砂质多孔介质中土壤颗粒的迁移

通过室内模拟试验,研究了不同土壤悬液浓度和不同多孔介质组成条件下土壤颗粒在砂质多孔介质中的截留和迁出特征,以揭示土壤颗粒在砂质多孔介质中的迁移特征。结果表明,土壤颗粒在砂质多孔介质中迁移时会受到土壤颗粒粒级、浓度和介质组成的影响。截留作用在土壤颗粒通过砂质多孔介质时起主导作用,土壤颗粒截留比例随着土壤颗粒浓度的增大逐渐增加;而随着多孔介质中粗砂比例的增大,其逐渐降低。土壤总颗粒、50μm和1~50μm土壤颗粒迁出量分别与该粒级相应投入量呈幂函数增加趋势,而1μm土壤颗粒的迁出量与其投入量呈线性增加趋势。土壤总颗粒迁出量与介质中粗砂比例之间存在线性增加关系。因此,多孔介质组成、颗粒粒径和浓度在土壤颗粒迁移过程中起着重要作用,在多孔介质中土壤颗粒和污染物迁移研究方面需要充分考虑这些因素。     

土壤气相抽提作用机制探讨和基本数学模型建立

土壤气相抽提 (SVE)是全球石油污染土壤修复的迫切需求下应用的新兴原位技术 ,其理论相对滞后 ,有必要进行系统研究。SVE涉及多学科交叉 ,土壤体系中包含了物质在气—液 (水 )—液 (油 )—固等多相间各种复杂的迁移、转化和物理化学行为 ,本文根据多孔介质流体动力学理论和化工传递原理分析了气相抽提过程中污染物的迁移机制和多相传质关系 ,在近实际假设条件下提出了一套任意维数下SVE基本数学模型 ,严格导出了土壤体系中流体的运动方程、污染物质量方程和污染油的衰减方程等主要控制方程 ,研究结果可作为SVE理论分析和工程设计的基础。     

几种物理因素对四氧化三铁纳米颗粒在有机质存在条件下的饱和多孔介质中迁移持留行为的影响

近些年来,环境研究者对纳米颗粒的迁移性进行了部分研究,但是对环境稳定性低、反应活性高的金属氧化物工程纳米颗粒在多孔介质中的运移沉积行为的系统探讨还很不足,尤其是对其在有机质（NOM）存在条件下迁移行为的了解非常有限。本研究选用四氧化三铁磁纳米颗粒（MENPs）作为研究对象,采用填充柱淋溶实验法,对其在饱和多孔介质中的迁移持留行为展开探讨,其目的是考察几种主要介质环境物理因素对其在天然有机质存在条件下的纵向淋溶过程及其在介质中持留量的影响作用。结果显示,不利吸附条件下的MENPs集聚体在多孔介质中的吸附持留及迁移性能取决于多种合力的作用效果。其中,孔隙水流速增大时,MENPs在多孔介质中的迁移性增强,持留性减弱,持留MENPs在介质中的逐层分布随孔隙水流速改变而变化;而且,MENPs在多孔介质中的迁移持留性与介质颗粒的表面物理性质也有关,天然有机质的存在一定程度上可以改善石英砂表面的异质性。另外,介质颗粒粒径大小也是影响MENP-介质间持留机制的重要因子。当多孔介质颗粒粒径大小改变时,MENPs穿透曲线及持留分布曲线随之变化明显,MENPs的吸附沉积机制也相应有所不同。     

生物炭颗粒在饱和多孔介质中的迁移与滞留

生物炭在实际生产实践中具有许多潜在的农业和环境效益,因此受到了越来越多的关注。生物炭在多孔介质中的迁移不仅会影响它在土壤中的归趋,还可能会影响微生物群体及土壤有机质的动态变化以及被吸附的污染物对环境的影响。实验通过柱实验研究了微米级生物炭颗粒在饱和多孔介质中的迁移和滞留特性,主要选取了四种影响生物炭迁移的潜在因素:原材料、裂解温度、背景溶液pH值和离子强度。实验结果显示微米级生物炭在饱和多孔介质中具有一定的迁移能力,但是大部分的微米级生物炭会滞留在饱和多孔介质的表面和孔隙间。生物炭的制备原材料对于生物炭的表面电势特性有较大影响,从而影响了微米级生物炭在饱和多孔介质中的迁移能力。热解温度越高,生物炭的表面电势越大,迁移能力越弱。随着背景溶液离子强度增加和pH值减小,微米级生物炭颗粒在多孔介质中滞留增加,迁移能力减弱。     

胶体颗粒对不同粒径饱和多孔介质渗透性的影响

探讨胶体颗粒在多孔介质中迁移所发生的物理、化学及生物作用过程,在许多学科中具有重要的科学意义。采用室内石英砂柱实验,开展了定水头条件下不同浓度和粒径的胶体颗粒在饱和多孔介质中的运移行为研究。共使用了3种胶体粒径、3种浓度的胶体溶液和3种粒径范围的石英砂。实验表明:多孔介质的相对渗透系数K/K0(K为各时刻计算所得的渗透系数,K0为初始渗透系数)减小程度与颗粒浓度成正比;胶体颗粒越大,越易在表层沉积,而小颗粒易向下部迁移,但总体来看粒径效应没有浓度效应明显;当胶体颗粒在不同粒径的饱和多孔介质中迁移时,粒径大的多孔介质各段K/K0均有明显降低,而粒径小的只在表层变化明显。不同条件下总体相对渗透系数与时间之间呈二次方相关关系,但当多孔介质粒径较小时,相关性不显著。介质渗流流速及砂柱不同位置胶体颗粒浓度变化与介质渗透性变化相对应。用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)进行定性表征,进一步说明胶体颗粒会堵塞多孔介质孔隙影响其渗透性。实验中发现当输入浓度C0小于0.5 g·L–1且dp/Dp>0.018(dp为胶体颗粒粒径,Dp为石英砂算数平均粒径)时,会出现多孔介质局部K/K0增大的现象。     

模拟自然气候条件下未饱和土壤中热质迁移过程的实验装置

多孔介质传热传质过程在自然界和人类生活、生产中广泛存在,土壤就是一类最典型的多孔介质.随着农业工程化的进程,人们对土壤中水、肥、热的吸收、保持和迁移规律越来越重视,研究也越加深入.     

生物膜和土壤矿物对人工纳米颗粒在饱和多孔介质传输的影响

本文探究了人工纳米颗粒(NPs)在饱和多孔介质中的传输规律和影响机制，重点阐明生物膜和土壤矿物对纳米颗粒传输的影响及其机制。结果表明，在干净的石英砂介质中，不同种类和粒径NPs的传输效率具有明显差异，不同种类NPs传输效率表现为ZnO> CeO2>Fe2O3；对于报告粒径在20～100 nm之间的CeO2 NPs，粒径的增加有助于其在多孔介质的传输。溶液离子强度的增大会降低Zn O NPs的传输，而NPs浓度的增大不利于其在饱和多孔介质的传输，传统的DLVO理论能够很好地解释NPs在无涂层饱和多孔介质中的传输。生物膜和土壤矿物均能抑制纳米颗粒在饱和多孔介质的传输，其主要通过对纳米颗粒的吸附和异质聚集作用影响纳米颗粒的传输，非DLVO相互作用以及介质涂层的表面特性对增强纳米颗粒沉积有很大贡献。     

多孔介质干燥过程传热传质研究

该文根据非平衡态热力学和相平衡理论，建立了多孔介质对流干燥内部传热传质过程的二维数学模型，该模型充分考虑了传热与传质之间的相互耦合，用控制容积积分法采用全隐格式对该模型进行分析求解，并与玉米干燥实验数据进行对比。结果表明，表面对流换热系数、干燥介质温度和湿度的变化对热、湿迁移过程均有较大影响，而表面对流传质系数对湿迁移过程影响不大，温度和湿度梯度的耦合产生“局部增湿”现象。     

利用表面活性剂强化去除土壤中NAPLs的研究进展

该文评述了近年来国内外利用表面活性剂去除土-水系统中非水相流体(NAPLs)的研究进展，重点讨论了其作用机理和主要影响因素。大量研究表明，表面活性剂能促进NAPLs从土壤颗粒中解吸，并通过增溶和增流作用改善NAPLs在土壤中的溶解和迁移能力，进而提高抽出处理法的去除效率。同时，表面活性剂对NAPLs的生物降解也有一定影响。表面活性剂对NAPLs去除效率与其种类和投加浓度、土壤异质性、电解质和温度等因素有关。     

考虑收缩的爆炒热/质传递过程模拟与验证

为研究爆炒中食品多孔介质热/质传递机制及烹饪成熟和品质变化规律，考虑收缩-水分损失关系，基于多孔介质理论，结合傅里叶定律、牛顿冷却定律和达西定律，构建了爆炒中有蒸发、考虑收缩的食品含湿非饱和多孔介质热/质传递数学模型，开展了爆炒数值模拟。考虑收缩后模拟值与实测温度历史（Least Summation of the squared Temperature Difference for overall target，LSTD=4.40 ℃）、平均含水率（LSTD=1.42%）和体积收缩率（LSTD=1.05%）吻合更为良好。模拟分析了爆炒热/质传递对颗粒表面蒸发、收缩、内部压力、水分和温度分布的影响机理及火候控制手段的作用，结果表明：爆炒强对流传热使颗粒蒸发剧烈造成水分损失；收缩主要由水分损失引起，可以增大传热效率并影响颗粒内部压力变化，由成熟值理论研判，蒸发收缩对烹饪成熟起到促进作用，并有利于提高烹饪品质，是爆炒技术优势的一部分；火候控制手段通过改变颗粒特征尺寸、能量传递速率和流体-颗粒的换热时间/接触面积对颗粒成熟时间和含水率等烹饪品质产生极显著（P<0.01）影响。     

Interfacial tension-induced transport of nonaqueous phase liquids in model aquifer systems

Nonaqueous phase liquids (NAPLs) such as solvents and fuels are common contaminants in soils and groundwater. Spills, leaking underground storage tanks, and improper disposal practices all result in the release and movement of NAPLs through soils. Movement of NAPLs through soil is considered to result from gravity- and/or capillarity-driven immiscible phase flow. Dispersive and convective transport of dissolved components, volatilization, sorption, and degradation are also considered important processes in NAPL contamination. An additional transport mechanism in which NAPLs spread on water surfaces due to differential adhesive and cohesive attractive forces is demonstrated in this study.     

利用时域反射仪测定饱和砂土中非水相液体

利用时域反射技术,以饱和砂土和菜籽油、机油为研究对象,室内模拟研究了非水相液体(NAPLs,nonaqueous phase liquids)污染土壤的介电常数和电导率的变化规律,确定了饱和砂土中NAPLs含量的预测模型。研究表明:1饱和砂土中体积含油量在0~0.05 cm~3/cm~3时,土壤介电常数并无显著变化;随着NAPLs体积含量的进一步增加,介电常数呈线性减小趋势;土壤体积质量和NAPLs类型对相同饱和度的土壤介电常数未产生影响。2饱和土壤的电导率与NAPLs含量存在良好的线性负相关关系(R2=0.96);土壤体积质量对相同饱和度的土壤电导率未产生影响。3混合介电模型(a=0.5)高估了饱和砂土中NAPLs含量,平均RMSE为0.038 cm~3/cm~3;参数a调整为0.52后,混合介电模型提高了预测精度,比原混合介电模型(a=0.5)预测精度可以提高23.2%。本研究结果表明可利用时域反射技术监测污染土壤的介电常数与电导率并测定饱和土壤中NAPLs的含量。     

土壤-地下水中微塑料迁移的影响因素及机制研究进展

微塑料在环境中广泛分布,世界范围内的农业土壤及地下水中都已发现微塑料污染,生态环境和人体健康受到严重威胁。研究土壤-地下水中微塑料迁移的影响因素及机制,对于准确评价其分布归趋及环境风险具有重要意义。该研究通过文献调研,对土壤-地下水环境中微塑料的来源、团聚及迁移研究进行梳理、归纳和总结,系统阐明了土壤-地下水中微塑料迁移的影响因素,剖析了影响微塑料迁移的机制,并对未来研究进行展望。土壤中微塑料的来源可分为原位型微塑料和外源输入型微塑料2种,地下水中的微塑料一般源自于土壤中微塑料的垂直迁移及地表-地下水微塑料交换。水体中微塑料的团聚受多种水环境因素的影响,其团聚程度与迁移能力密切相关,是迁移行为的基础和前提。土壤-地下水中影响微塑料迁移的因素可分为化学、物理、生物3类。水化学条件、介质成分、水流条件、介质物理条件、植物生长发育、小型动物及微生物的生命活动均会影响土壤-地下水中微塑料的迁移行为,且影响机制各不相同。目前,土壤-地下水中微塑料的迁移研究处于起步阶段,在进一步的研究中,野外尺度微塑料迁移、多元化微塑料迁移、微塑料特性对其迁移行为影响、微塑料迁移过程中的转化等研究值得重点关注。     

Experimental study on the relation between the fractal characteristics and solute transport parameters of sandy soil

Journal of Soils and Sediments - Assessing solute transport in porous media is important for better understanding groundwater contamination. Transport parameters are closely related to the soil...     

Retention and Transport of PAH-Degrading Bacterium <Emphasis Type="Italic">Herbaspirillum chlorophenolicum</Emphasis> FA1 in Saturated Porous Media Under Various Physicochemical Conditions

Dispersal of functional microorganisms is a rate-limiting process during in situ bioremediation of contaminated soil and groundwater. In this work, series of column experiments were conducted to investigate the retention and transport behaviors of Herbaspirillum chlorophenolicum FA1, a promising bacterial agent for bioremediation, in saturated porous media under conditions of different combinations of grain size, solution pH, solution ionic strength (IS), and humic acid (HA) concentration. Experimental data showed that the mobility of FA1 in saturated porous media was strongly dependent on the physicochemical conditions. The breakthrough curves (BTCs) indicated that the amounts of FA1 in the effluent increased with increasing in sand size, solution pH, and HA concentration, but decreased with increase of solution IS. The shape of retention profiles (RPs) was hyper-exponential. The amounts of retained bacteria in the media also varied with the experimental conditions with opposite trends to that of effluent. Both experimental BTCs and RPs were simulated by a mathematical model that accounted for deposition kinetics to better interpret the effects of physicochemical conditions on FA1 deposition dynamics. Findings from this study showed that fate and transport of the functional bacterium FA1 in porous media strongly relied on the environmental conditions. Both experimental and modeling results can provide guidelines for field application of functional bacteria for soil and groundwater remediation.     

依据挥发性污染物浓度变化划分土壤气相抽提过程的研究

土壤气相抽提（SVE）是去除包气带土壤中挥发性有机物（VOCs）经济快捷的原位土壤修复方法。VOCs饱和蒸汽压高,能在负压气流下被定向地带到地面收集处理。为了便于划分SVE过程,试验采用两种土壤污染方案：直接污染和间接污染。间接污染土壤的目的是为了避免在土壤中形成非水相液体（NAPLs）,方法是使用气相污染源长时间污染土壤。通过多次对土壤进行间接污染和通风净化,证明VOCs主要来源于NAPLs。试验表明,依据VOCs的浓度变化,SVE过程能被划分为两个阶段：（1）高效去除阶段,即污染土壤中含NAPLs阶段,液态的VOCs进入土壤间隙形成NAPLs或溶解在土壤水中,或被土壤和有机质吸附。SVE过程中VOCs气相浓度降低,停止抽提后浓度能够恢复;（2）低效率的拖尾阶段,即土壤中无NAPLs存在,通风能够快速地降低污染物浓度,并且VOCs浓度降低后不能恢复。试验同时显示出在不同的土质中VOCs浓度变化具有相似的规律。     

氧化石墨烯和五价砷在改性多孔介质中的共迁移特征

砷是农田土壤重金属污染的主要元素之一,在砷污染农田土壤的修复过程中往往忽视纳米颗粒能够使结合态的砷重新释放,导致有效态砷浓度升高,探究土壤中黏土矿物对氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)和五价砷(As(V))在多孔介质中迁移行为的影响,对进一步完善农田土壤砷修复理论以及提高农作物产量、保护人体健康具有重要意义。该研究利用蒙脱石和高岭石改性石英砂,通过砂柱迁移试验系统地研究了GO、As(V)和GO-As(V)在填加0%、10%、30%和50%的蒙脱石和高岭石改性石英砂柱中的迁移行为。研究结果表明,随着高岭石和蒙脱石改性石英砂填加比例的增加,GO和As(V)的迁移能力均呈降低趋势,且GO和As(V)在不同条件下的迁移曲线均存在显著差异(P0.05);GO在50%高岭石和蒙脱石改性石英砂柱中的回收率相对于石英砂柱分别下降了14%和17%,As(V)分别下降了15%和12%;在共迁移试验中,GO和As(V)在石英砂柱中回收率分别上升至99%和100%。分析表明,As(V)在蒙脱石改性石英砂柱中的迁移能力大于高岭石改性石英砂,而GO与之相反;当GO和与As(V)共迁移时,二者在介质中的迁移能力均大于其单独迁移。本研究表明GO、As(V)释放到土壤后,能够加速As(V)的迁移,造成土壤砷污染的扩大化。