泡沫去除含水層硝基苯微觀過程及其穩(wěn)定化機(jī)理

范 野,楊朝格,張瀚元,其布日,董 軍

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泡沫去除含水層硝基苯微觀過程及其穩(wěn)定化機(jī)理

范 野,楊朝格,張瀚元,其布日,董 軍*

(吉林大學(xué)環(huán)境工程系,吉林 長(zhǎng)春 130021)

為了研究泡沫在地層多孔介質(zhì)中的微觀滲流行為、去除污染物的過程和機(jī)理,以及納米SiO2顆粒對(duì)泡沫穩(wěn)定性能的影響,制作了真實(shí)砂巖微觀模型并利用硬脂酸鈉對(duì)納米SiO2顆粒進(jìn)行了改性以穩(wěn)定泡沫.結(jié)果表明,泡沫在多孔介質(zhì)中的生成、破滅和運(yùn)移是同時(shí)發(fā)生的,其生成方式與注入氣流速度有關(guān),破滅與氣體擴(kuò)散有關(guān),運(yùn)移則是以大部分被孔道所捕集而少部分以氣泡鏈的形式進(jìn)行;泡沫去除污染物硝基苯的方式包括乳化增溶、剝離攜帶和封堵作用,其中封堵作用是主要方式;疏水改性的納米SiO2顆粒對(duì)泡沫的穩(wěn)定性有極大的提升,添加的納米顆粒濃度越大,穩(wěn)定性越強(qiáng);納米SiO2顆粒穩(wěn)定的泡沫在模擬中遷移時(shí)仍具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,隨著泡沫注入體積的增大,注入壓力及阻力因子增大,封堵效應(yīng)增強(qiáng).

泡沫；穩(wěn)定性；納米SiO2；封堵效應(yīng)

表面活性劑淋洗技術(shù)常用于污染場(chǎng)地的修復(fù)中,通過增加溶解度、吸附、絡(luò)合和增流等作用,去除污染物[1-3].該技術(shù)受地層條件影響較大.首先,易產(chǎn)生孔道效應(yīng),即表面活性劑在修復(fù)過程中會(huì)優(yōu)先沿著滲透性較高的孔道流動(dòng),對(duì)于低滲透或者非均質(zhì)地層,其修復(fù)效果有限;其次,表面活性劑受本身重力影響,且溶解污染物后密度可能增大,引起垂向遷移,不易控制,有造成二次污染的可能[4].針對(duì)以上問題,有研究者提出原位表面活性劑泡沫強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)[2,5-6].泡沫不僅具有表面活性劑本身增溶、降低界面張力等特點(diǎn),而且是一種氣液混合體系,在多孔介質(zhì)中遷移時(shí),能夠降低非均質(zhì)地層的滲透性差異,從而有效避免繞流現(xiàn)象[7-9].

泡沫在多孔介質(zhì)中的遷移受注入壓力、泡沫穩(wěn)定性、流體粘度、尺寸、注入速度、表面活性劑本身性質(zhì)以及介質(zhì)滲透性等[8-11]因素的影響.其中,泡沫注入壓力的變化受到泡沫穩(wěn)定性的影響,泡沫的穩(wěn)定性越強(qiáng),注入壓力越大[9];提高泡沫穩(wěn)定性,能夠減弱泡沫遷移時(shí)的賈敏效應(yīng),增加在低滲透層遷移的波及系數(shù)[12],從而增加了泡沫對(duì)地層污染物的去除效率.在提升泡沫穩(wěn)定性的研究中,復(fù)配穩(wěn)泡劑是最為有效的方法,常用的有聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、黃原膠等高聚物增粘型穩(wěn)泡劑[13-16],其作用機(jī)理是通過提高泡沫體系的表觀粘度,增強(qiáng)液膜厚度,從而減緩泡沫的排液速度,降低氣體擴(kuò)散作用, 增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性,但是此類穩(wěn)泡劑因?yàn)檎扯容^大,對(duì)于注入壓力要求較高,對(duì)起泡體積也有著較大的影響,而且所留下的產(chǎn)物對(duì)于地層也有損害作用[13,17].

在石油領(lǐng)域中,有學(xué)者對(duì)于納米SiO2穩(wěn)定泡沫的理論、影響因素和作用優(yōu)勢(shì)等做了相關(guān)研究[14-15],目前主要集中在穩(wěn)泡機(jī)理和靜態(tài)評(píng)價(jià)等基礎(chǔ)性研究方面[18].相比于利用高聚物類穩(wěn)定泡沫,納米顆粒對(duì)起泡液的表觀粘度影響較小,在穩(wěn)定泡沫的同時(shí),對(duì)于泡沫注入壓力的提升并不是很高,而且SiO2是一種無毒害的穩(wěn)定氧化物,不會(huì)對(duì)造成地層損害,有很大的研究?jī)r(jià)值.目前,納米顆粒穩(wěn)定的泡沫對(duì)多孔介質(zhì)中有機(jī)污染物的去除尚未見相關(guān)研究報(bào)道;此外,目前對(duì)于泡沫去除土壤中有機(jī)污染物的研究,多是從宏觀模擬柱、模擬槽尺度上進(jìn)行研究[8,19],雖然有學(xué)者以刻蝕模型為對(duì)象研究泡沫微觀上對(duì)污染物的去除[20-21],但是這種研究方法所采用刻蝕模型并不能模擬真實(shí)的地層砂巖條件,有一定的局限性.

本實(shí)驗(yàn)研究利用真實(shí)砂巖微觀模型研究泡沫在多孔介質(zhì)中的滲流行為;利用納米SiO2穩(wěn)定泡沫,并探究其穩(wěn)定機(jī)理及泡沫在模擬柱中遷移時(shí)的阻力因子變化情況,從而分析納米顆粒穩(wěn)定泡沫對(duì)污染物的去除能力.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

起泡液為表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS,分子式C12H25SO4Na,相對(duì)分子質(zhì)量288.38),化學(xué)純,上海國(guó)藥試劑;環(huán)氧樹脂膠,E-44,西亞試劑;甲醇、乙二胺、鄰苯二甲酸二丁酯,分析純,上海國(guó)藥試劑;納米SiO2,99.5%,(15±5)nm,麥克林.

納米材料改性:回流冷凝管、四頸瓶、恒溫水浴鍋、離心機(jī)(FULGOR TDL-5A)、磁力攪拌器.

泡沫產(chǎn)生及評(píng)價(jià)裝置:攪拌機(jī)、1000mL量筒.

微觀滲流實(shí)驗(yàn)裝置:氣體流量計(jì)(LZB-2, 0.6~ 6mL/min)、蠕動(dòng)泵、顯微鏡等;選取粒徑分別為0.125mm的紅色彩砂和0.25mm的石英砂,用于模擬滲透性較低的地層砂巖粒徑.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 泡沫制備及其評(píng)價(jià)指標(biāo) 分別稱取1,3,5,7g的SDS溶于1000mL去離子水中,超聲分散使其充分溶解,靜置2h,待用.在常溫(25℃)條件下,取配好的SDS溶液100mL倒入攪拌器的量杯中,在12000r/ min的條件下攪拌3min,將生成的泡沫迅速轉(zhuǎn)移至1000mL量筒中,記錄產(chǎn)生的泡沫體積(mL)用于衡量溶液的起泡能力.隨時(shí)間的推移,液體不斷從泡沫中析出,記錄泡沫中排出50mL液體所需要的時(shí)間(s),即為泡沫的析液半衰期,用此時(shí)間衡量泡沫的穩(wěn)定性.

1.2.2 納米SiO2顆粒的改性 將10g納米SiO2顆粒和200mL的去離子水置于四頸瓶中攪拌加熱,隨后加入2.5g硬脂酸鈉,在80℃的條件下恒溫反應(yīng)2~3h,反應(yīng)結(jié)束后,將溶液冷卻轉(zhuǎn)出至50mL離心管,在5000r/min的條件下離心分離5min,取沉淀的SiO2顆粒,用無水乙醇清洗2~3次,再用去離子水清洗2次,干燥.得到疏水改性的納米SiO2.

1.2.3 納米SiO2顆粒疏水程度表征 納米SiO2顆粒的疏水程度可用親油化度的大小表征,即甲醇值.將0.2g制得的改性納米SiO2顆粒放入盛有50mL去離子水的燒杯中,在磁力攪拌器磁力攪拌(200r/min)的條件下,向燒杯中緩慢滴入甲醇,原本浮在水面的納米SiO2顆粒會(huì)漸漸溶于水中,記錄全部溶解時(shí)消耗甲醇的量;消耗甲醇越多,證明疏水性越好. 甲醇值計(jì)算公式如下:

m=100/(50+) (1)

式中:為消耗甲醇的量,mL;m為甲醇值,無單位.

1.2.4 砂巖微觀模型的制作 (1) 將環(huán)氧樹脂、乙二胺和鄰苯二甲酸二丁酯按照20:2:1的比例混合,配制環(huán)氧樹脂膠;在70~80℃條件下,加熱.

(2) 將配制好的環(huán)氧樹脂膠涂抹在2塊玻璃平板上(150mm×50mm×2mm),膠層要薄,避免在顯微鏡下影響觀察.

(3) 在膠面上灑上彩砂或石英砂,修理平整,放置2h,待膠干,再次修理邊緣;邊緣修整后放置2h,待膠干透.

(4) 按(1)中步驟配制環(huán)氧樹脂膠,環(huán)氧樹脂量稍多些,涂抹于邊緣,膠層厚度略高于沙面,將2塊玻璃平板蓋合,不能留有孔隙和氣泡;在玻璃平板上壓上重物,4h后待膠干透,即制作成功;在左右兩端合適位置處打孔,安裝玻璃導(dǎo)管,作為注入井和出水井.

將表面活性劑溶液和氣體同時(shí)從注入井中按照一定的流速注入,在顯微鏡下觀察泡沫的滲流現(xiàn)象.圖1為顯微鏡下同一位置處多孔介質(zhì)的孔隙及泡沫圖,可以清晰看到孔隙結(jié)構(gòu)和泡沫形狀.為了突出對(duì)比觀察,后續(xù)實(shí)驗(yàn)中泡沫滲流實(shí)驗(yàn)用0.125mm紅色彩砂;微觀驅(qū)替污染物實(shí)驗(yàn)選用0.25mm白色石英砂.

1.2.5 微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn) 利用制得的砂巖微觀模型,在注入端通入空氣(2~6mL/min)和表面活性劑(2mL/ min)起泡,在顯微鏡下觀察,分析泡沫的生成、破滅和運(yùn)移現(xiàn)象;將硝基苯用油紅(Ⅲ)染色后,先將硝基苯以0.2mL/min的速度緩慢注入模型內(nèi),飽和整個(gè)模型;再將表面活性劑與氣體同時(shí)從注入井注入形成泡沫,在顯微鏡下觀察泡沫驅(qū)替污染物過程,分析泡沫去除污染物的機(jī)理.

圖1 顯微鏡下砂巖微觀模型孔隙及泡沫(′100) Fig.1 Microscopic pore and foam under a microscope

1.3 模擬柱實(shí)驗(yàn)

模擬柱為有機(jī)玻璃柱,側(cè)面有三個(gè)測(cè)壓口,分別距離入口端125,250,375mm;模擬柱中均勻填滿石英砂(粒徑0.25mm),在模擬柱的頂端和底端分別裝有細(xì)孔徑紗網(wǎng)以防止石英砂流出以及保證布水的均勻性;以流速2mL/min通入去離子水,計(jì)算出孔隙體積(PV)為2980mL;模擬柱持續(xù)通入去離子水至飽和,當(dāng)壓力穩(wěn)定后測(cè)量?jī)啥藟翰?記為基礎(chǔ)工作壓差△b;當(dāng)通入泡沫時(shí),兩端壓差記為工作壓差△f; 同時(shí)記錄不同體積倍數(shù)泡沫流動(dòng)時(shí)在不同位置處的壓力值,記為沿程壓力.實(shí)驗(yàn)用阻力因子來評(píng)價(jià)泡沫的封堵性能,阻力因子越大,封堵性能越好,其計(jì)算公式如下:

RF=?f/?b(2)

式中:RF為泡沫阻力因子,無量綱;△f為泡沫工作壓差;△b為基礎(chǔ)工作壓差.

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫微觀滲流機(jī)理研究

2.1.1 多孔介質(zhì)中泡沫的生成 如圖2所示,通過制作的砂巖微觀模型觀察可以發(fā)現(xiàn),多孔介質(zhì)中的泡沫是一種氣液分散體系,觀察到泡沫的產(chǎn)生有3種途徑.

第一種是液膜滯后,如圖2(a)、2(b),即當(dāng)在注入井周圍氣體的注入速度較小時(shí)(3mL/min),氣體接觸的液面就會(huì)被擠壓形成較薄的液膜,氣體驅(qū)使液膜端向前移動(dòng),且多為連續(xù)的.這種方式會(huì)形成大量的液膜堵塞孔隙通道,造成“氣阻效應(yīng)”,使氣體的流動(dòng)性減少,減少了氣竄現(xiàn)象的發(fā)生.

圖2 多孔介質(zhì)中泡沫的生成 Fig.2 Generation of foam in porous medium

第二種是頸縮分離,如圖2(c)、2(d),即當(dāng)注入氣體的速度逐漸增大時(shí),氣泡高速穿過吼道進(jìn)入另一側(cè),此時(shí)由于氣泡的體積擴(kuò)大而導(dǎo)致毛管壓力減小,液相中產(chǎn)生的壓力梯度使周圍的液體重新聚集到吼道中,當(dāng)毛管壓力降低到臨界值時(shí),氣泡被液體截?cái)?產(chǎn)生新的獨(dú)立氣泡.在分析圖像時(shí)發(fā)現(xiàn),縮頸分離現(xiàn)象會(huì)在某一孔隙吼道處重復(fù)發(fā)生,生成的氣泡可以流動(dòng)或者是在某處聚集堵塞氣流通道,而且停留的情況占大多數(shù).

第三種是薄膜分段,如圖2(e)、2(f),即產(chǎn)生在液膜滯后和縮頸分離后,泡沫在流動(dòng)到兩條或兩條以上的通道時(shí)產(chǎn)生分段的現(xiàn)象,一部分沿著較大的通道繼續(xù)運(yùn)移,另一部分則會(huì)分裂成若干更為細(xì)小的泡沫繼續(xù)運(yùn)移;與頸縮分離相類似,所形成的分散氣泡能夠流入或者堵塞氣體孔道.

2.1.2 多孔介質(zhì)中泡沫的破滅 通過觀察微觀模型可以發(fā)現(xiàn),多孔介質(zhì)中產(chǎn)生的泡沫是一種不穩(wěn)定的分散體系,流動(dòng)過程中伴隨著泡沫的破滅與再生,泡沫破滅主要因素包括以下兩個(gè)原因:第一,泡沫本身是一種不穩(wěn)定的熱力學(xué)體系,為了趨于一種穩(wěn)定的趨勢(shì),最終會(huì)自我破滅來實(shí)現(xiàn)這種穩(wěn)定,即液膜破滅;第二,泡沫在多孔介質(zhì)中的大小并不均勻,通常小氣泡內(nèi)部的壓力大于大氣泡,這就導(dǎo)致小氣泡中的氣體容易竄出進(jìn)入相鄰的大氣泡內(nèi),所以會(huì)產(chǎn)生小氣泡變小或者消失,大氣泡變大甚至膨脹破滅的現(xiàn)象,即氣體擴(kuò)散.氣體擴(kuò)散是泡沫破滅的主要因素.

從微觀層面上分析,為了提升泡沫的穩(wěn)定性,可以從以下幾點(diǎn)考慮,第一,通過增加液膜的厚度,減少泡沫的破滅速度,比如添加高聚物;第二,改變起泡溶液的性質(zhì),使液膜表面和氣泡內(nèi)部能量接近,延緩泡沫破滅,比如添加表面活性劑;第三,增加泡沫尺寸的均勻性,減小泡沫之間相互影響.

2.1.3 多孔介質(zhì)中泡沫的運(yùn)移 因?yàn)榕菽旧淼倪\(yùn)移速度要比液相運(yùn)移速度較慢,所以多孔介質(zhì)中泡沫的運(yùn)移可以看成2個(gè)部分,氣相的運(yùn)移和液相的運(yùn)移.通過對(duì)微觀模型中泡沫運(yùn)移過程的分析,可以發(fā)現(xiàn)以氣泡形式運(yùn)移只占了很少的部分,如圖3所示,少部分氣泡以氣泡鏈的形式移動(dòng),大部分氣泡在模型孔隙中處于不流動(dòng)狀態(tài),即被孔隙捕集;這些被捕集的氣泡對(duì)孔隙進(jìn)行了封堵,大大降低了氣泡的流動(dòng)性.泡沫中的液相有未形成泡沫的液體部分和形成泡沫的液膜部分.液體部分會(huì)在氣體的作用下不斷變化,形成液膜;形成液膜的部分在泡沫破滅后重新成為液體.

圖3 氣相、液相運(yùn)移實(shí)驗(yàn)Fig.3 Migration of gas and liquid phase

2.2 泡沫微觀驅(qū)替硝基苯的過程研究

2.2.1 泡沫驅(qū)替硝基苯實(shí)驗(yàn) 以油紅(Ⅲ)染色的硝基苯作為污染物,在砂巖微觀模型中用泡沫進(jìn)行驅(qū)替去除.如圖4,顏色較深部分為油紅(Ⅲ)染色的硝基苯,白色不規(guī)則形狀部分為石英砂,驅(qū)替過程中,孔隙被液相或者泡沫所占據(jù).

圖中硝基苯在多孔介質(zhì)模型中被泡沫不斷驅(qū)替出來,顏色由深變淺;驅(qū)替過程可以分為2個(gè)階段,不同階段的反應(yīng)有些區(qū)別,流動(dòng)情況也有所不同.

第一階段:如圖4(a)所示,泡沫主要以液膜滯后的形式運(yùn)移,形成的泡沫較少,此時(shí)硝基苯部分被乳化與泡沫一起驅(qū)替出來.

圖4 泡沫驅(qū)替污染物過程示意 Fig.4 Process of foam displacement

第二階段:如圖4(b)所示,泡沫逐漸增多,且不斷被孔隙所捕集,處于長(zhǎng)時(shí)間停留狀態(tài),只有少量泡沫以氣泡鏈的形式不斷運(yùn)移,此時(shí)泡沫比較穩(wěn)定;氣體從中間部分運(yùn)移,剩余的硝基苯不斷被泡沫驅(qū)替出模型.在模型末端的出口處,泡沫攜帶有被染色的硝基苯.此外,被孔隙捕集的泡沫形成了封堵,造成了多孔介質(zhì)局部滲透性減小,泡沫流動(dòng)阻力變大,迫使后續(xù)進(jìn)入的液體和泡沫改向其他通道,從而提高了流體整體的波及面積.

2.2.2 泡沫去除多孔介質(zhì)中硝基苯的機(jī)理 分析砂巖微觀模型中泡沫去除污染物的過程,可以看出并非單獨(dú)的物理或者化學(xué)作用過程,而是幾種去除方式的結(jié)合,包括乳化增溶、剝離攜帶以及封堵作用,其中封堵作用是最主要的方式.

首先,泡沫的封堵作用是指泡沫在流動(dòng)過程中不斷被孔隙捕集,同時(shí),在驅(qū)替壓力的作用下,小氣泡不斷聚集形成大氣泡,在局部形成封堵,造成此部分滲透性能降低,使后進(jìn)入的氣泡有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)入原本不能進(jìn)入的滲透性較低的區(qū)域,從而擴(kuò)大了波及面積.

其次,泡沫是表面活性劑與氣體共同作用生成的,在泡沫驅(qū)替時(shí),表面活性劑能夠降低硝基苯與水之間的表面張力,將其乳化成水包油(O/W)的乳狀液,大幅度降低了硝基苯的黏度,提高其流動(dòng)性;同時(shí),表面活性劑的存在可以使吸附在顆粒上的硝基苯解吸溶解于表面活性劑內(nèi);這兩種作用易于污染物的去除.

再次,泡沫反復(fù)通過同一通道時(shí)可能發(fā)生剝離現(xiàn)象,將硝基苯從孔隙中拖拽攜帶出來,沿著壓力梯度減小的方向運(yùn)移,此過程屬于物理作用.

泡沫的封堵是泡沫能夠去除多孔介質(zhì)中污染物的主要原因,與單獨(dú)利用表面活性劑增溶、絡(luò)合等作用去除污染物的原理有所不同,封堵作用中,泡沫的穩(wěn)定性起著極為重要的作用;穩(wěn)定性越強(qiáng),泡沫越不容易破滅,越容易占據(jù)介質(zhì)孔隙,封堵作用越明顯,后續(xù)進(jìn)入的流體更容易進(jìn)入滲透性較低的區(qū)域,提高泡沫穩(wěn)定性對(duì)于去除含水層的污染物有著重要的意義.

2.3 濃度配比優(yōu)選

2.3.1 表面活性劑濃度對(duì)泡沫性能的影響 分別配制濃度為1,3,5,7g/L的SDS溶液,高速攪拌起泡,記錄起泡體積并測(cè)定其析液半衰期.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.泡沫的析液半衰期隨著濃度增大先增加后減小,當(dāng)SDS溶液濃度為3g/L時(shí),析液半衰期最長(zhǎng),其穩(wěn)定性最好;當(dāng)濃度大于3g/L時(shí),起泡體積增加而析液半衰期減小,其原因在于隨著起泡體積的增加,泡沫尺寸變大,泡沫之間的相互作用如擠壓形變以及泡沫內(nèi)部的氣體擴(kuò)散變得明顯,從而造成泡沫的穩(wěn)定性的降低.后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇濃度為3g/L的SDS溶液作為起泡液.

圖5 表面活性劑濃度對(duì)泡沫性能的影響 Fig.5 Effect of SDS mass fraction on foam properties

2.3.2 改性對(duì)納米顆粒表面性質(zhì)的影響 如表1所示,利用硬脂酸鈉進(jìn)行改性的納米SiO2其甲醇值可以達(dá)到6.54,而未改性的SiO2顆粒甲醇值為0.這表明在恒溫加熱攪拌的作用下,硬脂酸鈉以疏水的碳鏈朝外,而羧基朝內(nèi)吸附在納米顆粒表面,從而具有一定的疏水性能.

2.3.3 改性前后納米SiO2顆粒對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響 如圖6所示,加入改性納米SiO2顆粒,對(duì)泡沫的析液半衰期有著較為明顯的影響,當(dāng)加入的SiO2濃度較小時(shí)(小于5g/L),析液半衰期先增大后減小.在1g/L時(shí),其半衰期最大,從最初的328s提升到760s,提升倍數(shù)達(dá)2.3倍;當(dāng)加入的SiO2濃度較大時(shí)(大于5g/L),析液半衰期逐漸增大,半衰期由328s增加至1050s,增加了3.2倍;從圖中可知,納米SiO2顆粒在增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性的同時(shí),泡沫的起泡體積會(huì)相應(yīng)的減小,起泡體積從最初的650mL降低至470mL,泡沫體積降低了28%;泡沫變得細(xì)密均勻使得泡沫起泡體積減小,泡沫之間尺寸的差異性減小,減弱了氣體的擴(kuò)散速度和泡沫之間的相互作用,因此泡沫穩(wěn)定性增加.后續(xù)實(shí)驗(yàn)起泡液SDS濃度為3g/L,納米SiO2顆粒的濃度為30g/L.

表1 改性前后納米顆粒甲醇值變化 Table 1 Comparison of hydrophobicity between modified and unmodified silica particles

圖6 納米SiO2顆粒濃度對(duì)泡沫性能的影響 Fig.6 Effect of nano-SiO2 mass fraction on foam properties

2.4 SiO2增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性機(jī)理分析

改性前粒子由于親水性較強(qiáng)而主要存在于分散相和外層液膜上,雖然一定程度上增加了液膜的粘彈性模量,但是液膜由于受到納米顆粒重力影響和氣體擴(kuò)散作用,容易破裂.

改性后,納米顆粒進(jìn)入泡沫內(nèi)部,泡沫的尺寸相對(duì)變小,泡沫之間的相互作用減弱,而且液膜內(nèi)表面形成致密的殼膜,氣體不易逸出,從而穩(wěn)定性增強(qiáng).SiO2濃度較低時(shí),大部分位于液相中,但穩(wěn)泡作用只有當(dāng)納米顆粒吸附在液膜界面上時(shí)才能形成.隨著濃度增加,納米SiO2顆?？拷耗?泡沫趨于穩(wěn)定,但吸附在液膜界面的粒子之間的相互作用較強(qiáng),包殼不完全,且泡沫受到氣體擴(kuò)散作用和顆粒的重力作用,液膜較薄易破滅,穩(wěn)定性增加不明顯; SiO2濃度較高時(shí),由于疏水性進(jìn)入泡沫內(nèi)部,SDS分子和納米粒子之間起協(xié)同作用,使得納米顆粒吸附在氣泡內(nèi)表面形成致密的殼狀結(jié)構(gòu),減弱了氣泡內(nèi)氣體的逸出,同時(shí)增加液膜的厚度和剛性強(qiáng)度,減緩氣泡之間的合并,液膜不易破滅,穩(wěn)定性增加.

2.5 納米顆粒對(duì)泡沫阻力因子的影響

由圖7可知,SDS溶液在加入改性納米SiO2顆粒后,泡沫在模擬柱中遷移的阻力因子為96.2,要明顯高于未添加納米顆粒所形成的泡沫(77.8);隨著泡沫注入體積的增加,阻力因子逐漸增大;證明添加改性納米SiO2后產(chǎn)生的泡沫具有較強(qiáng)的封堵性能.

圖7 泡沫注入體積對(duì)阻力因子變化的影響 Fig.7 Effect of the injected volum on resistance factor

分析公式(2)可知,工作壓差與阻力因子呈正相關(guān),所以壓差越大、封堵性能越強(qiáng),泡沫越穩(wěn)定.模擬柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改性納米SiO2顆粒穩(wěn)定的泡沫在遷移過程中仍具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和封堵性能.

由圖8可知,改性納米顆粒穩(wěn)定的泡沫形成的封堵壓力要明顯大于未添加穩(wěn)泡劑的泡沫;沿程壓力變化表明,隨著注入泡沫量的增多,在入口端泡沫注入所需要的注入壓力也逐漸增加,沿程壓力隨著距離的增加而變小.

3 結(jié)論

3.1 在砂巖微觀模型中,泡沫的生成、破滅和運(yùn)移是同時(shí)發(fā)生的,氣體流速較小時(shí),以薄膜滯后為主,氣體流速較大時(shí)以縮頸分離和薄膜分段為主;泡沫運(yùn)移過程中大部分泡沫被多孔介質(zhì)孔隙所捕集,少部分以泡沫鏈的形式流動(dòng).

3.2 泡沫去除污染物的主要原因包括乳化增溶、剝離攜帶和封堵作用,其中,封堵作用是主要原因,封堵能力越強(qiáng),泡沫波及面積越大,去除能力越強(qiáng).

3.3 經(jīng)疏水改性的納米SiO2顆粒對(duì)泡沫的穩(wěn)定性能有著明顯的提升.SiO2濃度較小時(shí),析液半衰期先增大后減小,在1g/L時(shí),其半衰期最大,達(dá)760s;當(dāng)加入的SiO2濃度較大時(shí),析液半衰期逐漸增大,半衰期可達(dá)1050s.

3.4 納米顆粒穩(wěn)定的泡沫有著較強(qiáng)的穩(wěn)定性能,泡沫穩(wěn)定性越強(qiáng),封堵性能越強(qiáng),代表著去除污染物的能力越強(qiáng),但是注入壓力會(huì)變大;泡沫注入體積的增加,也會(huì)增大注入壓力.

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Microscopic-process of foam removing nitrobenzene from aquifer and its stabilization mechanism.

FAN Ye, YANG Chao-ge, ZHANG Han-yuan, QI Bu-ri, DONG Jun*

(1.Department of Environmental Engineering, Jilin University, Changchun 130021, China)., 2019,39(3)：1061~1067

In order to study the microscopic percolation of foam, the process and mechanism of removing organic solvents, and the effect of nano-silica particles on the foam properties in the porous media, sandstone micromodel was made and nano-silica particles was modified with sodium stearate. The results showed that the formation, breakdown and migration of foam in porous media were simultaneous. The formation was related to the velocity of injection flow, the breakdown was related to the gas diffusion; A small portion of foam was carried out in the form of a bubble chain while most foam was trapped by pore. The removal of pollutants included emulsification, foam stripping and plugging, and plugging was the main way. Modified nano-silica particles can improve the stability of foam obviously, and there was a positive correlation between concentration and stability. The foam stabled by nano-silica particles still has strong stability when the foam was migrated in the simulation column. With the increase of the foam injection volume, the injection pressure and resistance factor increased, and the blocking effect is enhanced.

foam；stabilization；nano-silica particles；plugging effect

X54

A

1000-6923(2019)03-1061-07

范 野(1993-),男,重慶彭水人,吉林大學(xué)碩士研究生,主要從事污染場(chǎng)地控制與修復(fù)研究.發(fā)表論文1篇.

2018-08-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3A417C351425)

* 責(zé)任作者, 教授, dongjun@jlu.edu.cn