《Results in Engineering》：Toward sustainable and cost-effective hydrocarbon remediation: Designing alcohol-efficient oil-in-water emulsions
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摘要：柴油及其他石油烃类污染物会导致长期土壤污染，其特点是环境持久性、迁移性以及对地下水的风险。醇驱作为一种修复策略已研究数十年，并在烃类回收方面展现出潜力。然而，该方法通常需要冲洗液中含有高浓度醇（≥50% v/v），这引发了成本、毒性和挥发方面的担忧。其效
摘要：柴油及其他石油烃类污染物会导致长期土壤污染，其特点是环境持久性、迁移性以及对地下水的风险。醇驱作为一种修复策略已研究数十年，并在烃类回收方面展现出潜力。然而，该方法通常需要冲洗液中含有高浓度醇（≥50% v/v），这引发了成本、毒性和挥发方面的担忧。其效率在非均质土壤中受优先流进一步限制，而在非饱和（包气带）区域，重力与毛细管力之间的相互作用使醇驱复杂化，限制了其现场适用性。本研究探索了使用1-戊醇（6.25–25% v/v）、十二烷基硫酸钠（5000 ppm）和黄原胶（1000–2000 ppm）制备的醇高效水包油乳液，用于柴油污染土壤修复。研究人员对乳液的稳定性和流变性进行了表征，并在一维砂柱和二维水箱中，于饱和和非饱和条件下评估了其修复性能，模拟了现场条件。含2000 ppm黄原胶的配方在低醇浓度下增强了稳定性并赋予剪切变稀流变性，从而实现了可控注入。在饱和和非饱和一维系统中，仅使用含6.25%（v/v）1-戊醇的乳液即实现了完全（100%）柴油回收。在二维水箱中，底部中心注入促进了均匀径向扩散和完全回收，成像和流出物分析证实了这一点。在包气带区域，乳液的黏度克服了重力和毛细管限制，实现了完全回收——这是其他流体未能达到的性能。这些发现首次证明，低醇乳液可以在饱和和非饱和条件下实现完全柴油回收，为烃类修复提供了一种经济高效且环境可持续的策略。
论文解读文章
**研究背景与问题**
轻非水相液体（LNAPLs），特别是柴油和汽油等石油烃类，是地下环境中常见的污染物。这些污染物由于密度小于水且水溶性低，会垂直迁移通过包气带（vadose zone），最终积聚在地下水水位以上的毛细边缘。石油烃污染的主要来源包括炼油和石化工业操作、工业废水排放以及储油设施事故，导致受污染面积持续扩大，威胁饮用水供应和生态系统，亟需有效的地下修复策略。传统泵抽处理（P&T）技术存在局限性，近年来溶剂冲洗（使用醇类和表面活性剂）被广泛研究。然而，醇驱通常需要高浓度醇（≥50% v/v），这增加了成本、毒性及挥发风险，且在非均质土壤中优先流会限制其效率，在非饱和区域重力与毛细管力的相互作用也限制了其应用。此外，醇-表面活性剂体系在非饱和区的表现尚不明确，且较高分子量醇对LNAPL（如柴油）修复的研究相对不足。因此，关键科学问题包括：能否大幅降低传统认为必需的醇浓度而不损害修复性能？聚合物浓度对醇辅助修复效率的影响如何？在非饱和条件下，基于醇的乳液技术的行为如何？以及其在同时包含地下水水位、毛细边缘、饱和区和包气带的现场相关条件下的性能尚未被充分研究。
**研究内容与结论**
本研究开发并系统评估了醇高效生物聚合物稳定水包油乳液，用于饱和和非饱和条件下柴油污染土壤的修复。研究人员使用1-戊醇（1-pentanol，6.25–25% v/v）、十二烷基硫酸钠（SDS，5000 ppm）和黄原胶（XG，1000–2000 ppm）制备乳液，通过稳定性测试、流变表征、一维（1D）砂柱和二维（2D）水箱实验（模拟现场条件，包含地下水水位、毛细边缘、饱和区和包气带）评估性能。主要结论：聚合物浓度在低醇体积分数下主导稳定性，2000 ppm XG乳液抗分层能力显著优于1000 ppm XG；乳液流变性由XG和1-戊醇共同控制，增加XG增强黏度和剪切变稀行为，降低醇含量则降低黏度但不影响有利流动特性；在饱和多孔介质中，仅含6.25% (v/v) 1-戊醇和2000 ppm XG的乳液在注入1.33 PV后实现完全柴油回收（RF=100%）；在非饱和多孔介质中，同一乳液在注入1.55 PV后也实现完全回收，仅比饱和条件稍慢；在2D水箱实验中，底部中心注入产生稳定的径向驱替前沿，黏性力主导（重力数Ng<0.1），无重力分异，成像和流出物分析确认完全回收；尽管较高醇分数可稍加速回收，但6.25% (v/v) 1-戊醇乳液在1D和2D系统中均表现出优异的稳定性、可注入性和完全回收性能，实现了性能与化学消耗的平衡。
**重要意义**
该研究首次证明低醇乳液可在饱和和非饱和条件下实现完全柴油回收，为烃类修复提供了一种经济高效且环境可持续的策略。论文发表在《Results in Engineering》。
**主要技术方法**
研究人员采用了一系列实验技术：通过30天静态储存观察和分层指数（creaming index, CI）评估乳液稳定性；使用旋转流变仪（Haake Mars 60）进行剪切变稀流变学测量，并用Carreau–Yasuda（C–Y）模型拟合黏度数据；在一维砂柱（30 cm长，4 cm内径，填充0.4–1.5 mm石英砂）中进行饱和和非饱和条件下的柴油驱替实验，通过折光仪（refractometer）分析流出物柴油浓度；在二维（2D）无约束水箱（55 cm×35 cm×2 cm，聚偏氟乙烯材质）中进行实验，模拟包含地下水水位、毛细边缘、饱和区和包气带的现场条件，使用高分辨率成像（Nikon D810）和图像分析（Fiji ImageJ）估算LNAPL饱和度，并结合流出物称重和折光率分析验证柴油回收。样本来源：砂为高纯石英砂（Sibelco），柴油为TotalEnergies的Excellium Truck Diesel。
**研究结果**
- **乳液表征**：稳定性方面，2000 ppm XG基乳液在所有测试1-戊醇体积分数（6.25–50% v/v）下均表现出优异长期稳定性（30天分层指数CI=0%），而1000 ppm XG基乳液在低醇分数下不稳定。流变性方面，所有乳液均呈现剪切变稀行为，含2000 ppm XG的乳液黏度更高且剪切变稀更强，Carreau–Yasuda模型拟合良好（R2>0.99）。相对黏度（μrel）和流动行为指数（n）表明，降低1-戊醇分数导致μrel和n值变化，但2000 ppm XG乳液保持更稳定的剪切变稀特性。
- **一维柱实验**：饱和条件下，2000 ppm XG基乳液在6.25% v/v 1-戊醇时即实现完全柴油回收（RF=100%），而1000 ppm XG基乳液仅达到92.8%回收率。压力梯度剖面显示，乳液驱替过程中压力梯度在1.0–1.4 PV后趋于稳定，表明无严重渗透率损伤。非饱和条件下，2000 ppm XG基6.25% v/v 1-戊醇乳液在注入1.55 PV后实现完全回收，初始阶段（0–0.55 PV）柴油回收率低，因乳液先驱替空气，随后柴油被高效动员。
- **二维水箱实验**：两种乳液（6.25%和12.5% v/v 1-戊醇）均表现出两阶段回收趋势：初期（~0.5–0.6 PV）回收率低，随后急剧上升，在约1.3–1.5 PV后实现完全回收。图像分析与流出物分析结果一致。注入压力保持在9 kPa以下，表明良好的可注入性。重力数计算显示乳液-柴油和乳液-水界面Ng<0.1，乳液-空气界面Ng≈0.3，均小于1，表明驱替主要受黏性力控制，无重力分异或指进现象。
**讨论与结论**
讨论部分指出，高黄原胶浓度（2000 ppm）通过提高连续相黏度和乳液稳定性，增强了低醇含量下的柴油回收效率。1-戊醇的分配作用导致柴油溶胀和界面张力（IFT）降低，协同剪切变稀流变性共同促进了柴油的动员和驱替。在非饱和条件下，乳液黏度克服了重力和毛细管限制，实现了其他流体未能达到的完全回收。结论部分总结：本研究开发的醇高效生物聚合物稳定水包油乳液能够在饱和和非饱和多孔介质条件下实现完全柴油回收，同时大幅降低1-戊醇消耗，提供了一种可持续、经济高效且高效的修复策略。该组合的高回收效率、低化学需求、良好可注入性和稳健驱替性能为未来中试及现场规模研究奠定了基础。
