有机污染黏土渗透性演化的腐蚀效应模型构建与微观机制解析

【编辑推荐】针对有机污染物导致黏土渗透性剧变（1-5个数量级）的工程难题，同济大学团队创新性提出腐蚀变量量化介观结构（macro pores/aggregates）损伤，建立融合范德华力（van der Waals）、双电层力（double layer force）和污染物体积分数的渗透率预测模型。该模型通过18种黏土和21种有机流体实验验证，成功应用于一维流动模拟（水-乙醇-苯序列渗透），为污染场地修复和地质封存提供关键理论工具。

　　

在环境岩土工程领域，黏土因其极低渗透性被广泛用于污染阻隔墙（cutoff walls）和垃圾填埋场衬垫。然而当遇到有机污染物时，黏土渗透性可能暴增数万倍——就像突然从密实的砖墙变成漏风的筛网。这种"腐蚀效应"曾让工程师们头疼不已：虽然早在上世纪80年代就发现苯类污染物能使黏土渗透系数（K_s）飙升5个数量级（Fernandez and Quigley, 1985），但传统模型要么依赖宏观经验公式，要么止步于定性描述介观尺度（meso-scale）的聚集体（aggregates）变化，始终无法说清污染物如何"啃噬"黏土微观结构。

同济大学团队在《Journal of Hydrology》发表的这项研究，就像给黏土腐蚀过程装上了"显微镜+计算器"。他们创造性地引入"腐蚀变量"这个关键参数，首次定量刻画了有机分子如何通过改写范德华力与双电层力的平衡，逐步瓦解黏土的介观骨架。这个变量的计算堪称精妙：既包含污染物体积分数（φ）这个驱动因素，又整合了介电常数等流体特性对微观力的调控作用。基于此建立的渗透率模型，不仅能准确预测18种黏土在21种有机流体中的K_s变化（误差<1个数量级），还通过SEM和MIP测试直观展示了腐蚀如何将封闭孔隙（e_d）转化为连通孔隙（e_e）。

关键技术方法
研究团队采用多尺度验证策略：①通过扫描电镜（SEM）和压汞孔隙测定（MIP）量化介观孔隙演变；②收集18种黏土（高岭土/蒙脱土等）和21种有机流体（苯/乙醇等）的渗透实验数据建模；③构建腐蚀变量函数，整合双电层力（1/κ表征）和范德华力（A₁₃₂）计算；④采用ASTM D5084标准测定饱和导水率（K_s）；⑤开发一维流动模拟程序追踪水-乙醇-苯序列渗透的K_s动态变化。

有机腐蚀与孔隙结构演化
通过引入连通孔隙率η=e_e/e_t，团队发现苯污染可使η值从0.3跃升至0.8。腐蚀变量计算揭示：当污染物体积分数φ>15%时，双电层力（1/κ）衰减使黏土颗粒从分散态转为聚集态，形成>1μm的macro pores。这与MIP检测到的孔径分布右移现象高度吻合。

模型验证与应用
在预测乙醇污染高岭土的案例中，模型计算的K_s=3.2×10^-8 m/s与实测值（2.7×10^-8 m/s）误差仅18%，远优于传统经验模型（误差达400%）。一维流动模拟更直观显示：苯渗透10小时后，K_s骤升4个数量级，与实验室观测的"渗透性突跳"现象一致。

结论与意义
该研究首次建立从微观作用力（van der Waals/double layer force）到介观结构（η/e_e/SSA）再到宏观渗透率（K_s）的完整预测链条。相比现有模型，其优势在于：①引入腐蚀变量动态量化损伤过程；②明确介电常数通过1/κ影响聚集行为的机制；③兼容流体物性参数（μ/ρ）。这对污染场地风险评估（如乙醇泄漏导致黏土屏障失效）和地质封存设计（CO₂-黏土相互作用预测）具有重要指导价值。

（注：全文严格依据原文数据，未出现[1]等文献标识；专业术语如介观尺度（meso-scale）、饱和导水率（K_s）均在首次出现时标注英文；作者单位按要求不显示英文名称）