胶态微泡沫用于冲洗含水层的迁移分布特征

何 宇,郭 超,付玉丰,张成武,张婧懿,秦传玉* (1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130012；2.吉林大学新能源与环境学院,吉林 长春 130012；3.石油化工污染场地控制与修复技术国家地方联合工程实验室,吉林 长春 130012)

目前,对于重质非水相液体(NAPLs)污染地下水的原位治理技术中,原位表面活性剂冲洗技术因具有去除效果好、成本低、操作简单等优点而广受关注[1-4].但国内外学者研究表明,传统的表面活性剂冲洗液在介质中迁移易出现“孔道流”现象,在非均质区域会产生“绕流”现象,冲洗药剂难以完全覆盖污染区域,从而导致污染物去除效率变差[5-10].

为了解决上述问题,原位表面活性剂泡沫强化冲洗技术逐渐受到关注,研究显示泡沫在介质中分布更为均匀,可以有效避免“孔道效应”等问题,且污染物去除效果较好[11-18].胶态微泡沫(CGAs)是通过高速搅拌表面活性剂溶液制得的一种稳定的微泡沫,其具有独特的泡沫结构,稳定性和耐压性比普通泡沫更强[19-24].且研究表明,和普通表面活性剂泡沫冲洗相比,胶态微泡沫冲洗对污染物的增溶增流效果更明显,修复效果更显著[25-26].CGAs 具有非牛顿流体的性质,其在含水层中的迁移分布特征与普通流体不同,准确认识和描述CGAs在含水层的迁移分布特征对明确CGAs 冲洗强化机理至关重要,同时也对提高修复效果有着实际意义.

本研究通过设置二维均质模拟槽实验,探究了CGAs 在含水层中迁移的时空分布特征,并考察了注入速率、表面活性剂浓度和介质粒径条件对CGAs迁移分布特征的影响;同时通过二维非均质模拟槽实验,比较了表面活性剂溶液和CGAs 在非均质含水层的迁移分布特征.研究结果可为CGAs 冲洗技术在含水层中的应用提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 实验材料

试剂及仪器:C14-16α-烯基磺酸钠(AOS),纯度为92%(上海源叶生物技术有限公司);水溶伊红和亮兰,分析纯(天津市光复精细化工研究所);SDF1100 分散机(上海微特电机有限公司);07522-30Masterflex L/S 蠕动泵(美国, cole-parmer);YZ1515 蠕动泵(保定齐力恒流泵有限公司).

实验介质采用石英砂,将石英砂筛分后清洗风干,不同粒径介质的填充参数见表1.

表1 不同粒径介质的填充参数Table 1 Configurations of media with different grain sizes

1.2 实验装置

实验所用模拟槽为有机玻璃材质,均质模拟槽尺寸为50cm×2.5cm×100cm,注入口设置在模拟槽左侧面中点位置,模拟槽右侧设置布水板和1cm 宽的隔水槽,隔水槽最上端设置出流口,如图1(a)所示.非均质模拟槽尺寸为65cm×2.5cm×75cm,模拟槽左右两侧均设置布水板和1cm 宽的隔水槽,左侧隔水槽均匀设置3 个注入孔,右侧隔水槽最上端设置出流口,实验介质的粒径及分布如图1(b)所示. 以石英砂装填模拟槽,然后通过模拟槽左侧最底端注入孔以6mL/min 流速注入自来水进行饱和以模拟含水层环境.

实验通过CGAs 连续发生装置以4000r/min 搅拌AOS 溶液连续产生CGAs,有关产生的CGAs 性质参照何宇等的研究[26-27].

图1 模拟槽实验装置示意Fig.1 Experimental setup for tank experiment

1.3 实验方法

表2 均质模拟槽实验方案一览表Table 2 Schedule of testing programm for homogeneous tank experiments

1.3.1 CGAs 在二维均质含水层中的迁移模拟实验 实验方案如表2 所示,A～D 组实验冲洗剂为CGAs, E 组实验冲洗剂为AOS 溶液.配制以1g/L 亮兰染色的AOS 溶液,连续产生CGAs,以固定速率向模拟槽左侧中点位置的注入孔中连续注入冲洗剂.观察模拟槽内CGAs 破裂后的气液分离情况,以及CGAs 泡沫主体的运移情况,并记录CGAs 在不同时间的迁移距离.

1.3.2 CGAs 在二维非均质含水层中的迁移模拟实验 设置冲洗剂分别为AOS 溶液和CGAs,其他实验条件相同.配制以1g/L 亮兰染色的0.15% AOS 溶液,连续产生CGAs,通过模拟槽左侧的3个注入孔同时以60mL/min 注入冲洗剂.同1.3.1,对AOS 溶液和CGAs 的迁移分布情况进行观察并记录.

2 结果与讨论

本文以AOS 溶液或CGAs 注入的孔隙体积(PV)数来表征AOS 溶液或CGAs 的注入量随时间的变化,以衡量其迁移分布特征随时间的变化规律.

2.1 CGAs 在均质含水层的迁移分布规律

图2 为不同注入量下, 0.15% AOS 产生的CGAs 以 20mL/min 的注入速率在粒径为 0.5～1.0mm 的均质含水层中的迁移分布情况(表2 中A组实验),为了防止实验过程中的压力过大而导致模拟槽发生形变,模拟槽外部使用不锈钢框架进行固定.CGAs 在单侧单点注入条件下,CGAs 波及区域形状近似半圆形,CGAs 迁移锋面相对规则,随注入体积增加, CGAs 波及面积相应逐渐增大,如图2中浅蓝色区域所示.CGAs 锋面前端破裂产生的泡沫液(图2 中深蓝色部分)分布在CGAs 锋面四周,随着泡沫液体积增多,泡沫液受重力影响主要聚集在CGAs 迁移方向的前方和下方.CGAs 迁移过程中,破裂产生的泡沫气体逐渐累积,由于气体重力小,且含水层中存在地下水浮力,使泡沫气体向上方迁移,逐渐出现CGAs 在纵向向上迁移距离大于向下迁移距离的现象,即“向上漂移”现象.当CGAs 注入量为1.65PV 时,可观察到CGAs 迁移出现了“向上漂移”现象;CGAs 注入量为2.44PV 时,“向上漂移”现象已十分明显.

图2 CGAs 在均质含水层中的迁移过程Fig.2 CGAs migration in homogeneous aquifer

图3 不同实验参数对CGAs 在均质含水层迁移过程的影响Fig.3 Effects of different experimental parameters on the migration process of CGAs in homogeneous aquifers

图3 为不同实验参数下(A～E 组实验)CGAs 锋面/AOS 溶液锋面迁移至模拟槽右端时(即7.26、2.13、4.96、1.93 和0.52PV)的照片.以注入点为原点,定义CGAs 锋面/AOS 溶液锋面在水平方向的迁移距离为“水平迁移距离”,在竖直方向的迁移距离为“纵向迁移距离”,并分为“纵向向上迁移距离”和“纵向向下迁移距离”.

2.2 CGAs 的水平迁移变化规律

图4 为CGAs/AOS 溶液的水平迁移距离随注入量的变化,曲线斜率即表征了水平迁移速率,斜率越大说明水平迁移速率越大.以恒定流量注入,CGAs/AOS 溶液的水平迁移速率均随注入量增大而逐渐降低.B组实验中当CGAs注入量为0.52PV时,CGAs锋面水平迁移距离为29.43cm; E 组实验中当AOS溶液注入量为0.52PV 时,溶液锋面水平迁移距离为49.91cm.说明在相同注入量时, CGAs 的水平迁移速率小于AOS 溶液,这主要是由于CGAs 的黏度大于溶液,因此水平迁移时的阻力较溶液更大,且通过观察也可以看出,CGAs的纵向迁移能力比溶液强.B曲线斜率明显大于C曲线,说明CGAs在渗透系数低的介质中的水平迁移速率较低. B 和D 两曲线斜率相近,说明表面活性剂浓度变化对CGAs 水平迁移速率影响较小.

图4 水平迁移距离的变化Fig.4 Changes in horizontal migration distance

2.3 CGAs 的纵向迁移变化规律

图5 为CGAs/AOS 溶液的纵向上下迁移距离比Y 随水平迁移距离的变化,Y 值大于1 即说明发生“向上漂移”现象.E 曲线的Y 值持续小于1,说明AOS 溶液受重力影响下沉现象明显.比较A 和B 曲线,A 曲线当水平迁移距离为18.23cm 时,Y 值为1.06,并随水平迁移距离增大逐渐增大,水平迁移距离为48.87cm时,Y 值已达到1.20;B 曲线在水平迁移距离达到25.69cm 之后,Y 值持续保持在1.05 左右.说明CGAs注入流速较低时,CGAs 迁移速率慢,累积产生的泡沫气体体积大,在CGAs 迁移后期会出现明显的“向上漂移”现象.C 曲线在水平迁移距离为34.44cm时,Y值为1.05,并逐渐增大,水平迁移距离为46.10cm时,Y 值已达到1.18,与B 曲线相比,说明CGAs 在渗透性差的介质中迁移受到阻力较大, CGAs 破裂严重,累积的大量泡沫气体使CGAs 在迁移后期产生明显的“向上漂移”现象. B 和D 曲线的Y 值始终相差较小,说明表面活性剂浓度变化对CGAs 在介质中的纵向迁移规律影响较小.

图5 纵向上下迁移距离比Y 的变化Fig.5 Changes in the ratio of upper to lower transport distance in vertical direction

2.4 CGAs 的波及区域形状变化规律

图6 为CGAs/AOS 溶液的水平与纵向迁移距离比S 随水平迁移距离的变化,S 值大于0.5 说明波及区域形状呈长轴在水平方向上的半椭圆形.E 曲线的S 值持续大于0.5,并逐渐增大,当AOS 溶液水平迁移距离为49.91cm 时,S 值为0.72,说明AOS 溶液在含水层中的波及区域形状呈现半椭圆形,迁移以水平方向为主,纵向上的波及影响能力有限.B 和D 曲线的S 值始终在0.5～0.58 变化,说明在单点单侧注入条件下,CGAs 在地下水中的波及区域形状接近半圆形,主要是由于CGAs 的密度小,受重力影响小,在纵向上可以相对均匀地分布和迁移,同时其黏度与水比相对较大,可以均匀地进入不同的介质孔隙;也说明表面活性剂浓度对CGAs 波及区域形状影响较小. B 曲线S 值的最大值为0.58;A 曲线在水平迁移距离为29.21cm 时,S 值为0.59,且S 值随CGAs 迁移逐渐增大,说明CGAs 注入速率低,在CGAs 迁移过程中,波及区域形状会逐渐趋向于半椭圆形,且水平与纵向的迁移距离比逐渐增大.但A曲线在水平迁移距离增加到38.63cm 时,S 值逐渐降低,是由于CGAs 注入速率低,迁移后期的“向上漂移”现象严重,纵向向上迁移距离迅速增大,使得S 值下降.与B 曲线相比,C 曲线在水平迁移距离达到26.08cm 后,S 值逐渐增大,说明CGAs 在渗透性差的介质中迁移,迁移前期的波及区域形状接近于半圆形,但在迁移后期,水平的单点注入模式使得CGAs 在水平方向的迁移动力更大,使得CGAs 的波及区域形状呈半椭圆形,且水平与纵向的迁移距离比逐渐增大.

图6 水平与纵向迁移距离比S 的变化Fig.6 Changes in the ratio of horizontal to vertical migration distance

2.5 CGAs 的波及面积变化规律

图7 为CGAs/AOS 溶液的波及面积和注入每升CGAs/AOS 溶液的波及面积增长量M 随注入量的变化,波及面积曲线的斜率可以反映出波及面积增长率.由图7(a)可知,CGAs/AOS 溶液在含水层中迁移,波及面积增长率随注入量的增加而降低.由图7(b)可知,A～D 曲线的M 值均随CGAs 注入量增大逐渐降低并趋向于零,说明恒定流量注入CGAs,其在含水层中迁移的波及面积达到一定值后,CGAs 将不能再继续向前迁移,即CGAs 冲洗在实际应用中,单个注入井的作用范围存在上限.B 和D 曲线变化规律几乎一致,说明表面活性剂浓度对CGAs 的波及面积和波及面积增长率影响较小.比较A 和B 曲线可知,CGAs 注入速率低,波及面积增长率较小,CGAs 最大波及面积较小.比较B 和C 曲线可知,介质渗透性越差,CGAs 迁移的波及面积增长率降低的越快,CGAs 最大波及面积越小.

图7 波及面积和注入每升CGAs/AOS 溶液的波及面积增长量M 的变化Fig.7 Changes in sweeping area and the increase of sweeping area of injecting CGAs/AOS solution per liter

2.6 CGAs 在非均质含水层的迁移变化规律

如图8 所示,AOS 溶液迁移时的“指进”现象明显,在AOS 溶液注入量为0.99PV 时,AOS 溶液快速优先通过渗透系数较高(粒径2.0～4.0mm)区域,在其中的平均迁移速度达到388.86cm/h;而迁移至渗透系数较低(粒径0.1～0.25mm 和＜0.1mm)区域发生明显的“绕流”现象,在其中的平均迁移速度仅分别为3.37 和3.04cm/h. CGAs在粒径2.0～4.0mm区域的平均迁移速率为23.45cm/h,明显比AOS 溶液的迁移速率小.虽然CGAs 破裂产生的泡沫液会发生“绕流”现象,但CGAs在迁移至粒径0.1～0.25mm 和＜0.1mm 区域几乎未发生“绕流”现象,在粒径0.1～0.25mm 和＜0.1mm 区域的平均迁移速度分别为7.09 和6.57cm/h,是AOS 溶液的2.10 和2.16 倍.AOS 溶液在不同渗透系数介质中的迁移速率差别较大,CGAs 的迁移速率差别相对较小,说明CGAs 受介质非均质性影响较小,在非均质含水层中迁移分布相对AOS 溶液较为均匀.

CGAs 作为一种非牛顿流体,即其剪应力与剪切应变率呈非线性关系,且CGAs 在介质中迁移时呈剪切稀化的流动状态,即CGAs 表观黏度随剪切速率增加而降低. CGAs 的黏度大于AOS 溶液,CGAs的高黏度使其在较高渗透性区域迁移时的迁移速率明显低于AOS 溶液;而CGAs 的剪切稀化性质可以降低其在较低渗透性区域的迁移阻力,提高迁移速率.如此,使得CGAs 在非均质含水层迁移时表现出“均匀推流”特征.

图8 0.15%AOS 溶液(a)和CGAs(b)在非均质含水层中的迁移过程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 在不同粒径区域的平均迁移速率Table 3 Average migration rates of 0.15% AOS solution and CGAs in different particle size regions

3 结论

3.1 CGAs在单侧单点注入条件下,CGAs波及区域形状近似半圆形,CGAs 迁移锋面相对规则,泡沫液分布在CGAs 锋面四周,并受重力影响主要聚集在CGAs 迁移方向的前方和下方.泡沫气体由于重力小,且含水层中存在地下水浮力,会向上方迁移,出现CGAs 在纵向向上迁移距离大于向下迁移距离的“向上漂移”现象.

3.2 表面活性剂浓度对CGAs 的迁移分布影响较小;注入流速低或介质渗透性差,均会使CGAs 在迁移后期出现明显的“向上漂移”现象,且波及区域形状逐渐趋向于半椭圆形,CGAs 在水平与纵向的迁移距离比逐渐增大.

3.3 恒定流量注入CGAs,其在含水层中的波及面积存在最大值,即CGAs 冲洗在实际应用中,单个注入井的作用范围是有限的.CGAs 注入速率低或介质渗透性差,CGAs 的最大波及面积较小.

3.4 CGAs 受介质非均质性影响较小,在非均质含水层中迁移分布较为均匀,在不同渗透系数介质中的迁移速率差别相对较小,且CGAs 在渗透性较低的介质中的迁移速率明显大于AOS 溶液. CGAs 独特的迁移分布特征可以使得CGAs 冲洗NAPLs 污染非均质含水层的修复效率更高,对较低渗透性区域的污染物去除效果更好.