【摘要】：膠體顆粒(包括有機和無機膠體)主要來源于礦物和有機物質(zhì),這些物質(zhì)在地下環(huán)境中普遍存在。膠體顆粒還可以由于污染物的處理進入地下環(huán)境,例如垃圾填埋場和化糞池中的膠體。由于膠體尺寸小,因此它們很容易在多孔介質(zhì)中運移。膠體可以吸附低溶解度膠體并攜帶他們在地下環(huán)境中運移,例如金屬陽離子和陰離子。膠體在多孔介質(zhì)中運移主要取決于吸附和堵塞機制,吸附在膠體表面的污染物的運移也可由于膠體的吸附和阻塞而受到抑制。生物炭(BC)作為一種新興的改良劑,可以降低環(huán)境系統(tǒng)中污染物的生物利用度,以及增加土壤肥力和減緩氣候變化的作用。農(nóng)作物殘體制成的BC有很強的結(jié)合水中化學(xué)污染物的能力,這些污染物包括重金屬和有機污染物等。生物炭應(yīng)用于土壤中,可使無機、有機和病原微生物污染物的流動性和毒性降低。相反,由于生物炭具有很強的吸附污染物的能力,膠體態(tài)的生物炭顆粒也可以攜帶污染物促進這些污染物的運移。除了改善土壤物理性質(zhì)外,鹽漬化土壤中添加生物炭可以改善其陽離子交換量(CEC)和鹽的浸出平衡濃度,以此來減弱鹽漬化的有害影響。因此生物炭被認(rèn)為是環(huán)境管理措施的一個非常重要的材料。受有機/無機污染物污染的土壤和水可用生物炭作綠色環(huán)保吸附劑。為了弄清膠體(攜帶污染物)在飽和多孔介質(zhì)中的遷移和轉(zhuǎn)化行為,本研究采用Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理論和不同模型,通過在不同溶液離子強度的飽和多孔介質(zhì)中的土柱和批量實驗,系統(tǒng)地研究和定量化膠體的吸附和遷移機制。通過理論計算和實驗室土柱模擬,研究了生物炭對飽和多孔介質(zhì)中黏土膠體吸附和解吸的影響。盡管生物炭在土壤修復(fù)中的潛在應(yīng)用已經(jīng)被認(rèn)識到,但生物炭對黏土膠體遷移的影響以及膠體攜帶污染物在地下環(huán)境的轉(zhuǎn)化迄今尚不清楚。本研究進行了三步飽和土柱實驗,系統(tǒng)地研究了黏粒膠體在不同電解質(zhì)、不同離子強度下、pH為7的條件下的運移。所有土柱實驗均在5 × 10-5 ms-1的流速下進行。利用HYDRUS 1-D模擬軟件對獲得的穿透曲線進行了數(shù)值模擬,所采用的模型為對流-擴散方程(CDE)并耦合一級吸附和解吸動力學(xué),計算DLVO相互作用能來解釋吸附機制。模擬吸附速率或吸附效率與生物炭含量之間的呈線性關(guān)系(R2≥0.91),表明膠體在生物炭中比在砂子中更容易吸附。DLVO相互作用能計算結(jié)果表明,黏土膠體在生物炭中的吸附較多是由于生物炭表面上的半管狀空腔有利于次級勢阱的吸附,生物炭表面的納米級物理和化學(xué)非均質(zhì)性增加了初級勢阱的吸附。吸附的黏土膠體在NaCl中可以通過降低溶液離子強度而發(fā)生解吸,而二價陽離子(Ca2+)的存在導(dǎo)致不可逆的吸附,這是由于Ca2+在膠體和生物炭表面之間會形成陽離子橋接。黏土膠體在生物炭表面吸附和解吸不僅改變了它們在土壤中的狀態(tài),而且還會影響生物炭去除污染物的效率。因此,在將生物炭應(yīng)用于土壤修復(fù)之前,必須考慮生物炭對黏土膠體運移的影響。該研究還通過批量實驗和理論建模研究了溶液離子強度和粒徑對飽和砂多孔介質(zhì)中量子點(QD)納米顆粒的吸附和解吸的影響。QDs是新型工程納米顆粒(ENP)。預(yù)測這些ENP在地下環(huán)境中的運移和轉(zhuǎn)化對于了解它們的環(huán)境風(fēng)險非常重要。盡管已經(jīng)進行了許多包括QD的ENP的柱實驗以預(yù)測這些材料在地下環(huán)境中的傳輸,但是通過批量吸附研究需要清楚地理解較小QD納米顆粒在不同溶液IS中的吸附和解吸行為。在不同的溶液離子強度(IS)條件下,在批量實驗中系統(tǒng)地研究了 CdSeS/ZnS合金化QD納米顆粒的吸附和解吸。水溶性QDs懸浮液的濃度為10 mgL-1,直徑為6 nm,用作動力批量實驗中的模型膠體。在0.001,0.01,0.1和0.2 MNaCl溶液條件下,采用batch方法研究了 QD納米顆粒的平衡吸附和動力學(xué)吸附。在動力學(xué)吸附實驗中,不同的時間間隔(即0,5,10,30,60,120分鐘)條件下測量QDs懸浮液的濃度,以研究QDs在砂表面上的吸附行為。還進行了平衡吸附實驗來研究吸附QD納米顆粒的可逆性。批量系統(tǒng)中的QD納米顆粒的去除百分比隨著溶液IS的增加而增加,并且在0.2MNaCl溶液中去除百分比達到最高的。使用偽一級,偽二級動力學(xué)和Elovich模型模擬QDs在砂子表面上的吸附。平衡吸附等溫線數(shù)據(jù)由Langmuir,Freundlich和Temkin等溫模型擬合。我們的實驗結(jié)果表明QDs在砂表面上的吸附隨著溶液離子強度的增加而增加,并且發(fā)現(xiàn)在較高IS(例如0.1和0.2 M)下符合偽二級吸附模型。在所有離子強度條件下,考慮到R20.99,Langmuir是最佳擬合模型吸附等溫線模型最適合實驗數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的流體動力學(xué)的差異和吸附劑表面粗糙度的影響,使吸附速率在不同砂表面區(qū)域會發(fā)生變化。石英砂表面上具有納米級的物理和化學(xué)異質(zhì)性,這增加了QD納米顆粒在初級勢阱中的吸附。傳統(tǒng)DLVO理論預(yù)測不足以描述膠體和砂表面之間的相互作用能。在溶液中CdSeS/ZnS合金化QDs納米顆粒上存在羧基官能團對控制的QDs遷移率起關(guān)鍵作用。我們的研究表明(ⅰ)生物炭在施用于土壤修復(fù)之前必須明確生物炭對土壤過程的影響,因為生物炭對黏土膠體具有很強的吸附力。生物炭表面附著的黏土膠體對生物炭去除土壤中的各種有機和無機污染物既有正面影響也有負(fù)面影響。具體而言,附著的黏土膠體可以掩蓋生物炭表面上的活性位點從而降低對污染物的吸附,或者黏土膠體自身可以作為附加收集器吸附污染物。如果黏土膠體在存在二價陽離子(例如Ca2+)的條件下吸附,則黏土膠體相關(guān)污染物將在生物炭表面上不能解吸。相反,如果黏土膠體最初附著在1:1電解質(zhì)(例如NaCl)中,則黏土膠體會在溶液離子強度降低(例如,降雨事件)時解吸出污染物。(ⅱ)動力學(xué)模型證實了化學(xué)吸附機制在砂表面吸附QD納米粒子的優(yōu)勢。我們觀察到較大的膠體顆粒遵循動力學(xué)模型,而較小的膠體顆粒(包括離子)遵循平衡吸附等溫模型。(ⅲ)將物理(例如,減小收集器表面粗糙度或增加流速)和化學(xué)(例如,降低溶液離子強度)方法結(jié)合可有效的去除表面吸附的顆粒,這在許多工業(yè)和環(huán)境清潔過程中是必需的(例如,清潔半導(dǎo)體表面和修復(fù)受污染的土壤)。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X131.3;S141
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本文編號：2600150