表面活性剂冲洗治理土壤轻油污染多相流试验研究

论文摘要

近些年来,油品溢出或化学品泄漏等原因引起的土壤和地下水油污染问题越来越引起人们的关注,已成为当前国际上土壤和地下水环境保护中的热点问题。存在油污染的土壤或地下水中,往往伴随着不溶混的气或是水的共同运动,水、气、油相中的两相或三相相互作用、相互影响,共同构成多相流体系统。表面活性剂冲洗法是土壤和地下水污染原位处理方法之一,主要利用表面活性剂的胶束增溶及降低界面张力作用去除污染物。本文以环境工程学、多孔介质流体动力学以及水文地质学原理为基础,选取柴油作为轻质油的代表,通过不同的室内试验模拟方法,在所选用表面活性剂能有效去除轻油污染的前提下,重点研究了表面活性剂界面张力降低作用对多相流动系统动力学基本参数的影响以及表面活性剂冲洗治理土壤轻油污染中的多相流动和污染物运移规律及各相压力变化规律。首先进行了能有效去除轻油污染的表面活性剂的筛选。通过初选四种化学表面活性剂溶液对柴油的增溶、对油污土样的一次性清洗以及对油污土柱的冲洗三个步骤确定非离子表面活性剂Triton X-100去油能力较强,进行后续试验研究。毛细压力（h）和饱和度（S）是多孔介质多相流研究中的重要参数。在表面活性剂对两相系统基本参数影响研究中,对理想和实际多孔介质不含和含有Triton X-100的水-气和水-油两相系统的h-S关系进行了系统地测定,得出了不同系统中h-S关系曲线。试验结果表明:含有表面活性剂的Triton X-100系列和不含表面活性剂的纯水系列相比,在同一湿润相饱和度时,Triton X-100系列对应的毛细压力水头值低于纯水系列的毛细压力水头值,降低的比例和Triton X-100引起的界面张力的降低成比例。因此可通过引入界面张力比值系数对纯水系列的h-S关系曲线进行折算,从而合理确定表面活性剂系统的h-S关系,为表面活性剂冲洗的多相流运动定量模拟提供基本参数关系。表面活性剂冲洗治理油污染室内模拟实验部分,通过室内二维箱试验对一定量柴油点源泄漏产生的污染运移和表面活性剂冲洗治理进行了物理模拟。通过给油相染色和彩色照相的办法记录了污染和冲洗过程中的油锋运移情况,由“压力传感器-巡检仪-电脑”组成的数据自动采集系统实现了对各相压力变化的实时监测。油锋运移结果表明,在冲洗过程中,油锋面进一步向下运移,污染区范围也因此进一步扩大。在试验过程中观察到了表面活性剂界面张力降低作用引起的毛细区在砂箱整个宽度上的缓慢下降以及由此所产生的包气带排干现象。根据各相压力等值线分析了污染及冲洗过程中各相压力变化过程及趋势,对表面活性剂冲洗多相流动体系二维系统中污染物运移及多相运移机制进行初步分析。试验现象和监测数据可为更好地理解表面活性剂冲洗中的多相流运动提供基础数据。本文研究成果可为表面活性剂冲洗治理土壤及地下水油污染的实地应用提供理论依据和试验支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 国外研究进展
• 1.2.2 国内研究进展
• 1.2.3 研究中存在的主要问题及可能的进一步研究方向
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 拟解决的关键问题
• 1.3.4 主要技术路线
• 1.4 本章小结
• 2 表面活性剂冲洗多相流运动中的主要参数及确定方法
• 2.1 表面活性剂冲洗多相流运动中的主要参数
• 2.1.1 毛细压力及测定方法
• 2.1.2 饱和度及测定方法
• 2.1.3 相对渗透率及测定方法
• 2.1.4 物质传输系数
• 2.2 主要参数关系
• 2.2.1 两相与三相系统毛细压力与饱和度的关系
• 2.2.2 两相与三相系统饱和度与相对渗透率的关系
• 2.2.3 物质传输系数的表达式
• 2.3 本章小结
• 3 表面活性剂筛选
• 3.1 表面活性剂初选
• 3.2 表面活性剂优选
• 3.2.1 主要试验材料与试剂
• 3.2.2 试验及测定方法
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.2.4 小结
• 3.3 表面活性剂的确定
• 3.3.1 主要试验材料与试剂
• 3.3.2 试验装置
• 3.3.3 试验方法
• 3.3.4 结果与讨论
• 3.3.5 冲洗验证试验
• 3.3.6 小结
• 3.4 本章小结
• 4 表面活性剂对两相系统基本参数的影响
• 4.1 表面活性剂对毛细上升高度的影响
• 4.1.1 试验装置及试验方法
• 4.1.2 试验结果与分析
• 4.2 表面活性剂对两相系统毛细压力－饱和度关系的影响
• 4.2.1 试验装置
• 4.2.2 试验设计
• 4.2.3 试验结果与分析
• 4.3 本章小结
• 5 表面活性剂冲洗治理轻油污染多相流试验模拟
• 5.1 试验装置和仪器
• 5.1.1 试验装置
• 5.1.2 数据采集系统
• 5.2 试验方法及过程
• 5.2.1 试验方法
• 5.2.2 试验过程
• 5.3 试验结果与分析
• 5.3.1 表面活性剂冲洗两相流动试验
• 5.3.2 表面活性剂冲洗三相流动试验
• 5.3.3 两组冲洗试验对比
• 5.4 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 建议
• 参考文献
• 附录
• 附录Ⅰ 增溶试验测定数据整理
• 附录Ⅱ 冲洗批试验测定数据整理
• 附录Ⅲ 冲洗柱中所装填风干土样的初始含水量及干容重测定数据
• 附录Ⅳ 柱冲洗试验数据
• 附录Ⅴ 两相系统毛细压力-饱和度关系实验数据
• 附录Ⅵ 冲洗模拟试验中出流液中油浓度及出流流速
• 附录Ⅶ 冲洗模拟试验中部分时段的压力变化数据
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录