一种测定天然黏土中DNAPL扩散通量的新型实验室方法及其环境应用价值

本研究针对DNAPL（稠密非水相液体）在天然黏土中的扩散通量测定难题，开发了结合毛细管测量与扩散剖面模拟的新型实验室方法，首次实现通过独立双途径（De /R拟合与毛细管读数）验证有效扩散系数（De =3.5·10?10 m2 /s），为评估污染物在低渗透性介质中的迁移规律及修复策略提供可靠工具。

　　

研究背景与意义
氯代烃类污染物作为工业遗留问题，常以DNAPL形式在地下环境中长期滞留。这类物质因密度高、黏度低易穿透含水层，但遇到黏土等低渗透层时会形成聚集。传统观点认为黏土能阻挡DNAPL迁移，然而裂隙的存在使其可能成为污染扩散的隐蔽通道。更棘手的是，DNAPL通过溶解-扩散机制进入黏土基质后，会形成长期污染源，其释放周期可达数十年。尽管前人通过示踪剂实验证实了基质扩散的重要性，但针对天然黏土在真实污染浓度梯度下的扩散参数（如D_e
和阻滞因子R）仍缺乏可靠测定方法。现有实验室技术或依赖低浓度溶液，或无法验证数据准确性，且从未在DNAPL直接接触条件下开展研究。这导致污染场地修复方案设计缺乏关键参数支撑。

加拿大滑铁卢大学的研究团队在《Journal of Contaminant Hydrology》发表的研究，创新性地开发了一套结合毛细管体积测量与扩散剖面模拟的双重验证方法。该研究首次在实验室实现了DNAPL（以二氯甲烷DCM为例）与天然黏土核心的直接接触，通过15.07天的实验观测，不仅量化了DCM的扩散通量，还通过独立交叉验证揭示了黏土对污染物的阻滞机制。

关键技术方法
研究采用加拿大安大略省Sarnia工业区未扰动黏土岩心（孔隙度0.344，有机碳含量0.534%），构建扩散池装置：①顶部放置1 mL DCM作为DNAPL源；②通过毛细管实时监测溶剂体积损失；③15天后剖切岩心测定DCM浓度剖面；④基于Fick定律建立扩散模型，以D_e
/R为拟合参数优化模拟；⑤通过源浓度m_w,0
与溶解度C_S
关系（R=m_w,0
/C_S
）计算阻滞因子。

研究结果
1. 黏土特征与DCM溶解度
岩心表征显示其干密度1.71 g/cm³
，湿密度2.05 g/cm³
。DCM溶解度实测值为27,800±1,725 mg/L，高于文献值，表明染料添加可能改变其理化性质。

2. 扩散动力学与参数测定
DCM在15天内穿透黏土9 cm，形成典型瞬态扩散剖面。模型拟合得到D_e
/R=2.94×10^?10
m²
/s，结合R=1.19（源浓度33,100 mg/L接近溶解度限），最终计算出D_e
=3.5×10^?10
m²
/s。毛细管测量显示445 mg DCM进入黏土，与模型预测高度吻合。

3. 方法验证优势
传统方法仅依赖浓度剖面或进出口浓度差，而本研究通过毛细管直接测量质量通量（误差<3%），首次实现DNAPL扩散参数的交叉验证。实验证实毛细管读数可单独用于通量测定，大幅简化操作流程。

结论与讨论
该研究建立的"DNAPL-黏土直接接触法"突破了三重技术壁垒：①模拟真实污染场景的高浓度梯度；②通过独立双途径验证参数可靠性；③量化DNAPL在裂隙系统中的衰减速率。测得D_e
值较传统方法更接近原位条件，为预测污染物在黏土中的滞留时间（如评估裂隙DNAPL可存续数十年）提供了关键参数。特别值得注意的是，该方法证实有机碳含量并非阻滞污染物的唯一因素（R=1.19远低于吸附模型预测值），暗示黏土矿物表面反应可能起重要作用。

这项技术的应用将显著提升污染场地风险评估精度：一方面可优化裂隙DNAPL的修复优先级判断，另一方面能预警基质中潜藏的"污染时间炸弹"——当外部源清除后，吸附在黏土中的污染物可能通过反向扩散重新释放。研究团队建议将该方法扩展至多组分DNAPL体系，并联合微观表征技术深入探究阻滞机制。