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由于石油产品和低水溶性的化学品泄漏造成的土壤和地下水的污染事件呈逐年上升的趋势,已经成为土壤和地下水环境保护领域的热点问题。助溶剂是一类可在水相和油相都能溶解的有机物,通常指低或者中等分子量的醇类。这类物质可增加油类在水中的溶解度,也能降低油一水界面张力,因此具有修复土壤油类污染的能力,助溶剂强化冲洗技术已经成为了一种新兴的污染土壤修复技术,引起越来越多的研究者的关注。
本文以环境工程学原理和多孔介质流体动力学为基础,选取柴油为轻质油的代表,选用了四种醇作为助溶剂的代表物。重点研究了助溶剂增溶柴油、降低油水界面张力及对固体浸润性的影响规律,以及此三种机制对助溶剂冲洗柴油的效果规律的影响。
首先对助溶剂增溶柴油规律作了研究。通过静态增溶试验和助溶剂一柴油一水的伪三元相图从而得出了助溶剂对柴油增溶与浓度的关系,试验表明水溶性的助溶剂对柴油的增溶能力在含水率升高不到50时就开始迅速降低。用该方法同时研究了吐温80、曲拉通100和Brij35非离子表面活性剂对助溶剂增溶的影响,结果发现吐温80和Brij35对助溶剂增溶有促进作用。
试验测定了不同助溶剂表面张力和界面张力随浓度的变化关系。通过比较发现单位质量的丁醇降低表面、界面张力能力最强。而吐温能降低丁醇溶液的表面张力和油水界面张力。通过测定柴油、助溶剂和水对石英砂的接触角发现助溶剂对石英砂的浸润性超过了柴油,而柴油超过了水,从而提出了助溶剂对石英砂的浸润性强于油是去除油污的主要机制。
通过测量不同乙醇溶液的毛细上升高度并用Laplace公式进行验证,表明考虑浸润性后的毛细上升高度预测值与实际更为符合。用砂芯漏斗-滴定管组成的简易毛细压力饱和度装置测定了水-气、油-水的毛细压力饱和度关系结果表明,随着乙醇浓度的增加,饱水的石英砂进气/油的压力值、水相残留饱和度和释水压力带宽都减小。
乙醇溶液洗脱含油石英砂试验表明去除效率不依赖于固液比而依赖于乙醇的浓度。由丁醇和90%的乙醇以两种冲洗速度冲洗含油砂柱的试验表明,丁醇仅能将低含油饱和度的砂(含油量为2%)中的油以自由态冲洗出而90%的乙醇能在3孔隙体积(PV)能连续将冲出自由态的油。用吐温80和丁醇混合以及Brij35同乙醇混合冲洗,在前3个PV提高了柴油在水相的浓度。对含油量为10%的高饱和度砂,90%的乙醇溶液可以去除97%以上的油,而丁醇仅仅能去除85%的油;冲洗速度不能显著提高冲洗效率。采用变流速,不同的乙醇浓度对两种含油饱和度的细砂进行冲洗试验,提高冲洗速度转速之后以自由态的油并没有显著提高。
本研究成果可为助溶剂冲洗修复土壤及地下水轻质油污染的现场示范提供理论和试验依据。