粘度改性的胶体Mg(OH)2在非均质多孔介质中的迁移：实验与模型模拟

《Journal of Hydro-environment Research》：Migration of viscosity modified colloidal Mg(OH) 2 in heterogeneous porous media: experiment and model simulation

本研究采用黄原胶（XG）作为增稠剂，显著提升胶体Mg(OH)?在低渗透层多孔介质中的迁移效率，碰撞效率η从0.00865降至0.00142，沉积减少且迁移效率达92.5%。XG与胶体Mg(OH)?的相容性及剪切稀化特性得到验证，建立的数值模型可准确预测迁移行为（误差≤5.39%）。

　　

Bowen Li | Tingting Yang | Shibin Liu | Meng Yao | Jun Dong

国家重点地质灾害防治与地质环境保护实验室（成都理工大学），中国四川省成都市二仙桥东三路1号，邮编610059

摘要

胶体Mg(OH)₂在非均质多孔介质中的不均匀分布对其在地下水修复中的有效应用构成了重大挑战。为了解决这个问题，本研究引入了一种新的方法，使用黄原胶（XG）作为粘度改性剂，以增强胶体Mg(OH)₂向低渗透区的迁移。结果表明，XG与胶体Mg(OH)₂具有高度相容性，粘度改性的胶体Mg(OH)₂（VMC-Mg(OH)₂）表现出显著的剪切稀化特性。增加的粘度有效减少了胶体Mg(OH)₂的沉积，并促进了其返回地下水。加入XG后，胶体Mg(OH)₂与多孔介质的碰撞效率（η）从0.00865降低到0.00142，而附着效率（α）从0.4858降低到0.1038。这些变化显著提高了胶体Mg(OH)₂的迁移性能，C/C₀从0.12增加到0.94。随着XG浓度的增加（从0 mg/L增加到200 mg/L），胶体Mg(OH)₂在低渗透区的清扫效率也大幅提高，从53.6%增加到92.5%。此外，对碰撞效率（η）和附着效率（α）的模拟准确预测了VMC-Mg(OH)₂在非均质多孔介质中的迁移情况，最大误差为5.39%。这些发现突显了VMC-Mg(OH)₂作为低渗透区污染修复反应剂的巨大潜力。

引言

原位反应区（Wang等人，2022年）涉及将化学剂或微生物注入多孔介质中，以创建一个反应区，旨在固定或降解地下水中的污染物。由于其低成本、较小的环境影响和显著的修复效果，IRZ已被广泛用于污染场地修复（Liu等人，2024年；Wang等人，2022年）。Mg(OH)₂是一种常用的碱性试剂，用于原位稳定地下水中的重金属。Mg(OH)₂具有在中长时间内中和和缓冲pH值的能力，这使其特别适合用于地下水修复（Liu等人，2020年；Zhao等人，2021年）。研究表明，胶体Mg(OH)₂可以在多孔介质中有效迁移并形成IRZ（Dong等人，2017年；Liu等人，2011年），当重金属污染物通过反应区时，它们会被胶体Mg(OH)₂稳定（Huang等人，2016年；Liu等人，2020年；Rotting等人，2006年）。

然而，几个挑战阻碍了胶体Mg(OH)₂在地下水修复中的有效应用。原位化学修复的一个关键问题是由于多孔介质的异质性导致的流体绕流，高渗透区（HPZ）中的优先流动通道往往会在注入修复剂（包括溶液和胶体）时绕过低渗透区（LPZ）。这种修复剂在地下水环境中的不均匀分布减少了它们与污染物的接触（Bekele等人，2019年；Feng等人，2022年；Marble等人，2010年；West和Kueper，2012年）。此外，LPZ中的清扫效率低下可能导致目标污染物在修复过程中反弹，从而显著延长修复时间并增加成本（Horst等人，2019年；Stroo等人，2012年）。因此，多孔介质的异质性不可避免地会对胶体Mg(OH)₂的迁移和修复效果产生不利影响。

为了解决多孔介质异质性的影响，采用了粘度改性方法来增强修复剂在LPZ中的迁移和分布（Kananizadeh等人，2015年）。其中，剪切稀化流体是最常用的方法（Robert等人，2006年）。剪切稀化流体可以通过增加粘度来减少修复剂在HPZ和LPZ之间的渗透率差异（Pu等人，2018年；Xin等人，2015年）。这种方法在早期石油工业中被广泛用于解决石油回收过程中的“通道效应”问题（Johansen，1979年；Machale等人，2022年；Wang等人，2021年）。因此，一些学者提出可以将剪切稀化流体应用于地下水修复，以改善修复剂与LPZ中污染物的接触（Smith等人，2008年）。

黄原胶（XG）因其无毒、成本低廉和可生物降解的特性而脱颖而出，被视为与修复剂配用的环保输送介质。其出色的流变性能进一步增强了其在场地修复中的多种应用潜力（Liu等人，2021年；Smith等人，2008年）。Zhong发现，在非均质多孔介质中利用XG的剪切稀化性能可以改善表面活性剂和磷酸盐在LPZ中的输送，并提高清扫效率（Zhong等人，2013年；Zhong等人，2008年）。Kananizadeh使用Brikman模型模拟了XG和KMnO₄在非均质多孔介质中的非牛顿流动。结果表明，XG与KMnO₄混合时可以保持高粘度，这显著提高了修复剂进入LPZ的渗透性和与污染物TCE的反应（Kananizadeh等人，2015年）。Truex进行了现场规模测试，采用示踪剂来增强使用XG时修复剂在非均质多孔介质中的均匀分布，从而促进了流体向相邻LPZ的横向移动，提高了清扫效率（Truex等人，2015年）。Zhang提出，相转移催化剂和XG可以促进LPZ中的非均相反应和MnO₄^-的迁移，并且相转移催化剂促进了溶解的Mn²⁺和Mn³⁺的生成，减少了副产物MnO₂的产生，从而提高了去除非水相TCE的效率（Zhang等人，2022年）。Bouzid指出，XG可以促进碱性物质（NaOH和Ca(OH)₂）在LPZ中的均匀传输。此外，Ca(OH)₂微粒通过溶解-沉淀平衡不断释放OH^?，减少了碱性试剂的滞留，从而提高了HCHs在非均质含水层中的降解效率（Bouzid等人，2021年）。这些研究揭示了水溶性修复剂和颗粒物质与XG的成功结合（Dalla Vecchia等人，2009年；Xu等人，2014年）。因此，理论上添加XG可以增强胶体Mg(OH)₂在非均质多孔介质中的迁移，从而提高LPZ中的清扫效率。然而，XG的分子结构会受到离子、酸度和碱度等因素的影响，导致粘度降低。因此，XG与胶体Mg(OH)₂之间的相容性是一个需要验证的实际问题。

在本研究中，XG被用作胶体Mg(OH)₂的粘度改性剂，以实现以下目标：（1）验证XG与胶体Mg(OH)₂之间的相容性，并研究XG与胶体Mg(OH)₂之间的相互作用机制；（2）评估粘度改性的胶体Mg(OH)₂（VMC-Mg(OH)₂）在均质和非均质多孔介质中的迁移性能，确定粘度改性前后影响迁移效率的关键因素；（3）开发一种模拟方法，定量分析VMC-Mg(OH)₂在非均质多孔介质中的迁移行为。

化学物质和材料

实验所需的原材料包括Mg(OH)₂、聚山梨酯80（Tween-80）、十二烷基硫酸钠（SDS）和黄原胶（XG）。所有原材料均为分析级，购自上海Aladdin生化技术有限公司。图S1展示了XG、Tween-80和SDS的分子结构（由于Tween-80是由具有相似性质的物质组成的混合物，图S1仅列出了其中一种常见物质的分子结构）。从图S1可以看出，XG具有

VMC-Mg(OH)₂的流变性能

图2a展示了在不同XG浓度下VMC-Mg(OH)₂的粘度随剪切率的变化。如图2a所示，XG与胶体Mg(OH)₂混合后，其流变性能没有显著变化。浓度为10 g/L的胶体Mg(OH)₂仅使2000 mg/L XG溶液的粘度降低了5.97%。因此，VMC-Mg(OH)₂表现出显著的剪切稀化特性。VMC-Mg(OH)₂的粘度与剪切率之间的关系如下

结论

本研究引入了XG作为粘度改性剂，以增强胶体Mg(OH)₂在低渗透区的迁移性能，为优化非均质多孔介质中的胶体迁移提供了一种新方法。实验结果表明，VMC-Mg(OH)₂表现出明显的剪切稀化特性。大多数胶体Mg(OH)₂颗粒和XG不能直接接触。此外，胶体Mg(OH)₂对XG流变性能的影响主要是

CRediT作者贡献声明

Bowen Li：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。Tingting Yang：撰写 – 原始草案、方法论、调查、正式分析、概念构思。Shibin Liu：撰写 – 审稿与编辑。Meng Yao：撰写 – 审稿与编辑。Jun Dong：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2020YFC1808300）、国家自然科学基金（编号：42007167）和四川省自然科学基金（编号：2024NSFSC0851）的支持。