壳聚糖稳定纳米铁在饱和多孔介质中的迁移试验及数值模拟

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采用液相还原法制备了壳聚糖稳定纳米零价铁。分析了pH值、离子强度、离子种类对纳米铁稳定性的影响。利用一维砂柱实验模拟壳聚糖稳定纳米零价铁在饱和多孔介质中的迁移,分析了注入速度、pH值、离子强度、离子种类对纳米铁迁移性能的影响。利用胶体过滤理论和溶质运移模型模拟分析了纳米铁在饱和多孔介质中的运移,并对控制其迁移的主要机理进行了探究。
  开展不同影响因素(pH、离子强度、离子种类)下纳米铁的沉降实验,通过Zeta电位表征进行了壳聚糖稳定纳米零价铁的稳定性研究,研究表明:pH逐渐增大(由pH6至pH8),纳米铁的稳定性逐渐提高;随着离子强度的增大,纳米铁的稳定性逐渐降低;相同离子强度下,Ca2+比Na+对纳米铁的稳定性影响更大。Zeta电位与纳米铁沉降实验结果具有良好的相关性。改变pH、离子强度、离子种类,本质上改变了纳米铁粒子的带电量,从而改变了纳米铁粒子间的斥力势能,进而改变了纳米铁的稳定性。
  通过室内柱实验,开展不同影响因素下壳聚糖稳定纳米零价铁在饱和多孔介质中的迁移性能研究。研究表明:注入速度增大,纳米铁迁移性增强;注入速度决定了穿透与淋洗曲线峰值出现迟早、峰值宽度和峰值浓度,但从孔隙体积的角度看,峰值的出现与通过的纳米铁悬浮液体积有关,与注入速度无关。pH增大(由pH6至pH8),纳米铁迁移性增强;离子强度增大,纳米铁的迁移性减弱,相同离子强度下,Ca2+比Na+对纳米铁的迁移性影响更大。纳米铁的迁移性与其稳定性相关,改变pH、离子强度、离子种类,改变了纳米铁的稳定性,进而影响了纳米铁的迁移性。纳米铁在多孔介质中固相浓度分布不均匀,在注入端固相浓度最高,随着距离增大,固相浓度逐渐降低,在出口端浓度最低。
  利用胶体过滤理论对壳聚糖稳定纳米铁在饱和多孔介质中的迁移进行计算分析。结果表明在影响纳米铁运移的重力沉降、布郎扩散和拦截三种作用中,重力沉降>布朗扩散>拦截,重力沉降作用是纳米铁沉积的重要因素。
  利用HYDRUS-1D软件建立了基于附着-脱离作用的溶质运移模型模拟纳米铁在饱和多孔介质中的迁移,模拟结果与实测结果较为一致,可以较好地描述纳米铁在砂柱中的迁移及空间分布规律。模拟结果表明变形(Straining)作用是一种影响纳米铁迁移的重要因素。
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