臨界鹽濃度遞減率對(duì)多孔介質(zhì)微粒釋放的影響?

曹 霞,李國(guó)霞,徐天華

(1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山西太原 030051;2.太原市環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,山西太原 030002;3.山西省環(huán)境工程設(shè)計(jì)院,山西太原 030006)

0 引 言

多孔介質(zhì)中的微粒物質(zhì),特別是一些非膨脹和弱膨脹性粘土礦物(如高嶺土和伊利石等),在水化學(xué)或水動(dòng)力學(xué)條件發(fā)生變化時(shí),從孔隙壁上脫落下來(lái)的過(guò)程稱為微粒釋放.釋放下來(lái)的微粒物質(zhì)隨流體在多孔介質(zhì)中遷移,部分在重力作用下發(fā)生重新沉積并分布于新的孔隙中,它們或者包裹于骨架微粒周圍(Coating Effect),或者在架橋作用(Bridging Effect)下成為骨架微粒間的連接物,或者集聚于孔隙孔喉(Pore Throat)之中成為填充物,上述行為都會(huì)導(dǎo)致多孔介質(zhì)局部區(qū)域流體通過(guò)的斷面面積下降,引起多孔介質(zhì)滲透性降低,導(dǎo)致多孔介質(zhì)發(fā)生所謂的水敏感性[1].目前,針對(duì)微粒釋放原因和機(jī)理的研究,許多專家都做了大量的工作,主要集中在微粒釋放對(duì)多孔介質(zhì)滲透性的影響,影響微粒釋放的因素(如溶液濃度及其遞減率、流體流速、離子強(qiáng)度和 p H值等)等方面[2-4].其中,臨界鹽濃度遞減率雖然不是導(dǎo)致微粒釋放的主要因素,但是其對(duì)微粒釋放過(guò)程的影響非常明顯,但對(duì)其影響微粒釋放的機(jī)理缺少合理解釋[5-7].

本文旨在通過(guò)批量試驗(yàn),研究臨界鹽濃度遞減率對(duì)微粒釋放過(guò)程的影響,并依據(jù)膠體化學(xué)理論進(jìn)一步探討其微觀力學(xué)機(jī)理,從而為微粒釋放的宏觀和微觀研究提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

供試砂樣取自青島地區(qū)大沽河下游咸水入侵區(qū)高家莊沙場(chǎng),在行政區(qū)劃上屬膠州市管轄.采得的砂樣過(guò)孔徑為 2 mm的篩,篩下的砂樣供試驗(yàn)使用.X射線衍射分析結(jié)果表明:砂樣中含微粒的主要礦物有伊利石、高嶺石、綠泥石和蒙脫石,占砂樣總量的 0.17%.其中,伊利石約占粘性微?？偭康?84%,高嶺石和綠泥石含量約為 15%,膨脹性蒙脫石含量約 1%.試驗(yàn)用水為去離子水配置成的各種鹽溶液.

1.2 試驗(yàn)裝置

所用主要儀器是國(guó)華企業(yè)生產(chǎn)的 SHZ-C型水浴恒溫振蕩器和容積為 50 m L的聚丙烯離心管.水浴恒溫振蕩器的工作溫度設(shè)定為 20±2℃,試驗(yàn)用水為海水和地下淡水,p H值為 7.0.

1.3 試驗(yàn)方法

1)取 20 g粒徑小于 2 mm的砂樣裝入兩組 50 mL的聚丙烯離心管里,第一組加入 75 mmol/L,80 mmol/L,85 mmol/L,90 mmol/L,95 mmol/L,100 mmol/L,105 mmol/L濃度的 NaCl溶液,第二組加入 60 mmol/L的 NaCl溶液,至離心管滿為止.用第二組溶液分別驅(qū)替第一組溶液(NaCl溶液的臨界鹽濃度為 0.06±0.005 mol/L,所以以60 mmol/L為 NaCl溶液的最低濃度值)[8-11].

2)將裝滿溶液的離心管放在振蕩器上,以150次 /min的速度振蕩 1 h,振完后立即取上部懸浮液,將離心管內(nèi)剩余殘液倒出.

3)將取出的懸浮液在 600 nm波長(zhǎng)下用 721分光光度計(jì)測(cè)量其吸光度,并用吸光度與微粒濃度校正曲線計(jì)算出流出液中的微粒濃度.校正曲線的做法是:收集流出液內(nèi)的粘粒,烘干、稱重、重新配成懸浮液,測(cè)定不同濃度懸浮液的吸光度,得到二者之間的關(guān)系曲線,如圖1所示.

圖1 釋放微粒濃度與吸光度的關(guān)系Fig.1 Relation between released particle concentration and absorbency

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為通過(guò)批量試驗(yàn)測(cè)定的不同濃度 NaCl溶液被 0.060 mol/L的低濃度 NaCl溶液驅(qū)替時(shí)釋放的微粒濃度.從圖2中可以看出,當(dāng)被驅(qū)替的 NaCl溶液濃度高于 0.075 mol/L時(shí),試驗(yàn)過(guò)程中都有微粒釋放現(xiàn)象發(fā)生,隨著濃度差的逐漸增大,釋放微粒的量也呈上升趨勢(shì).由此可知,可以導(dǎo)致微粒釋放的最小濃度應(yīng)該在 0.070～0.075之間.需將該區(qū)域的濃度進(jìn)行加密試驗(yàn),以確定能夠?qū)е挛⒘ａ尫诺呐R界鹽濃度遞減速率.

圖2 批量試驗(yàn)中 0.06 mol/L NaCl溶液驅(qū)替不同高濃度 NaCl溶液時(shí)的微粒濃度Fig.2 Particle concentrationsin batch experiments of 0.06 mol/L NaCl solution replacing different higher ones

圖3為批量試驗(yàn)過(guò)程中不同濃度 NaCl溶液對(duì)應(yīng)的微粒釋放濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系曲線.從圖3中可以看出,開始發(fā)生明顯微粒釋放的鹽濃度為 0.075 mol/L,與最低濃度溶液的濃度差為 0.015 mol/L.

為了進(jìn)一步測(cè)定臨界鹽濃度的遞減速率值,在 0.070 mol/L與 0.075 mol/L NaCl溶液之間進(jìn)行濃度加密,并再次分別用 0.060 mol/L NaCl溶液進(jìn)行驅(qū)替,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.從圖4中可以看出,NaCl溶液引起微粒釋放的臨界鹽濃度遞減速率約為 0.072-0.060=0.012 mol/L.由于多孔介質(zhì)的不均質(zhì)性,臨界鹽濃度的遞減速率應(yīng)該不是一個(gè)單一值,而是一個(gè)區(qū)間值.

通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程可知,鹽濃度的遞減速率是影響微粒釋放過(guò)程的一個(gè)重要因素.根據(jù)膠體穩(wěn)定理論,不同濃度的電解質(zhì)溶液中,膠體的雙電層厚度有很大的差別,高濃度電解質(zhì)對(duì)雙電層有很強(qiáng)的壓縮作用,使得雙電層中反離子的密度變得很大.因此,在高濃度的 NaCl溶液中,膠體微粒之間、膠體微粒與石英砂粒之間的間距變小,范德華引力占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì).但是,當(dāng)進(jìn)行鹽濃度突變?cè)囼?yàn)時(shí),伴隨著電解質(zhì)濃度快速、急劇的下降,電解質(zhì)壓縮雙電層的作用急劇變?nèi)?雙電層中因壓縮作用而密度很大的反離子,在濃度差作用下迅速向雙電層外緣擴(kuò)散,雙電層厚度急速增加.但是,由于微粒之間、微粒與骨架微粒之間的距離并沒有發(fā)生同步的變化,導(dǎo)致微粒物質(zhì)雙電層發(fā)生重疊,重疊區(qū)內(nèi)的反離子之間產(chǎn)生了相互的排斥作用力,迫使微粒之間、微粒與骨架微粒之間的距離迅速增大以減小重疊雙電層中反離子濃度和相互排斥作用.于是,微粒間距、微粒與石英砂粒之間的間距被迫變大,其相互之間的總作用力迅速向斥力轉(zhuǎn)變,致使微粒釋放現(xiàn)象發(fā)生.

在此,可以將微粒釋放過(guò)程分為兩個(gè)階段:一是電解質(zhì)濃度下降導(dǎo)致斥力產(chǎn)生時(shí),微粒與微粒之間相互排斥而分離的階段;二是微粒與骨架微粒產(chǎn)生斥力從孔隙壁脫落的階段.

鹽度漸變?cè)囼?yàn)中,當(dāng)相互驅(qū)替的溶液濃度差小于一定數(shù)值時(shí),在低濃度驅(qū)替濃度相差不大的溶液過(guò)程中,雙電層的厚度變化極其緩慢,無(wú)重疊現(xiàn)象,反離子擴(kuò)散緩慢,且沒有機(jī)會(huì)與另一粒子雙電層中的反離子產(chǎn)生相斥作用力.此情況下,雙電層厚度不足以使得粒子與粒子之間的間距達(dá)到以斥力為主的距離,故微粒物質(zhì)之間、微粒與石英砂粒之間保持穩(wěn)定的相互吸引作用,故無(wú)微粒釋放現(xiàn)象發(fā)生.

圖4 NaCl濃度加密后的臨界鹽濃度遞減率Fig.4 Thecritical rate of salinity decrease after encryp ting the NaCl concentration

3 結(jié) 論

1)鹽濃度遞減速率是一個(gè)控制微粒釋放發(fā)生的關(guān)鍵性因素,鹽濃度突變過(guò)程微粒釋放發(fā)生,鹽濃度漸變過(guò)程則無(wú)微粒釋放發(fā)生;

2)存在一個(gè)臨界鹽濃度遞減速率:中性條件下,NaCl溶液臨界鹽濃度遞減速率在 0.012 mol/L左右,只有驅(qū)替溶液(低于臨界鹽濃度值)與被驅(qū)替溶液的濃度差高于該值時(shí),微粒釋放才會(huì)發(fā)生;

3)臨界鹽濃度遞減速率是一個(gè)區(qū)間值,而非單一值.

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