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SEAR技术修复重非水相液体：截留数与润湿性的关联及影响机制

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着工业化进程的加速，各类有机污染物不断进入地下环境，对地下水及土壤造成了严重污染。其中，重非水相液体（DNAPL）由于其密度大于水、水溶性低、界面张力小和黏滞性低等特性，一旦进入饱和含水层，便会在重力作用下不断向下迁移，穿过包气带，最终在含水层底部或相对隔水层顶部积聚，形成长期的污染源。常见的DNAPL污染物包括氯代溶剂、煤焦油、重矿物油、杂酚油等，它们大多具有“三致”效应（致癌、致畸、致突变），对生态环境和人类健康构成了极大威胁。如美国EPA水质调查发现供水系统中有机污染物多达2110种，饮用水中含765种，其中相当一部分为难溶性的DNAPL污染物。在中国，一些工业发达地区，如长三角、珠三角等地，也频繁检测到地下水中存在DNAPL污染，且污染范围呈逐渐扩大趋势。

传统的地下水修复方法，如抽出处理法，对DNAPL污染的修复效果往往不尽人意。因为DNAPL的低水溶性和强吸附性，使得其难以被常规的水相抽提有效去除。而表面活性剂强化含水层修复（SEAR）技术的出现，为DNAPL污染修复带来了新的希望。SEAR技术通过向含水层中注入表面活性剂溶液，利用表面活性剂分子的两亲性，降低油水界面张力，提高DNAPL的溶解度和移动性，从而实现对DNAPL的有效去除。

在SEAR技术的实际应用中，截留数和润湿性是影响修复效果的两个关键因素。截留数可以定量描述流速变化时SEAR修复过程中的驱替作用，它反映了流体在多孔介质中流动时，DNAPL被驱替的难易程度。润湿性则决定了DNAPL在多孔介质中的分布和迁移特性，表面活性剂的加入会改变岩石-流体系统的润湿性，进而影响DNAPL的运移和残留情况。深入研究截留数和润湿性在SEAR技术修复DNAPL过程中的作用机制，对于优化SEAR技术的工艺参数、提高修复效率、降低修复成本以及减少对环境的二次污染具有重要的理论和实际意义。通过精确调控截留数和润湿性，可以实现对DNAPL污染的精准修复，为保障地下水资源的安全提供科学依据和技术支持。

1.2SEAR技术概述

SEAR技术，即表面活性剂强化含水层修复技术，其核心原理基于表面活性剂独特的化学结构和物理性质。表面活性剂分子由亲水基团和疏水基团组成，这种两亲性结构使其在水溶液中能够自发地吸附在油水界面上。当表面活性剂溶液注入到受DNAPL污染的含水层时，其疏水基团会朝向DNAPL，亲水基团则朝向水相，从而显著降低油水界面张力。这一过程使得原本难以移动的DNAPL变得更加容易被水流携带，增强了其在含水层中的迁移能力。同时，表面活性剂在溶液中浓度达到一定值（临界胶束浓度，CMC）后，会形成胶束结构，DNAPL可以被包裹在胶束内部，进一步增加其在水中的溶解度，这种现象被称为增溶作用。

SEAR技术的应用范围较为广泛，尤其适用于受氯代溶剂、多环芳烃等DNAPL污染的含水层修复。在实际操作流程中，首先需要对污染场地进行详细的勘察，包括地质结构、水文地质条件、DNAPL的种类和分布范围等信息的获取。基于勘察结果，设计合理的注入井和抽出井布局。通过注入井将配置好的表面活性剂溶液以一定的流速和压力注入含水层，溶液在含水层中流动并与DNAPL接触，发生增溶和增流作用。随后，含有DNAPL和表面活性剂的混合溶液通过抽出井被抽提到地面，在地面进行分离、处理，将DNAPL从溶液中去除，处理后的表面活性剂溶液和水可根据情况进行循环利用或达标排放。

与其他传统修复技术相比，SEAR技术具有显著的优势。传统的抽出处理法对低水溶性的DNAPL去除效率低，修复周期长；而SEAR技术能够有效提高DNAPL的溶解性和迁移性，大大缩短修复周期。例如，在一些实际案例中，传统抽出处理法可能需要数年甚至数十年才能使污染场地达到修复目标，而采用SEAR技术后，修复时间可缩短至几个月到几年不等。此外，SEAR技术原位修复的特点，避免了大量挖掘土壤或抽取地下水带来的环境扰动和成本增加问题，具有较好的环境友好性和经济效益。

1.3国内外研究现状

在国外，SEAR技术的研究起步较早，已经取得了一系列重要成果。许多学者通过室内实验和数值模拟，深入研究了SEAR技术对不同类型DNAPL的修复效果及影响因素。如美国学者Taylor等人通过二维砂箱实验，研究了表面活性剂对四氯乙烯（PCE）污染的多孔介质的修复效果，发现表面活性剂的增溶和增流作用在不同的实验条件下表现出不同的效果，且多孔介质的非均质性对修复过程有显著影响。在数值模拟方面，国外已经开发了多种成熟的多相流数值模