球磨纳米生物炭在饱和多孔介质中的迁移与滞留机制研究
文摘
科学
2024-11-05 11:36
江苏
卷期：《土壤》2024年第56卷第4期
生物质炭在环境老化和风化作用下物理分解为尺寸小于100 nm的纳米生物质炭。纳米生物质炭在环境中具有较高的胶体稳定性和流动性，可以通过降雨、排水、灌溉、径流、渗透进入湖泊、海洋等地表水中，并垂直输送至深层土壤甚至地下水中。此外，纳米生物质炭对有机无机污染物、重金属和病原微生物等环境污染物表现出较高的吸附亲和性，很有可能通过“胶体促进”污染物向地下水系统迁移或共迁移。全面了解纳米生物质炭在环境中的归趋与滞留行为，对于优化生物质炭的利用、评估其在农业和环境修复应用中的潜在风险具有重要意义。因此，本研究采取球磨法制备纳米生物质炭，通过饱和石英砂柱试验研究了不同背景溶液离子强度（IS）(1、10、50 mmol/L)、pH(4、7、10)，以及流速(0.5、1、2 mL/min)条件下，球磨纳米生物质炭在饱和多孔介质中的迁移和滞留规律。利用两点动力学吸附模型拟合球磨纳米生物质炭的穿透与滞留曲线，结合DLVO理论，阐明球磨纳米生物质炭在饱和多孔介质介质中的迁移和滞留机制，为评估颗粒物在环境修复应用中的潜在风险提供理论依据。 ![]()
图1 不同离子强度（IS）、pH和流速条件下球磨纳米生物质炭的穿透曲线和滞留曲线
结果表明（图1），背景溶液的IS显著影响球磨纳米生物质炭的迁移，溶液IS的增大导致颗粒表面双电层压缩，从而增强球磨纳米生物质炭与石英砂表面负电荷的屏蔽效应，致使二者之间的排斥势垒及球磨纳米生物质炭的稳定性下降，最终导致球磨纳米生物质炭在石英砂表面沉积，迁移能力减弱。背景溶液的pH对球磨纳米生物质炭在多孔介质中的迁移影响较大，当溶液pH减小时，由于质子化作用石英砂和球磨纳米生物质炭表面的电负性减弱，Zeta电位绝对值随之减小，颗粒间的表面斥力减弱，从而降低球磨纳米生物质炭的迁移率。入流液的流速对球磨纳米生物质炭的迁移会产生较大影响，在较大的流速条件下，球磨纳米生物质炭在石英砂柱中的滞留时间因平流扩散影响而减少，同时水流剪切作用的增强更是促进球磨纳米生物质炭迁移的主要原因。DLVO理论与两点动力学吸附模型解释了球磨纳米生物质炭在饱和石英砂柱中的迁移与滞留行为及作用机制。球磨纳米生物质炭与石英砂之间的最大势垒促进球磨纳米生物质炭的迁移，而次级势阱、团聚效应、颗粒物表面电荷异质性带来的沉降是球磨纳米生物质炭滞留的主要原因。主要从事新污染物的环境风险与控制、土壤污染与修复等方面的研究。
