全氟烷基物质对非饱和多孔介质气液驱替的孔隙尺度作用机制研究

《Journal of Hydro-environment Research》：Role of PFAS in gas–liquid displacement in unsaturated porous media: a pore-scale study

本研究发现PFAS（全氟烷基物质）会形成更平坦的渗流前锋并产生胶体液桥，显著改变非饱和多孔介质中的气液驱替过程。通过新型孔隙网络模型量化发现，PFAS会导致相对渗透率降低和曲折因子减小，证明纯水参数关联式不能直接用于PFAS迁移预测。该研究为准确构建包气带PFAS迁移模型提供了关键理论依据。

　　

Section snippets

Microfluidic experiments

如前所述，本研究采用微流控孔隙网络开展孔隙尺度实验，探究蒸发条件下PFAS对包气带气液驱替过程的影响。该微流控孔隙网络通过阳极键合技术将刻有设计孔隙结构的硅片与玻璃片结合而成。如图1所示，该网络由10×20阵列的大孔体通过较窄的喉道连接组成。

Experimental results

图2展示了纯水和PFOA在微流控孔隙网络内蒸发过程中液体分布的演变。与纯水相比，含PFOA的蒸发表现出两个显著特征：一是渗流前锋更加平坦；二是孔隙喉道内会形成胶体液桥。下文将详细阐释这两个特征。

Pore network models with colloidal liquid bridges

虽然上述微流控实验证明PFOA会显著影响蒸发驱动驱替过程中的液体分布演变，但无法量化关键传输参数的相应变化。为此，我们采用孔隙网络建模方法（一种研究多孔介质中两相传输的成熟技术）重点探究这些参数——毛细压力、相对渗透率和曲折因子——如何受PFAS影响。

Modeling results

图8比较了纯水与PFOA（含/不含胶体液桥）的传输参数随液体饱和度的变化关系。如图8a所示，PFOA的残余液体饱和度（定义为体相与出口断开连接时的液体分数）低于纯水。测量值为：纯水0.15，不含胶体液桥的PFOA为0.13，含胶体液桥的PFOA为0.01。

Conclusions

我们的结果表明，与纯水相比，PFAS蒸发会产生更平坦的渗流前锋，导致相对渗透率降低和曲折因子减小。我们还发现PFAS溶液在孔隙喉道中会形成独特的胶体液桥现象。这些桥结构对于维持连续的角隅液膜至关重要，而角隅液膜控制着残余液体饱和度，并对液体和PFAS的传输至关重要。因此，PFAS诱导的...