多孔介質(zhì)中膠體行為及其影響效應(yīng)研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，濱海地區(qū)水資源日益緊缺。由于地下水的過(guò)量開(kāi)采，導(dǎo)致海水入侵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。目前，對(duì)于海水入侵的修復(fù)方法主要是人工回灌含水層。但在回灌過(guò)程中，由于水文地球化學(xué)和水動(dòng)力學(xué)的擾動(dòng)，會(huì)引起咸-淡水界面和水-氣界面的膠體顆粒釋放、絮凝、遷移-沉積等一系列過(guò)程。這一系列膠體過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致含水層結(jié)構(gòu)的破壞和滲透性的突變，進(jìn)而降低含水層修復(fù)效率。本文在系統(tǒng)分析、測(cè)定研究區(qū)(青島大沽河下游)含水介質(zhì)、膠體、水樣的物理化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)

2、上，通過(guò)室內(nèi)批量試驗(yàn)、砂柱試驗(yàn)、顯微鏡切片試驗(yàn)、微型玻璃柱等方法，從微觀和宏觀尺度上對(duì)咸-淡水界面和水-氣界面上的膠體過(guò)程及其影響效應(yīng)進(jìn)行了研究。
　　 通過(guò)批量和砂柱試驗(yàn)對(duì)咸淡水界面在咸-淡水界面膠體過(guò)程及其影響效應(yīng)進(jìn)行了定量研究。研究發(fā)現(xiàn)，(1)通過(guò)批量和砂柱試驗(yàn)證實(shí)粘土顆粒的臨界釋放濃度(CSC)和臨界絮凝濃度(CFC)存在明顯差異，臨界絮凝濃度低于臨界鹽濃度。試驗(yàn)確定了粘土顆粒對(duì)于NaCl溶液和海水/河水混合溶液的臨界鹽

3、濃度分別為60mmol/L和6800μs/cm，臨界絮凝濃度分別為40mmol/L和4800μs/cm。釋放出來(lái)的顆粒的絮凝對(duì)滲透性降低具有顯著作用。(2)鹽濃度突變和漸變?cè)囼?yàn)結(jié)果顯示，鹽濃度突變?cè)囼?yàn)中滲透性的降低幅度比鹽濃度漸變?cè)囼?yàn)時(shí)要大。鹽濃度突變過(guò)程中大量被釋放的顆粒引起的孔隙阻塞、中斷是滲透性降低的主要原因。而鹽度漸變過(guò)程中顆粒是逐步釋放的，顆粒濃度較低，堵塞孔隙的可能性降低，孔隙堵塞作用對(duì)滲透性的影響比突變?cè)囼?yàn)要小。因此，除了

4、堵塞作用以外，粘粒的膨脹和被釋放粘粒的絮凝、沉積對(duì)滲透性降低的作用顯得更加重要。(3)通過(guò)定水頭試驗(yàn)和定流速試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定水頭試驗(yàn)中滲透性的降低程度比定流速條件時(shí)滲透性的降低程度大，顆粒的累計(jì)流出量分別為138mg和236mg。在本試驗(yàn)條件下，粘土顆粒的運(yùn)移速度均處于穩(wěn)流態(tài)，佩克列數(shù)(Pe)比較大。根據(jù)顆粒佩克列數(shù)與無(wú)量綱的堵塞參數(shù)γ之間的回歸方程分析可以發(fā)現(xiàn)，在本試驗(yàn)條件下，顆粒的堵塞現(xiàn)象比較輕。沉積顆粒引起的水動(dòng)力阻力很小，水動(dòng)力阻力

5、主要是多孔介質(zhì)造成的。
　　 通過(guò)顯微鏡切片和微型玻璃柱試驗(yàn)，利用激光共聚焦掃描電鏡和ImageJ軟件計(jì)算對(duì)水-氣界面上膠體顆粒釋放進(jìn)行了定量研究。(1)膠體顆粒在水-氣界面上存在明顯的釋放。絕大部分的顆粒釋放都發(fā)生在第一次界面移動(dòng)過(guò)程中。疏水膠體比親水膠體更易被水-氣界面所吸附，因此更易釋放。對(duì)于疏水膠體來(lái)說(shuō)，不論帶正電還是帶負(fù)電的膠體，顆粒的釋放率都比較高，且差別不大；而親水的膠體顆粒，帶負(fù)電膠體顆粒的釋放率明顯高于帶正電的

6、膠體顆粒。(2)膠體顆粒的釋放率隨著界面移動(dòng)速度的加快而降低。在相同流速下，帶負(fù)電膠體顆粒釋放率更高，帶正電膠體的釋放對(duì)水-氣界面的移動(dòng)速度更敏感。在本試驗(yàn)條件下，水-氣界面移動(dòng)速度較低(0.4-400cm/h)，膠體顆粒的釋放率均比較高，膠體顆粒的釋放與界面移動(dòng)速度成非線(xiàn)性關(guān)系。(3)前進(jìn)接觸角和后退接觸角對(duì)于膠體顆粒在水-氣界面上釋放的影響存在明顯差異。從激光共聚焦掃描電鏡圖像中看出，在界面移動(dòng)速度相同的條件下，前進(jìn)接觸角為實(shí)際接觸