高pH環(huán)境對(duì)膠體在飽和多孔介質(zhì)中遷移的影響

袁瑞強(qiáng),郭 威,王 鵬,王仕琴(1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 00006；2.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所,山西 太原 00006；.江西師范大學(xué)鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 0022；.中國(guó)科學(xué)院遺傳所農(nóng)業(yè)資源研究中心,中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊050021)

高pH環(huán)境對(duì)膠體在飽和多孔介質(zhì)中遷移的影響

袁瑞強(qiáng)1*,郭 威1,2,王 鵬3,王仕琴4(1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006；2.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所,山西 太原 030006；3.江西師范大學(xué)鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330022；4.中國(guó)科學(xué)院遺傳所農(nóng)業(yè)資源研究中心,中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊050021)

以超純水漂洗和經(jīng)酸處理過(guò)的玻璃微珠作為對(duì)照,通過(guò)比較在不同pH環(huán)境下膠體在兩種多孔介質(zhì)中的吸附解吸行為來(lái)探討高pH環(huán)境對(duì)膠體遷移的影響. 結(jié)果表明,不利條件下通過(guò)提高環(huán)境的pH可以使吸附在初級(jí)勢(shì)阱中的膠體解吸下來(lái),從而降低膠體的吸附能力. 不利條件下化學(xué)雜質(zhì)有利于膠體在初級(jí)勢(shì)阱中的吸附. 然而隨著環(huán)境pH的增加,這些因化學(xué)雜質(zhì)而發(fā)生吸附的膠體會(huì)有部分被釋放出來(lái). 當(dāng)溶液的pH增加到 10或更高后,化學(xué)雜質(zhì)對(duì)膠體吸附過(guò)程的影響可以忽略. 膠體在多孔介質(zhì)表面的吸附數(shù)量與膠體的吸附解吸過(guò)程和溶液的環(huán)境有關(guān),尤其是高pH值環(huán)境. 研究證實(shí)了傳統(tǒng)DLVO理論存在一定局限性. 本研究為高pH環(huán)境在膠體遷移中發(fā)揮的作用提供了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí).

膠體；吸附；遷移；飽和多孔介質(zhì)；pH

近年來(lái),膠體在多孔介質(zhì)中的遷移行為成為環(huán)境領(lǐng)域的熱門研究話題.預(yù)測(cè)膠體在多孔介質(zhì)中的遷移行為一方面可以評(píng)估微生物在地下水中遷移的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[1],另一方面還可以應(yīng)用于生物修復(fù)[2].pH作為影響膠體在飽和多孔介質(zhì)中遷移的重要因素,學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[3-4].由于多孔介質(zhì)、膠體、微生物表面均攜帶一定的電荷,由于等電點(diǎn)較低,因此在自然環(huán)境下其表面均攜帶負(fù)電荷[5-6],多孔介質(zhì)與膠體之間存在排斥力.當(dāng)環(huán)境 pH低于某一方的等電點(diǎn)時(shí),表面攜帶正電荷,則膠體與多孔介質(zhì)之間存在引力,從而增大了膠體的吸附能力.針對(duì)這個(gè)吸附量發(fā)生變化的臨界 pH值,Guan[7]曾研究過(guò)病毒在多孔介質(zhì)中遷移的臨界pH值,發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境pH值小于微生物或多孔介質(zhì)的等電點(diǎn)最大值0.5個(gè)單位時(shí),病毒的遷移能力會(huì)發(fā)生極大的改變[7].此外,即使膠體和多孔介質(zhì)表面均為負(fù)電荷的情況下, pH的增加也會(huì)導(dǎo)致斥力增大[8].因此許多實(shí)驗(yàn)均證實(shí)了膠體的吸附能力隨著pH的增加而降低[3].然而目前大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)pH的影響研究主要集中于偏中性的環(huán)境中,對(duì)極酸和極堿環(huán)境下 pH影響的研究則較少;此外,已有的研究更傾向于 pH對(duì)膠體吸附的影響,而對(duì)膠體釋放的影響則相對(duì)較少.

pH影響膠體遷移過(guò)程還有一個(gè)重要的原因就是化學(xué)異質(zhì)性.化學(xué)異質(zhì)性指的是由于多孔介質(zhì)表面存在一些化學(xué)雜質(zhì),如金屬氧化物、有機(jī)物等,在自然環(huán)境下,這些雜質(zhì)表面的電荷與多孔介質(zhì)表面的電荷不同甚至電性相反,產(chǎn)生不同的作用力從而影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果.化學(xué)異質(zhì)性被認(rèn)為是造成膠體在多孔介質(zhì)中的遷移行為與傳統(tǒng)的膠體過(guò)濾理論(CFT, colloid filtration theory)不符的原因之一[9-10].關(guān)于化學(xué)異質(zhì)性學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究,理論方面,Duffadar通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)電荷的不均勻會(huì)降低排斥勢(shì)壘從而有利于膠體在初級(jí)勢(shì)阱中的滯留[11],Shen認(rèn)為當(dāng)化學(xué)雜質(zhì)大于某一臨界值時(shí)會(huì)提高膠體的不可逆吸附[10];實(shí)驗(yàn)方面,Foppen發(fā)現(xiàn)石英砂表面的化學(xué)雜質(zhì)有利于提高大腸桿菌的滯留[12],而 Weaver則認(rèn)為多孔介質(zhì)表面溶解性有機(jī)碳的存在會(huì)占據(jù)吸附位點(diǎn)從而降低膠體的吸附能力[13].總之,多孔介質(zhì)表面的化學(xué)雜質(zhì)對(duì)膠體遷移的影響是非常顯著地.學(xué)者通常通過(guò)提高溶液的 pH,來(lái)消除化學(xué)雜質(zhì)造成的影響[14].通常多孔介質(zhì)的等電點(diǎn)較低,而部分化學(xué)雜質(zhì)的等電點(diǎn)較高,自然環(huán)境下,多孔介質(zhì)表面帶負(fù)電荷,而這部分化學(xué)雜質(zhì)表面帶正電荷,當(dāng)提高溶液的 pH后,雜質(zhì)表面的電荷會(huì)由正電荷轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電荷,從而降低雜質(zhì)的影響.

本研究通過(guò)比較不同pH環(huán)境下膠體的遷移行為,探究了高 pH環(huán)境對(duì)膠體吸附和解吸行為的影響.此外還結(jié)合多孔介質(zhì)表面化學(xué)異質(zhì)性對(duì)膠體吸附的影響,分析討論了高 pH環(huán)境與化學(xué)異質(zhì)性的關(guān)系.

1 材料和方法

1.1 膠體和多孔介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)中用到膠體為羧基化聚苯乙烯乳膠微球,粒徑為 1μm,具有良好的分散性和穩(wěn)定性,在423nm 波長(zhǎng)下用紫外-可見分光光度計(jì)來(lái)測(cè)量.多孔介質(zhì)為粒徑在 0.45mm～0.6mm范圍內(nèi)的玻璃微珠,測(cè)得玻璃微珠的孔隙度為0.38.根據(jù)玻璃微珠的處理方法我們將其分為兩組,一組僅用超純水漂洗數(shù)次,直至上清液的吸光度為 0;另一組先用超純水漂洗至上清液吸光度為0后,再對(duì)其進(jìn)行酸洗,最后再用超純水漂洗數(shù)十次直至上清液的 pH和電導(dǎo)率均接近超純水,然后烘干.酸洗方法:先用丙酮和正己烷潤(rùn)洗玻璃微珠,再將玻璃微珠浸泡在濃鹽酸中 24h[15].用 SEM-EDS測(cè)量?jī)煞N不同玻璃珠表面的化學(xué)組成成分.

1.2 膠體遷移實(shí)驗(yàn)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由 4部分組成,包括進(jìn)液槽、蠕動(dòng)泵、柱子、部分收集器,裝置之間由進(jìn)液管連接.柱子主體采用 PVC管,中間用濕填法裝滿玻璃微珠并壓實(shí),柱子兩側(cè)分別用蓋子封口,在玻璃微珠和蓋子間鋪層孔徑為 25μm的尼龍網(wǎng).液體由進(jìn)液槽經(jīng)蠕動(dòng)泵自下而上流經(jīng)柱子,最后流入部分收集器中以便檢測(cè).所有實(shí)驗(yàn)的流速均為2.5mL/min,即達(dá)西流速為5.76m/d.整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程需配制不同的背景液和膠體懸液,背景液需在0.01mol/L氯化鈉溶液的基礎(chǔ)上用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH分別至10、10.5、11、11.5、12,一組不調(diào)節(jié)pH作為對(duì)照組,測(cè)得對(duì)照組的pH環(huán)境為6.8.膠體懸液是在背景液的基礎(chǔ)上加入乳膠微球,使?jié)舛冗_(dá)到10mg/L.遷移實(shí)驗(yàn)按照玻璃微珠的處理方式分為兩組,以采用僅用超純水漂洗的玻璃微珠作為多孔介質(zhì)的稱為空白組,采用酸處理的玻璃微珠為多孔介質(zhì)的稱之為酸洗組.

膠體遷移實(shí)驗(yàn)由膠體吸附實(shí)驗(yàn)和膠體解吸實(shí)驗(yàn).在吸附實(shí)驗(yàn)中,將酸洗組和空白組分為三個(gè)階段,第一階段先通入約 20PV的背景液來(lái)平衡柱子環(huán)境,然后再依次通入 3PV的膠體懸液和5PV的背景液;第二階段則通入 6PV的超純水;第三階段則分別通入pH與背景液相同約11PV的超純水(也用氫氧化鈉調(diào)節(jié)),對(duì)照組則繼續(xù)通入超純水.實(shí)驗(yàn)期間用部分收集器每隔 5分鐘收集流出液,并測(cè)量膠體的濃度并繪制穿透曲線.將每一階段膠體流出液的濃度進(jìn)行積分,除去總的膠體輸入量即得每一階段的膠體恢復(fù)率R1、R2、R3,總的恢復(fù)率用RT表示,則RT= R1+ R2+ R3.在膠體解吸實(shí)驗(yàn)中,仍然將實(shí)驗(yàn)分為空白組和酸洗組.三個(gè)階段和上一實(shí)驗(yàn)的步驟方法均相同,唯一的不同是這次的背景液和膠體懸液僅由0.01mol/L氯化鈉組成,不調(diào)節(jié)pH,而在第三階段依舊加入不同 pH的超純水.同樣地,也計(jì)算每一階段的恢復(fù)率R1、R2、R3和總恢復(fù)率RT.

1.3 DLVO計(jì)算

用Zeta電位分析儀分別測(cè)量膠體和兩種玻璃珠在不同pH環(huán)境下的Zeta電位,計(jì)算不同環(huán)境下膠體與玻璃珠之間的相互作用能.本次計(jì)算采用傳統(tǒng)DLVO理論,雙電層力采用Hogg等提出的球-平面模型[16],范德華力采用Gregory等提出的球-平面模型[17].

2 結(jié)果

2.1 多孔介質(zhì)的表面化學(xué)組成成分

由表 1可以看出,水漂洗后玻璃珠表面多孔介質(zhì)表面的化學(xué)雜質(zhì)以碳為主,鈉和鋁和存在一定的量.而經(jīng)過(guò)酸處理后,碳的量由原來(lái)的 19.2%減少到 8%,鈉和鋁的含量也有一定程度的下降,甚至鋁的含量已經(jīng)檢測(cè)不出來(lái)了.這表明酸洗確實(shí)可以大大的減小多孔介質(zhì)的表面化學(xué)雜質(zhì),但卻無(wú)法完全的清洗干凈[18].

表1 多孔介質(zhì)表面的化學(xué)雜質(zhì)百分含量(%)Table 1 Surface chemistry composition of porous mediain weight percentage

2.2 Zeta電位與相互作用能

表2列舉了在0.01mol/L氯化鈉溶液中,不同pH環(huán)境下膠體和玻璃珠表面的Zeta電位及相互作用能.對(duì)于膠體和玻璃微珠,在自然環(huán)境下Zeta電位顯負(fù)性,隨著pH值的增加,Zeta電位逐漸降低導(dǎo)致排斥勢(shì)壘和次級(jí)勢(shì)阱的升高.而我們通過(guò)對(duì)比相同pH環(huán)境下兩種玻璃珠表面的Zeta電位,發(fā)現(xiàn)在pH為6.8時(shí),經(jīng)過(guò)酸處理過(guò)的玻璃微珠表面的Zeta電位更低,而pH大于等于10時(shí),這時(shí)候二者的Zeta電位差并不明顯.從計(jì)算的相互作用能中可以看出,膠體與玻璃珠之間均存在排斥勢(shì)壘,表明所有實(shí)驗(yàn)環(huán)境均為不利環(huán)境下的吸附.

表2 膠體與玻璃珠的Zeta電位以及DLVO相互作用能Table 2 Electro kinetic properties between colloids and glass beads and the calculated DLVO interaction energy

2.3 膠體遷移實(shí)驗(yàn)

圖 1展示了不同條件下膠體遷移實(shí)驗(yàn)流出液中膠體濃度的變化情況.在圖c和圖d中,由于在前兩個(gè)階段每一組均是重復(fù)的過(guò)程,因而在圖像上并沒有明顯的差異.實(shí)驗(yàn)第一階段,通入膠體懸液后有一定量的膠體被吸附于介質(zhì)表面,一部分膠體未被吸附從柱子中流出,隨著膠體流入量的增加,流出液中膠體濃度迅速增加.當(dāng)膠體的吸附速率和解吸速率近似平衡后,流出液濃度達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定時(shí)期(3～5PV).但由于膠體吸附后占據(jù)了多孔介質(zhì)表面的吸附位點(diǎn),造成吸附速率降低,因此在穩(wěn)定時(shí)期膠體的相對(duì)濃度會(huì)緩慢上升,稱為 Blocking現(xiàn)象[19].盡管存在排斥勢(shì)壘,但在pH值較低時(shí),仍然有大量的膠體吸附于介質(zhì)表面,這與傳統(tǒng)DLVO理論相矛盾[1].不同pH環(huán)境下,膠體和多孔介質(zhì)之間的斥力不一樣,造成流出液濃度也不一樣.pH的增加會(huì)導(dǎo)致排斥勢(shì)壘的增加,從而降低膠體的吸附行為,膠體流出液濃度自然也就越高.再次通入背景液后,柱子中殘留的膠體和吸附在多孔介質(zhì)表面的膠體一部分被釋放出來(lái),流出液中膠體的濃度急劇下降.實(shí)驗(yàn)第二階段,通入超純水后會(huì)擴(kuò)大膠體和多孔介質(zhì)表面的雙電層,增加膠體與多孔介質(zhì)間的排斥力,導(dǎo)致吸附在次級(jí)勢(shì)阱中的膠體解吸下來(lái)[20].實(shí)驗(yàn)第三階段,通入高pH的超純水后,一方面pH升高導(dǎo)致膠體表面的Zeta電位降低,增加了膠體與介質(zhì)間的排斥力;另一方面 pH升高導(dǎo)致介質(zhì)中化學(xué)雜質(zhì)表面電性由正電荷轉(zhuǎn)向負(fù)電荷,有利吸附轉(zhuǎn)變成不利吸附,使一部分膠體從多孔介質(zhì)表面解吸出來(lái)[4].

圖1 膠體在玻璃珠中的穿透曲線Fig.1 Breakthrough curves of colloids in glass beads

圖1中各階段膠體的恢復(fù)率如表3所示.在吸附實(shí)驗(yàn)中(圖a組和圖b組),隨著pH的升高,R1也隨之增加,并且在 pH達(dá)到 11后恢復(fù)率接近100%.而R2和R3的恢復(fù)率則非常少,也就是說(shuō)并沒有太多的膠體從多孔介質(zhì)表面解析下來(lái).橫向比較空白組和酸洗組,在pH 6.8的環(huán)境下二者有明顯差異,而在高 pH環(huán)境下每一階段的差別并不明顯.也就是說(shuō)在高 pH環(huán)境下,多孔介質(zhì)表面的化學(xué)雜質(zhì)對(duì)膠體的遷移并沒有顯著的影響.在解吸實(shí)驗(yàn)中(圖c組與圖d組),R1和R2并沒有明顯的差別,而R3會(huì)隨著pH的增加而增加(pH為12條件下除外),這也造成了RT和R3一樣的規(guī)律.若橫向比較空白組與酸洗組的差別,酸洗組的R1和RT均要高于同等條件下的空白組,而酸洗組的R3則要略小于空白組.

表3 不同條件下穿透曲線的膠體恢復(fù)率Table 3 The recovery of colloids under different conditions

3 討論

3.1 pH對(duì)膠體吸附的影響

由表 1可知,本實(shí)驗(yàn)采用的玻璃微珠表面存在一定量化學(xué)雜質(zhì).酸洗過(guò)后可以明顯降低這些雜質(zhì)的含量.去除雜質(zhì)后會(huì)降低多孔介質(zhì)表面的Zeta電位,從而增大了膠體與多孔介質(zhì)間的排斥勢(shì)壘(由表2可知).通過(guò)比較在中性pH環(huán)境下膠體的遷移行為,可以明顯的發(fā)現(xiàn)在第一階段酸洗組膠體的流出液更多.由表3可知空白組在第一階段的恢復(fù)率明顯低于酸洗組的恢復(fù)率,這說(shuō)明空白組對(duì)膠體的吸附能力更好.在第二階段,空白組和酸洗組在流出時(shí)間和流出濃度上二者相差不大,表明化學(xué)雜質(zhì)對(duì)膠體在次級(jí)勢(shì)阱上的吸附并沒有顯著的影響.因此可以得出結(jié)論:化學(xué)雜質(zhì)對(duì)膠體的吸附主要是在初級(jí)勢(shì)阱中的吸附.

在吸附實(shí)驗(yàn)中,盡管不同 pH環(huán)境下的吸附環(huán)境均是不利吸附,但 pH對(duì)膠體的吸附還是存在明顯的影響.當(dāng)溶液環(huán)境的pH為6.8時(shí),膠體流出最少,而隨著 pH的增加,膠體恢復(fù)率也越來(lái)越高.隨著 pH進(jìn)一步提高膠體吸附的能力就越差.當(dāng)環(huán)境pH提高至11,則膠體的恢復(fù)率接近100%,即表明膠體幾乎不發(fā)生吸附行為,此時(shí)吸附環(huán)境才真正進(jìn)入了不利環(huán)境.DLVO計(jì)算結(jié)果和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確實(shí)存在較大偏差.在第二階段,當(dāng)溶液pH越低,則流出液濃度越高,在pH環(huán)境為11或更高時(shí),幾乎沒有膠體流出.這是由于 pH增大會(huì)使次級(jí)勢(shì)阱便得更淺(由表 2可知),因此很少有膠體吸附在次級(jí)勢(shì)阱中.

對(duì)于pH為6.8的自然環(huán)境來(lái)說(shuō),化學(xué)雜質(zhì)的多與少對(duì)膠體的遷移有很大的影響.然而在高pH的環(huán)境下,化學(xué)雜質(zhì)對(duì)膠體的遷移幾乎沒有任何影響.當(dāng)環(huán)境pH為10時(shí),空白組和酸洗組的R1分別為76.2%和78.1%,僅僅相差不到2%,而當(dāng)pH升至10.5時(shí),R1分別達(dá)到了95.2%和92.4%,在存在實(shí)驗(yàn)誤差的結(jié)果下,空白組的恢復(fù)率反而更高.可以看出,當(dāng)環(huán)境的pH升至10或10以上后,化學(xué)雜質(zhì)對(duì)膠體遷移的影響則可以忽略不計(jì).例如,Shen等通過(guò)將溶液的pH調(diào)至10來(lái)消除表面雜質(zhì)帶來(lái)的影響[14],而Tufenkji等[21]則將溶液的pH調(diào)至11.

3.2 pH對(duì)膠體解吸的影響

使膠體從多孔介質(zhì)表面解吸下來(lái)通常有兩種辦法:提高流速和降低離子強(qiáng)度[22].而本實(shí)驗(yàn)中,在不利環(huán)境下,通入高 pH的超純水同樣使膠體解吸下來(lái).為了排除離子強(qiáng)度的影響,我們配置了和pH 12超純水離子強(qiáng)度相同的氯化鈉溶液,于第三個(gè)階段通入該氯化鈉溶液,在空白組中和酸洗組中均沒有發(fā)現(xiàn)有膠體解吸下來(lái)(數(shù)據(jù)沒有展示).因此實(shí)驗(yàn)中膠體的解吸定是由高pH導(dǎo)致的.實(shí)驗(yàn)第三階段,高 pH超純水可以再次使部分膠體從介質(zhì)表面解吸下來(lái).并且在同等 pH環(huán)境下,空白組中膠體的恢復(fù)量均要小于酸洗組,因此這部分膠體釋放一部分原因要?dú)w功于介質(zhì)表面的化學(xué)雜質(zhì).當(dāng)溶液 pH升高后,導(dǎo)致部分化學(xué)雜質(zhì)的表面電荷由正電荷轉(zhuǎn)向負(fù)電荷,有正負(fù)相吸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)負(fù)相斥,造成膠體的解吸.也就是說(shuō),化學(xué)雜質(zhì)既可以增加膠體在初級(jí)勢(shì)阱中的吸附,也可以使膠體在高pH環(huán)境下解吸更加容易.

本實(shí)驗(yàn)中,不管是酸洗組還是空白組,第三階段恢復(fù)率R3隨著pH的增加而增加(pH為12除外).pH的增加同樣會(huì)導(dǎo)致膠體和多孔介質(zhì)表面的Zeta電位降低,增加膠體和多孔介質(zhì)間的排斥力(由表2可知).當(dāng)pH為12時(shí),流出液膠體濃度卻有一定程度的下降,這可能和離子強(qiáng)度增加有關(guān).因?yàn)殡x子強(qiáng)度的增加能壓縮雙電層,增加多孔介質(zhì)對(duì)膠體的吸附能力[23].由于吸附在次級(jí)勢(shì)阱中的膠體已提前被釋放出來(lái),并且根據(jù)DLVO計(jì)算結(jié)果表明次級(jí)勢(shì)阱非常淺,僅有幾個(gè) kT,不可能吸附大量的膠體,因此這部分膠體是吸附在初級(jí)勢(shì)阱中的.此外,從釋放速率來(lái)看,在第二階段釋放出來(lái)的膠體從最高峰到接近 0處用了大約4PV(11～15PV),而第三階段釋放出來(lái)的膠體從最高峰到0點(diǎn)用了大約8PV(16～24PV).有學(xué)者將膠體的解吸速率分為快和慢兩種[4],而本文中第二階段和第三階段膠體的釋放速率明顯不同,因此來(lái)源于不同吸附位點(diǎn),綜上可以判斷第三階段釋放的膠體來(lái)源于初級(jí)勢(shì)阱.在一些研究中也曾發(fā)現(xiàn)膠體從初級(jí)勢(shì)阱中解吸下來(lái)[10,24-26].例如,Shen等發(fā)現(xiàn)一些因粗糙度而吸附在初級(jí)勢(shì)阱中的膠體會(huì)隨著溶液離子強(qiáng)度的降低而釋放出來(lái)[10].根據(jù)傳統(tǒng)DLVO理論,初級(jí)勢(shì)阱具有無(wú)限深的特點(diǎn),吸附到初級(jí)勢(shì)阱中的膠體不可能被解吸下來(lái).然而膠體和多孔介質(zhì)間的作用力除了雙電層力和范德華力外,還包括水合力、生斥力、溶解力、路易斯酸堿作用力等[27].在傳統(tǒng)DLVO理論中加入這些作用力后的理論統(tǒng)稱為擴(kuò)展 DLVO理論.Shen等在探究中考慮了雙電層力、范德華力和生斥力后,膠體與多孔介質(zhì)間的初級(jí)勢(shì)阱不再是無(wú)限深的[25],甚至在一些特殊環(huán)境下初級(jí)勢(shì)阱呈現(xiàn)正值[26].這些均為膠體從初級(jí)勢(shì)阱中解吸下來(lái)提供了可能.而目前的擴(kuò)展DLVO理論仍然處于起步階段,還無(wú)法對(duì)膠體的吸附解吸行為進(jìn)行很好的解釋.

通過(guò)比較吸附實(shí)驗(yàn)和解吸實(shí)驗(yàn),盡管最終的環(huán)境相同,但卻有不同量的膠體吸附在多孔介質(zhì)表面.這里以空白組pH為11為例,在吸附實(shí)驗(yàn)和解吸實(shí)驗(yàn)中膠體的總恢復(fù)率分別達(dá)到了103%和75%,解吸實(shí)驗(yàn)組仍然有 25%的膠體吸附在介質(zhì)表面,而吸附實(shí)驗(yàn)組幾乎沒有膠體吸附上去.在pH為 11的環(huán)境下,幾乎沒有膠體可以吸附到介質(zhì)表面,而對(duì)于已經(jīng)吸附到介質(zhì)表面的膠體,我們將溶液的pH提高至11,吸附在介質(zhì)表面的膠體也未必會(huì)解吸下來(lái).這表明膠體的吸附不僅和最終的環(huán)境有關(guān),也與中間的吸附過(guò)程有關(guān).

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不利條件下增加溶液的 pH值可以使吸附在初級(jí)勢(shì)阱中的膠體解吸下來(lái),解吸的數(shù)量隨著 pH值的升高而增加.化學(xué)雜質(zhì)有利于膠體在初級(jí)勢(shì)阱中的吸附,然而因化學(xué)雜質(zhì)而發(fā)生吸附的膠體會(huì)隨著環(huán)境pH值的升高而釋放出來(lái).而當(dāng)溶液環(huán)境pH為10或高于10的情況下,化學(xué)雜質(zhì)對(duì)膠體吸附過(guò)程的影響可忽略不計(jì).膠體吸附的多少不僅與中間膠體的吸附解吸過(guò)程有關(guān),也和溶液的環(huán)境,尤其是高pH環(huán)境有關(guān).此外,傳統(tǒng)DLVO理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然存在一定的偏差,表明了DLVO理論存在局限性.本研究對(duì)高pH環(huán)境對(duì)膠體遷移的影響作了進(jìn)一步的研究,為將來(lái)的研究提供實(shí)驗(yàn)上的依據(jù).

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Impacts of high pH on transport of colloid in saturated porous media.

YUAN Rui-qiang1*, GUO Wei1,2, WANG Peng3, WANG Shi-qin4(1.School of Environment and Resource, Shanxi University, Taiyuan 030006, China；2.Institute of Resources and Environment Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China；3.Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China；4.key Laboratory of Agricultural Water Resources Research, Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3392～3398

The adsorption behaviors of colloid transported in untreated glass bead and acid-washed glass bead were compared to examine influences of high pH conditions. Results showed that adsorption of colloid reduced by increasing pH value due to detachment of colloid from the primary minimum under unfavorable conditions. Chemical impurities promoted attachment of colloid to primary minimum. However, a part of colloids attached by chemical impurities was released as pH value increased. Furthermore, the influence of chemical impurities on adsorption of colloid can be ignored when the pH value of solution exceeded 10. The amount of colloid adsorbed depends on not only the adsorption and desorption processes but also the final environment of solution, especially the high pH conditions. The limitation of the traditional DLVO theory was verified. The understanding about the role of high pH conditions during the process of colloid transport was improved.

colloid；adsorption；transport；saturated porous media；pH

X131

A

1000-6923(2017)09-3392-07

2017-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301033)

* 責(zé)任作者, 副教授, rqyuan@sxu.edu.cn

袁瑞強(qiáng)(1980-),男,山西太原人,副教授,博士,主要從事流域水循環(huán)與水環(huán)境研究.發(fā)表論文30余篇.