污染物润湿性对土壤入渗过程的孔隙尺度视角

《Environmental Technology & Innovation》：A Pore-Scale Perspective of Pollutant Wettability on the Soil Infiltration Process

　　

在土壤系统中具有强润湿行为的污染物往往对土壤表面具有更强亲和性，这促进孔隙占据并有助于克服毛细管阻力，从而增加其在包气带（vadose zone）中迁移的潜力。然而，润湿性如何调节非均质孔隙喉道几何结构中的毛细管进入与侵入阈值仍不清楚。本研究利用微流控芯片模拟水、全氟辛酸（PFOA）溶液和乙苯在包气带孔隙网络中的入渗过程。水平注入下，乙苯的突破饱和度比水高6.22%–17.45%，比PFOA高3.10%–8.85%。垂直侵入中，重力与毛细管力辅助的向下驱替始终产生高于向上驱替的饱和度。机理上，乙苯更强的润湿行为（主要与其较低表面张力和在孔隙表面较小接触角有关）降低了毛细管进入势垒。基于本研究构建的孔隙喉道网络，研究人员建立了定量方法以确定不同孔隙结构下的液体进入阈值。结果表明，该阈值扩展了毛细管力由阻力转为驱动力的喉道尺寸范围，从而增强孔隙填充。进一步建立孔隙尺度框架，将临界毛细管压力与非均质孔隙喉道结构及系统依赖性润湿性关联，为估算非均匀孔隙网络中污染物突破倾向提供机理指示。这些发现提升了对具迁移潜力土壤污染物的机理认知，可指导未来风险评估与修复模型开发。

研究背景方面，有机污染土壤修复已成为全球环境挑战，全氟和多氟烷基物质（PFAS）与苯系物（BTEX）在包气带中高流动性强、易在地下水中检出，包气带作为长期污染源库亟需机理认知。已有研究多关注宏观迁移，孔隙尺度上润湿性与喉道—孔腔几何如何共同调控毛细管阀效应与侵入序列仍缺乏统一准则，特别是高润湿有机物临界毛细管压力的定量描述不足。为此，研究人员以微流控可视化结合土柱实验与Young-Laplace方程推导，比较水、PFOA溶液与乙苯在理想非均质孔隙网络中的侵入行为，旨在建立润湿性依赖的毛细管入口阈值框架。

关键技术方法上，研究人员采用玻璃—硅键合准二维微流控芯片（孔腔半径0.3 mm、喉道宽0.02–0.52 mm、深20 μm）进行水平连续与脉冲注入、向上与向下驱替实验；以去离子水、饱和PFOA（3400 mg/L）与99.95%乙苯为侵入相，注射速率1–10 μL/min，数码记录突破饱和度与弯月面稳定性；并行开展内径2.5 cm、填土粒径0.2–0.5 mm的灭菌土柱下向渗流实验（500 μL/min）与micro-CT（25 μm）孔隙表征；基于Young-Laplace方程推导喉道突破压力与临界喉道宽w_T表达式，做无量纲化分析。

研究结果部分，3.1污染物驱替特征中，3.1.1水平驱替显示乙苯在各流速下突破饱和度>97%，高于水（79.6%–91.4%）与PFOA（88.8%–94.5%），Capillary数<10^-3、Weber数10^-6–10^-4证伪惯性主导，乙苯因低表面张力、小前进接触角与低黏度降低毛细管壁垒；PFOA浓度500→3400 mg/L使表面张力32.04→14.86 mN/m、接触角76.5°→64.9°，饱和度89.3%→93.7%。3.1.2水平脉冲驱替中，间歇停注使水、PFOA、乙苯终饱分别降5.10、4.87、0.72个百分点，乙苯对供液中断不敏感。3.1.3重力辅助驱替中，下向比上向饱和度更高，水、PFOA、乙苯下向平均较上向分别提升约23%、15%、29%量级；Bond数分析表明毛细管主导，但润湿性与喉道钉扎调制重力响应。3.2土柱验证中，图像饱和度水84.84%、PFOA 87.87%、乙苯98.21%，乙苯穿透时间最长（15 min 31 s），micro-CT概念力分析确认下向重力联合毛细管促进侵入。3.3液体侵入模式中，单孔尺度水停滞喉道最久，乙苯贴壁成膜；网络尺度水指状通道饱36.81%，PFOA分支连通68.74%，乙苯近全填90.04%；由ΔP=σ(1/r_w+1/r_h)与爆裂侵入压P_c=2cosθ_aσ(1/w+1/h)得临界压P_c=2σ[sin(π?arcsin(w/2r)?θ_a)/w+cos(π?θ_a)/h]，水在小喉道（<0.11 mm）P_c>0阻侵入，乙苯在w>0.009 mm即P_c<0毛细管助填。3.4喉道毛细管入口阈值推导出w_T=2r/√[1+cot²θ_a(2r/h?1)²]，无量纲W^?=L^?/√[1+cot²θ_a(L^??1)²]；小θ_a使拐点前移、W^?对θ_a在<30°敏感，证明小接触角提早触发毛细管由阻转驱。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：污染物液在包气带孔隙介质中迁移与界面性质及孔隙网络几何密切相关；高浓PFOA与乙苯低表面张力、小表观前进接触角降低喉道毛细管阻力，使侵入更窄通道、占据更多可达孔隙并增强侧向连通。润湿性升高使孔口毛细管阻力下降，喉道入宽孔腔时毛细管贡献可由阻转动驱，提升突破饱和度与横向铺展，微流控与处理土柱趋势一致。脉冲注入较连续注入降低终饱，水与PFOA降幅大、乙苯近完满饱和证其抗中断性。建立的孔隙尺度准则将表面张力、接触角与喉道几何关联，可定量评判液体越障能力，辅助迁移模型中孔进入过程表达。下向驱替高饱和度表明重力顺流助侵，润湿性—重力—几何联合促深孔占据。该框架虽未涵盖天然土全复杂度，但澄清了界面性质与孔隙几何在孔隙尺度早期侵入中的共同控制机制，可支撑异质多孔介质污染物迁移的后续模型与实验设计。论文发表于《Environmental Technology》。