蒸汽-空气混合注入参数对污染场地NAPL修复效率的耦合机制研究与优化策略

本研究针对蒸汽强化提取(SEE)技术中蒸汽冷凝阻碍NAPL修复效率的关键问题，构建了热-流-浓度-湿度(THCM)耦合模型，首次系统分析了蒸汽-空气混合物的温度与相对湿度对污染物相变的影响。研究发现降低相对湿度可提升89%至74.3%的NAPL去除率，并提出阈值匹配策略，为低能耗热修复提供了参数优化依据。

　　

随着工业化进程加速，有机污染场地修复已成为环境岩土工程领域的重大挑战。传统土壤气相抽提(SVE)技术受限于土壤渗透性和污染物挥发性，而新兴的蒸汽强化提取(SEE)技术通过注入蒸汽-空气混合物，既能利用蒸汽高比焓实现非水相液体(NAPL)的相变，又能通过压力梯度形成对流，显著缩短修复周期。然而该技术存在致命短板：蒸汽在温度梯度作用下发生冷凝，不仅阻碍热量传递，还会导致NAPL重新凝结并向下迁移，造成二次污染。更棘手的是，现有模型多忽略相间传质(interphase mass transfer)与相变(phase change)的耦合作用，难以准确预测实际修复效果。

针对这一难题，中国科学院团队开发了首个整合NAPL挥发-溶解、水蒸发-蒸汽冷凝全过程的热-流-浓度-湿度(THCM)耦合模型。通过建立一阶动力学方程，量化描述了多孔介质中两相流的复杂相互作用。数值模拟揭示了关键规律：在恒定相对湿度下，303K至353K的升温会使NAPL去除率从89.0%降至74.3%；而降低蒸汽-空气混合物的相对湿度可显著提升修复效率，且存在最优阈值。这一发现颠覆了"温度越高修复越好"的传统认知，证明适度降低蒸汽温度配合湿度调控，反而能实现更高能效的修复。

关键技术方法包括：1) 构建非等温两相流控制方程，耦合达西定律与傅里叶热传导定律；2) 采用多网格法处理相变时空演化；3) 基于Datta模型建立水相变速率方程；4) 通过一维热锋迁移实验验证模型准确性；5) 设计四注一抽的方形井群布局模拟实际工程。

基本定义与假设
通过定义固体-水相-NAPL-气相四相饱和度关系(s_W
+s_N
+s_G
=1)，建立包含毛细管压力与相对渗透率的控制方程框架。

NAPL相间传质
量化挥发过程的质量通量Eⁿ
_{W/G
=εsG
Cⁿ
W/G
(Hc?ⁿ
W
-cⁿ
G
)，其中传质系数Cⁿ
W/G
=10^-4.71
ν^0.84
G
d^0.55
50
D^0.16
G
d^-1.71
m
H^-0.61
，首次将亨利系数(H)与粒径(d50
)纳入动力学参数。}

模型验证
通过分块验证策略，对比解析解与室内实验数据，证实模型能准确预测蒸汽锋面迁移与NAPL再分布行为。

几何建模
采用高渗透砂岩层水平注汽方案，忽略重力效应，建立包含4个注汽井与1个抽提井的轴对称模型。

结果与讨论
关键发现包括：1) 饱和蒸汽条件下，每升高50K温度，NAPL去除率下降14.7个百分点；2) 相对湿度降至阈值(约40%)以下时，修复效率呈指数级提升；3) 蒸汽-空气混合物的比焓与汽化潜热存在最优配比。

环境启示
该研究突破性地证明低相对湿度蒸汽注入可减少90%以上的NAPL冷凝量，为制定"低温高效"修复方案提供理论支撑。通过建立温度-湿度协同调控阈值，指导工程实践在保证修复效率的同时，降低30%以上的蒸汽消耗量，对实现"双碳"目标下的绿色修复具有里程碑意义。研究团队特别指出，未来需进一步研究多组分NAPL的竞争传质机制，以拓展模型在复杂污染场景中的应用。