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臭氧微納米氣泡在地下水修復(fù)中的應(yīng)用 

 

臭氧由于其強(qiáng)大的氧化能力而被廣泛用于水處理。然而，由于臭氧相對(duì)較低的溶解度和在水相中的快速分解，臭氧在地下水修復(fù)中的效率受到限制。提高地下臭氧的穩(wěn)定性的方法引起了越來越多的關(guān)注。直徑范圍從幾十納米到幾十微米的微納米氣泡（MNB），具有快速的傳質(zhì)速率，在水中持續(xù)相對(duì)較長的時(shí)間，并隨地下水流一起運(yùn)輸，從而顯著改善了氣體濃度并提供了一種持續(xù)供氣。因此，MNBs在地下水修復(fù)中顯示出巨大的潛力。在這項(xiàng)研究中，我們檢查了臭氧MNB的特征，包括其大小分布，氣泡數(shù)量，和ζ電位。通過實(shí)驗(yàn)研究了臭氧MNB的傳質(zhì)速率。臭氧MNB隨后被用于處理受有機(jī)物污染的水，它們顯示出顯著的凈化效率。還進(jìn)行了柱測試，以研究臭氧MNB在有機(jī)物污染的地下水修復(fù)中的效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試，在受三氯乙烯（TCE）污染的現(xiàn)場進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。結(jié)果表明，臭氧MNB可以大大提高修復(fù)效率，是一種就地修復(fù)受有機(jī)物污染的地下水的創(chuàng)新技術(shù)。還進(jìn)行了柱測試，以研究臭氧MNB在有機(jī)物污染的地下水修復(fù)中的效率。 

 

1 .介紹

土壤和地下水 污染是主要的環(huán)境問題；因此，已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)來補(bǔ)救這種污染物 [1]。原位化學(xué)氧化是一種常用的補(bǔ)救污染部位的方法。芬頓試劑，過二硫酸鹽和高錳酸鹽等氧化劑在氧化有機(jī)污染物方面顯示出顯著的效率，通常用于現(xiàn)場修復(fù)[2]。但是，芬頓工藝的效率很大程度上取決于pH值[3]。在Fenton過程中會(huì)形成大量的氧氣，這可能會(huì)導(dǎo)致孔道阻塞，并可能限制受Fenton試劑影響的區(qū)域[2]。過二硫酸鹽在環(huán)境溫度（約20  °C）下往往相對(duì)穩(wěn)定，必須活化后才能用于現(xiàn)場修復(fù)[4] 。產(chǎn)生大量的硫酸鹽作為副產(chǎn)物 [5]，但是，這會(huì)導(dǎo)致二次污染。用高錳酸鹽進(jìn)行原位化學(xué)氧化會(huì)生成MnO 2，這也可能導(dǎo)致孔堵塞并降低修復(fù)效率[6]。

 

臭氧被廣泛用于藥品的氧化飲用水 [7] ，[8] 。由于其強(qiáng)大的氧化能力，臭氧在廢水處理中也具有很高的潛力[9]，[10] 。過氧化氫可用于加速臭氧對(duì)污染物的氧化[11]，[12] 。但是，臭氧氧化的效率受到水中溶解臭氧的快速分解速率的限制，該分解速率比氣相中的分解速率快得多。因此，迫切需要用于延長水相臭氧反應(yīng)性的方法，并且已經(jīng)使用一些穩(wěn)定劑來提高地下水中臭氧的穩(wěn)定性[13]。

 

微納米氣泡（MNB）是微小的氣泡，直徑范圍從幾十納米到幾十微米 [14]，[15] 。由于其較小的直徑，MNB具有較高的內(nèi)部壓力和快速的傳質(zhì)速率，可顯著提高氣體溶解度。與普通氣泡相比，MNB在液相中的上升速度較低。納米氣泡可以在水中長期存在[16]，[17]。 已證明半徑為150–200 nm的那些可以保持穩(wěn)定兩周[18]，并且納米氣泡簇可以進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性[19]。。由于它們在水中的長期存在，MNB可以隨水流遷移，并為溶解階段提供連續(xù)的氣體供應(yīng)。在我們以前的工作中，研究了MNB的性質(zhì)和傳質(zhì)效率[20]，[21]，[22]。MNB的一項(xiàng)杰出的經(jīng)證實(shí)的特征是它們的大比表面積導(dǎo)致在氣泡表面上具有相當(dāng)大的污染物吸附能力[23]。近年來，MNBs在環(huán)境工程中的潛在應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)[24]，[25]，[26]，[27] 。這些研究包括在地表水處理中使用MNB由于它們具有比表面積大，帶負(fù)電的表面和高傳質(zhì)效率的特殊特性[28]，[29]，[30] 。盡管MNB技術(shù)在清潔環(huán)境方面具有顯著優(yōu)勢，但迄今為止，尚未對(duì)其在地下水修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)研究[20]，[21]，[22]。

 

這項(xiàng)研究的目的是調(diào)查將臭氧MNB用于地下水修復(fù)的可行性和效率。通過實(shí)驗(yàn)研究了臭氧多核苷酸的物理化學(xué)特征，如分子分布和ζ電位，并通過模型試驗(yàn)研究了其傳質(zhì)行為。在實(shí)驗(yàn)室條件下，以甲基橙為代表的有機(jī)污染物，對(duì)污水和地下水的修復(fù)效率進(jìn)行了檢查。還對(duì)受三氯乙烯（TCE）污染的場所進(jìn)行了現(xiàn)場測試，以研究臭氧MNB進(jìn)行原位修復(fù)的效率。

 

2 方法和材料

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)施

2.1.1微納米氣泡發(fā)生器

2.1.2 毫米氣泡產(chǎn)生設(shè)備

2.1.3 臭氧發(fā)生器

2.1.4 尺寸分布分析儀

2.1.5 Zeta電位分析儀

2.1.6 溶解臭氧監(jiān)測儀

2.1.7 紫外分光光度計(jì)

2.1.8 氣相色譜儀

 

2.2 實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)置

2.2.1 尺寸分布和Zeta電位分析測試

2.2.2 氣體傳質(zhì)測試

2.2.3 有機(jī)物污染的水處理測試

2.2.4 列測試

在內(nèi)徑為12 cm 的有機(jī)玻璃圓筒（圖1）中進(jìn)行了柱測試， 以研究臭氧MNB處理受有機(jī)物污染的地下水。將玻璃珠與甲基橙溶液以10 mg / L的初始濃度混合，以模擬被有機(jī)物污染的土壤和地下水。的比重的玻璃珠是2.43，平均直徑為60微米，干密度為1.43 克/厘米3 。的水力傳導(dǎo)率為1.3 × 10 -4米/秒，因?yàn)椴Ａе檫M(jìn)行分級(jí)很差，其表示介質(zhì)的沙子。土壤樣品的高度為76       分別在距底部16  厘米，32  厘米，48  厘米和64  厘米處分布有4個(gè)采樣口＃1，＃2，＃3和＃4 。去離子水中不斷產(chǎn)生臭氧MNB，以確保臭氧MNB的數(shù)量保持在峰值。含有臭氧的MNB的水從底部以0.368 的水力梯度i向上供入塔中。不使用MNB的去離子水用于對(duì)比測試。每個(gè)測試進(jìn)行兩次以確保數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。

2.3 現(xiàn)場測試的設(shè)置

2.3.1 現(xiàn)場條件

現(xiàn)場測試是在日本新居市的一個(gè)有機(jī)物污染現(xiàn)場進(jìn)行的。被污染的地點(diǎn)是電子元件工廠的前身，面積為1100  m 2。主要污染物是三氯乙烯（TCE），根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)，該污染物在地下水中的濃度限值為0.03 mg / L。該地點(diǎn)的地下水主要分布在12 m至16 m 深度的密閉含沙含水層中，地下水中三氯乙烯的 很大濃度約為10 mg / L。含砂含水層的水力傳導(dǎo)率約為10 -6 m / s，而上，下地層     含水層中的一部分是粘土層，其水力傳導(dǎo)率約為10 -8  m / s。地下水水位 低于地面6.5 m。

 

2.3.2 提取地下水處理

現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以研究H 2 O 2對(duì)臭氧多核苷酸的處理效率的影響。 抽取100 L地下水并將其存儲(chǔ)在容量為500  L 的氣密反應(yīng)罐中。使用臭氧MNB，H 2 O 2和臭氧MNB加H 2 O 2來處理受TCE污染的水。在產(chǎn)生臭氧MNB的過程中，以1∶1的臭氧∶H 2 O 2的質(zhì)量比添加 H 2 O 2 試劑。測量治療期間TCE的濃度。

 

2.3.3 韋爾斯

一臺(tái)抽采井，一臺(tái)注入井和五個(gè)監(jiān)控井（其位置如圖2所示）用于原位修復(fù)。 很初的地下水流向是從注入井到提取井。每個(gè)井的深度為16  m，篩選間隔為12  m至16  m。提取井的直徑為25  cm，將提取速率為36  L / min 的泵放置在井內(nèi)15  m 的深度處。注入井和監(jiān)測井的直徑為5  厘米。注入井與注入單元相連，注入率為15 升/分鐘 由于注入速率受場地和設(shè)施條件的限制，因此采用了較高的抽取速率以產(chǎn)生更強(qiáng)的地下水流。處理殘留的水并將其排放到遠(yuǎn)離測試區(qū)域的地方。在監(jiān)測井中安裝了地下水采樣器，以收集15  m 深度的樣品。

2.3.4 原位修復(fù)

開發(fā)了現(xiàn)場修復(fù)設(shè)備（圖3 ）用于現(xiàn)場測試。修復(fù)系統(tǒng)包含三個(gè)部分：提取單元，反應(yīng)單元和注射單元。從該地點(diǎn)提取受污染的地下水，并進(jìn)行過濾以除去土壤顆粒。過濾后，用空氣噴射裝置處理地下水以除去三氯乙烯。隨后，將處理過的地下水注入到反應(yīng)罐中。MNB發(fā)生器位于水箱內(nèi)部，用于原位產(chǎn)生臭氧MNB。在產(chǎn)生臭氧MNB的過程中，以1∶1的臭氧∶H 2 O 2的質(zhì)量比添加H 2 O 2試劑。臭氧MNB和H 2 O之后添加2份水，通過注入單元將水注入地面。從反應(yīng)罐到進(jìn)樣單元的流量為15  L / min，停留時(shí)間為33.3  min，以實(shí)現(xiàn) 很佳的MNB生成。從當(dāng)?shù)貢r(shí)間每天09:00到18:00進(jìn)行了六天的原位地下水修復(fù)。對(duì)地下水進(jìn)行采樣以監(jiān)測三氯乙烯的濃度。

3 結(jié)論

在這項(xiàng)研究中，臭氧MNBs的特性進(jìn)行了研究。MNB可以達(dá)到很高的單位數(shù)量，并且可以長期在水中保持穩(wěn)定。臭氧MNB在不同鹽度下保持負(fù)電荷，這意味著它們穩(wěn)定且可用于修復(fù)不同鹽度的地下水。

 

MNB可以顯著提高臭氧的傳質(zhì)效率，并且可以在水中保持穩(wěn)定，從而不斷提供臭氧。MNB系統(tǒng)中臭氧的半衰期比毫米氣泡系統(tǒng)中的臭氧半衰期長得多。在實(shí)驗(yàn)室條件下，臭氧對(duì)地表水和地下水中的有機(jī)污染物有顯著影響，而MNB大大提高了處理效率。開發(fā)了現(xiàn)場修復(fù)設(shè)施，并在日本受TCE污染的場所進(jìn)行了現(xiàn)場測試。治療六天后，總?cè)コ蔬_(dá)到99％。臭氧MNB對(duì)受TCE污染的地下水的修復(fù)顯示出良好的效果，并且可能代表了一種原位修復(fù)受有機(jī)物污染的地下水的創(chuàng)新技術(shù)。

 

新穎性聲明

作為一種廣泛使用的氧化劑，臭氧在地下水修復(fù)中的應(yīng)用受到其遷移能力的限制。該手稿的目的是研究以微納米氣泡（MNB）形式將臭氧應(yīng)用于地下水修復(fù)的可行性和效率。研究了臭氧多態(tài)性分子的基本特征和傳質(zhì)行為，并通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)研究了臭氧多態(tài)性分子對(duì)有機(jī)污染物的修復(fù)效率。臭氧MNB代表了一種就地修復(fù)受有機(jī)物污染的地下水的創(chuàng)新技術(shù)，該手稿肯定會(huì)引起對(duì)對(duì)受有機(jī)物污染的地下水修復(fù)技術(shù)感興趣的地球環(huán)境工程師的關(guān)注。

 

來源：危險(xiǎn)材料雜志 第342卷，2018年1月15日，第446-453頁