密度為1.05g·cm-3. 選取透明的1級熔融石英為多孔介質, 密度為2.65 g·cm-3, 二氧化硅的含量高于99.96%.

試驗前將熔融石英酸洗, 除去表面鐵、鋁等氧化物和有機物[15-17]. 熔融石英粒徑分布在0.60～2.36mm之間, 中位粒徑1.55mm, 其中粒徑為0.60～1.18mm約占29%, 粒徑為1.18～2.36mm約占71%. 不均勻系數(u)為2.1, 曲率系數(c)為1.1, 熔融石英試樣的平均孔隙率()為46.4%. 由此可知, 熔融石英的粒徑較為均勻, 足以保證粒徑4μm懸浮顆粒在熔融石英中不會產生堵塞.

1.2 試驗方法

每次試驗開始前, 用高純去離子水沖洗熔融石英至無雜質, 然后置于烘箱中, 在105℃下烘干. 采用濕裝法填充圓柱土樣, 均分10層進行填裝, 每次填裝時保證水面高于多孔介質頂面1～2cm, 保證試樣為飽和多孔介質. 同時, 每次進行相同的搗實次數, 使飽和試樣均勻.

試驗在恒溫箱中進行. 把恒溫箱調節到試驗所需溫度(5.0、30.0、58.3℃)后靜置24h, 以確保實驗環境溫度穩定. 在蓄水箱中加入適量HCl或NaOH來調節pH值至4、7、10, 采用蠕動泵將儲水箱中的超純水泵入土柱中, 蠕動泵流量用流量計測量, 然后轉換成孔隙水滲流速度分別為0.042、0.127、0.212cm?s-1.

采用注射器將20mL質量濃度為0.5mg?mL-1的懸浮顆粒溶液注入土柱中, 注入過程用時2s, 可近似為瞬時注入. 由于懸浮顆粒溶液體積相比多孔介質孔隙體積小很多, 故可忽略注入過程對試驗的影響. 在試驗過程中, 間隔一定時間收集一次流出液, 用濁度儀測量濁度, 然后轉換成質量濃度, 收集流出液時試驗繼續進行.

本試驗采用已知質量濃度的兩種懸浮顆粒, 試驗時室內平均溫度為30℃, pH值分別為4、7、10, 在超純水中不斷進行稀釋, 每稀釋一次就測量一次濁度, 最終通過計算得到質量濃度與濁度的關系(圖2和圖3), 其擬合公式為:

式中: C為懸浮顆粒的質量濃度, mg?mL-1; x為濁度, NTU.

圖3 聚苯乙烯微球質量濃度與濁度關系

擬合結果同文獻[18]一致, 相關系數2>0.998, 表明用一元二次函數可以很好地描述質量濃度與濁度的相關性. 本試驗采用的兩種懸浮顆粒受pH的影響較小, 關系曲線沒有明顯的差異, 對應的擬合系數變化也很小. 結合雷諾數定義[19]:

式中:為溫度.

試驗的最大流速為0.00212m?s-1,的范圍為5.0～58.3℃, 取為0.01m,為1000kg?m-3, 可求得水的黏性系數為0.00048～0.00152kg?(m?s)-1, 于是得到雷諾數在14～44之間, 小于2320, 所以本次試驗均為層流.

1.3 理論模型

懸浮顆粒在多孔介質中遷移可以用對流彌散方程描述[7,18,20]:

控制方程的初始邊界條件為:

結合控制方程與初始邊界條件, 參考文獻[18, 20], 推導出對流彌散方程(4)和(5)的解析解為:

式中:

2 pH值對懸浮顆粒在多孔介質中遷移的影響

圖4為=5℃時pH值對懸浮顆粒遷移曲線的影響. 從圖4可以看出, 在溫度為5℃, 孔隙水滲流速度一定時, 懸浮顆粒穿透曲線的質量濃度峰值均隨著pH值的變大而增加. 懸浮顆粒電位隨pH值的增大而變大, 而兩種懸浮顆粒與熔融石英帶有相同的電荷, 所以pH值增大時懸浮顆粒與多孔介質之間斥力增大, 從而有利于懸浮顆粒的釋放, 因此對應的質量濃度峰值也隨之增大. 結合圖4(a)～(c)可以發現, 孔隙水滲流速度越大, pH值對懸浮顆粒遷移影響越大, 遷移曲線規律越明顯. 聚苯乙烯微球的遷移規律與硅微粉相同, 例如當為0.127cm?s-1, pH分別為4、7、10時, 硅微粉質量濃度峰值分別為0.0213、0.0253、0.0385mg?mL-1, 聚苯乙烯微球質量濃度峰值分別為0.0501、0.0742、0.0883mg?mL-1.

圖4 T=5℃時不同pH和滲流速度下懸浮顆粒的穿透曲線

當=30℃時, 硅微粉和聚苯乙烯微球的遷移規律如圖5所示. 對比=30℃與=5℃發現,pH值從4升至7, 質量濃度峰值增加, pH值從7升至10, 質量濃度峰值略微減小. 孔隙水滲流速度的變化對懸浮顆粒遷移規律無明顯影響.例如, 當=0.042cm?s-1, pH值分別為4、7、10時, 聚苯乙烯微球顆粒質量濃度峰值分別為0.0632、0.0943、0.0920mg?mL-1. 在pH值較小的酸性條件時, 懸浮顆粒表面正電荷量增加, 更易向固相基質移動; 在pH值較大的堿性條件下, 帶有相同電荷相互排斥的懸浮顆粒更易團聚發生沉積, 所以在中性條件下更利于懸浮顆粒的遷移. 同時, 溫度升高影響懸浮顆粒表面電荷方向[21], 在堿性環境下, 溫度升高導致懸浮顆粒之間相互作用能增加, 質量濃度峰值增加.

圖5中懸浮顆粒質量濃度峰值對應的孔隙體積數均小于1. 與圖4相比可以發現, 溫度升高使懸浮顆粒質量濃度到達峰值的時間提前, 說明兩種懸浮顆粒的滲流速度均大于平均孔隙水滲流速度, 表現出懸浮顆粒在多孔介質中的加速效應. 例如圖5(a)中pH為4、7和10時, 聚苯乙烯微球質量濃度峰值對應的孔隙體積數分別為0.96、0.86和0.91, 硅微粉質量濃度峰值對應的孔隙體積數分別為0.96、0.91和0.91, 均小于1.00.

圖5 T=30℃時不同pH和滲流速度下懸浮顆粒的穿透曲線

當=58.3℃時, 發現硅微粉的穿透曲線質量濃度值跳動較大, 如圖6所示. 圖6可以解釋為在較高溫度時, 硅微粉布朗運動較大, 同時硅微粉的尺寸不同, 所以=58.3℃時的穿透曲線比=5℃和=30℃時的質量濃度值跳動大. 隨著pH值的增加, 聚苯乙烯微球的質量濃度峰值變化十分明顯, 當pH為4、7、10時, 質量濃度峰值先增加再減小, 并且在pH為10時對應的質量濃度峰值大于pH為4時. 例如當=0.042cm?s-1時, pH為4、7、10時對應的質量濃度峰值為0.028、0.092、0.070mg?mL-1,在=58.3℃時, 聚苯乙烯微球受pH值的影響更大. 說明隨著試驗溫度的升高, 聚苯乙烯微球表面電荷發生改變. 隨著孔隙水滲流流速的增加, 水動力影響增強, 懸浮顆粒受pH值的影響相對減弱, 所以在不同pH值下其質量濃度峰值變化減小.

圖6 T=58.3℃時不同pH和滲流速度下懸浮顆粒的穿透曲線

3 理論曲線擬合

穩態流速下懸浮顆粒在多孔介質中的遷移試驗可以用一維經典對流彌散修正方程來描述, 結合短時注入情況, 應用式(10)的解析解來進行理論擬合, 解析解中參數可以通過試驗得到,0=0.5mg?mL-1,0=2s.

因為在修正模型中考慮了懸浮顆粒的沉積再釋放過程, 但是根據以往的試驗研究發現, 釋放系數僅為沉積系數的幾百分之一至幾十分之一, 釋放系數在試驗過程中的影響相當有限. 同時, 本試驗中多孔介質的滲透性大, 孔隙水滲流速度較大, 使懸浮顆粒沉積再釋放的情況減小, 釋放系數的影響可以忽略不計. 因此, 在懸浮顆粒穿透曲線擬合中, 令釋放系數r=0.0001s-1, 取=30℃,= 0.042cm?s-1時懸浮顆粒遷移的試驗數據擬合結果如圖7所示.

圖7 懸浮顆粒穿透曲線擬合結果

表1 硅微粉擬合參數的確定

表2 聚苯乙烯微球擬合參數的確定

定義相對速度/為懸浮顆粒滲流速度與平均孔隙水滲流速度之比. 從表1和表2可知, 隨著孔隙水滲流速度的增加, 兩種懸浮顆粒的滲流速度都增加, 這與文獻[22-23]的研究結果一致, 但是相對速度規律不明顯. 當溫度和孔隙水滲流速度一定時, 兩種懸浮顆粒的相對速度隨著pH值的增加而略微增加, 在較高流速下表現尤其明顯, 這也是因為懸浮顆粒表面電荷受pH值影響較大, 當pH為4時, 水溶液中增加的正電荷會中和懸浮顆粒表面的負電荷, 使原來懸浮顆粒與多孔介質表面的排斥力減弱, 促使懸浮顆粒沉積, 從而影響懸浮顆粒的流速, 導致相對速度減小. 兩種懸浮顆粒的相對速度均大于1, 說明懸浮顆粒在多孔介質中存在加速效應[24-25].

通過表2與表3, 可以求得彌散系數與孔隙水滲流速度的關系, 其表達式為:

當=5℃,=0.042cm?s-1時, 通過式(11)可以得到彌散系數與滲流速度關系的擬合關系(圖8).

表3 彌散系數擬合參數的確定

圖8 懸浮顆粒彌散系數與滲流速度的擬合結果

隨著pH值的降低, 沉積系數增大, 許多學者得到了類似的結論[8,11], 這是因為隨著pH值降低, 懸浮顆粒表面的Zeta電位減小, 使得懸浮顆粒與多孔介質之間的能量勢壘減小, 導致懸浮顆粒產生更多的不可逆沉積, 因此沉積系數增大.

4 結論

本文在不同溫度、pH值、孔隙水滲流速度下對兩種懸浮顆粒進行了一維土柱試驗, 結合短時注入情況下的理論解, 分析了pH值對遷移參數的影響. 得到以下結論:

(1)當溫度小于30℃時, pH值越大, 懸浮顆粒穿透曲線的質量濃度峰值越大; 當溫度超過30℃時, 在pH值較大的堿性條件下, 懸浮顆粒質量濃度峰值減小, 在中性條件(pH值為7)時質量濃度峰值最大. 隨著孔隙水滲流速度的增大, 水動力影響增強, 懸浮顆粒受pH值的影響相對減弱, 所以在不同pH值時的質量濃度峰值變化減小.

(2)當溫度和滲流速度一定時, 兩種懸浮顆粒的相對速度隨著pH值的增加而略微增加, 在較高孔隙水滲流速度時表現尤為明顯, 表明懸浮顆粒在多孔介質中存在加速效應.

(3)聚苯乙烯微球由于尺寸較為均勻, 彌散系數與彌散度呈線性關系, 但線性不能準確地描述硅微粉彌散系數與彌散度之間的關系. 兩種懸浮顆粒的彌散度都隨pH值的增大而降低, 并且硅微粉的彌散度整體比聚苯乙烯微球大.

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Experimental study on permeation and transport behavior of suspended particles in porous media

RUAN Fangyi, XUE Chuancheng, WANG Yan*, LIU Ganbin

( School of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

Soil column experiments were carried out considering two different suspended particles (i.e., silicon powder and polystyrene microspheres), and different pHs, temperatures and flow rates were considered to obtain a series of migration curves. The analytical solution was used to fit the experimental data and the migration parameters were then determined. The effect of pH on migration parameters was discussed. Studies have shown that pH is an important factor affecting the transport of suspended particles in porous media. When the temperature is 5℃, the peak concentrations of the two suspended particles increase with the increasing of pH. When the temperature increases over 30℃, the breakthrough curves of suspended particles change. The surface charges of suspended particles have changed with increasing temperature, and as the pH increases, the concentration peak first increases and then decreases. When the temperature and percolation velocity are constant, the relative velocity of the two suspended particles increases slightly with increasing pH, especially at higher flow rates, indicating the acceleration effect of suspended particles in porous media. As the permeation velocity becomes greater, the effect of hydrodynamic force also gets more obvious, and the effect of pH on migration of suspended particles becomes smaller, with peak concentration being of little change at the same time. The dispersion of both suspended particles decreases with increasing pH, and the dispersion of silicon micro powder is larger than that of polystyrene microspheres.

porous media; suspended particles; permeation and transport; breakthrough curve; parameter analysis

TU431

A

1001-5132（2022）03-0001-09

2021?03?17.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（51678311）; 浙江省自然科學基金（LY19E080011）.

阮方毅（1996－）, 男, 浙江紹興人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 環境巖土工程. E-mail: 2195689516@qq.com

通信作者:王艷（1985－）, 女, 湖北隨州人, 博士/副教授, 主要研究方向: 環境巖土工程. E-mail: wangyan@nbu.edu.cn

（責任編輯 史小麗）