专利名称：高新用泡沫向包气带输送纳米粒子类修复物质的技术
技术领域：
本发明涉及一种输送修复物质特别是纳米粒子类修复物质到被污染的包气带的技术，属于土壤修复方法研究领域。
背景技术：
污染物质在多孔介质中的垂向迁移是地下水污染的一个长期来源。浅层包气带中的污染物质的修复方式包括原位修复的方法(如使用蒸汽浸提的方法来修复挥发性有机污染物)和异位修复的方式(如将重金属污染土壤挖掘出来，然后采用化学淋洗等方式修复)。然而修复深层包气带中的污染物质还存在很大的挑战。由于修复成本和修复技术等因素的限制，很多污染场地的包气带中的污染物质不能被异位修复。对于这些地方来说，原位固定被认为是一种很有吸引力的修复技术。化学固定是一种很常用的原位修复的方式， 包括通过直接转化、沉淀或共同沉淀和吸附沉淀的方式实现。在这些可以被用于原位修复的化学物质中，纳米颗粒是一种非常具有吸引力的选择之一。这是因为，纳米颗粒具有巨大的比表面积和反应活性，因此具备更高的反应效率。 在所有纳米颗粒中最引人注目的是纳米铁，无数实验研究表明，纳米铁能降解许多重要的有机污染物(如，三氯乙烯、四氯乙烯，PCBs等)、无机污染物(如，NO”ClO4-等)和重金属 (如As(III) Ab(II)和Cr(VI)等)。另外，一些场地实验研究结果表明纳米铁在原位修复中能发挥重要的作用。特别是使用压力注入或重力下渗的方式将纳米铁溶浆注入到污染的地下含水层中。然而，由于技术的限制，迄今为止，并没有任何研究使用纳米铁来修复或固定包气带中的污染物质。输送具有修复作用的化学反应物到深层包气带并不容易，首先，当修复物质通过溶液直接携带的方式注入时，往往在重力的作用下在包气带中进行垂直方向的迁移，在横向迁移的范围很小，从而导致修复物质的作用范围极其有限。另外，包气带通常是非均一的，因而具有不同的渗透性，注入的溶液通常优先选择渗入渗透性高的地方，而避开渗透率低却富含了大多数污染物质的地方，从而降低修复效果。最后，包气带中的污染物质可能被注入的溶液冲洗下来，并随着溶液的流动而发生运移，从而扩大了污染范围，也可能通过垂向迁移从而导致地下含水层的污染。上述溶液注入反应物的方式所产生的不可避免的垂向迁移、水流的优先通道和污染范围扩大等问题可能用泡沫输送的方式加以克服。泡沫由连续的液体薄膜及其包裹着的气体组成。与溶液注入不同的是，在包气带中，泡沫注入不受重力的影响，因此可以同时在纵向和横向迁移很长的距离。泡沫是非连续的非牛顿力学的流体，它能均勻地渗透非均一的多空介质。实验室的研究表明，以表面活性剂产生的泡沫的形式注入，表面活性剂能充满整个非均一的多孔介质体系。因此也可以推论出泡沫注入方式能更均一地到达污染物存在的区域并使得修复更高效。由于压力能控制泡沫的迁移，因此泡沫输送能更好地控制注入的体积，因而能更有效地减少污染物的扩散。已有的泡沫输送技术中，泡沫曾被应用于使用表面活性剂修复地下包气带中的非
3水相液体和重金属的污染。但是在绝大部分情况下，表面活性剂产生的泡沫本身作为修复物质而不是一种输送其他修复物质的方式应用于包气带中的污染修复。迄今为止还没有研究报道过关于在包气带中使用泡沫输送纳米粒子的研究。
发明内容
本发明提供一种用泡沫向被污染包气带中输送纳米粒子的方法。具体步骤包括(1)纳米粒子的获得与制备本发明涉及两种纳米粒子，一种是聚苯乙烯纳米粒子，另一种为纳米零价铁粒子。 前者直接从制造商购得，后者用硼氢化钠还原硫酸亚铁制得。(2)泡沫的产生配置纳米粒子和表面活性剂的水溶液，再把溶液注入柱状容器，同时在容器中的溶液中通入气体，通过调节注入溶液和通入气体的流量，得到所需干度的泡沫。(3)泡沫输送纳米粒子将产生的泡沫输入到被污染包气带，泡沫携带纳米粒子在多孔介质中迁移，实现原位修复。步骤(1)中硼氢化钠还原硫酸亚铁在水溶液中进行，即先将硫酸亚铁溶于水，同时加入一定量的聚丙烯酸，再用氢氧化钠溶液把PH值调至略低于7。最后再加入硼氢化钠溶液。步骤⑵中所用的表面活性剂为常用的表面活性剂，如月桂基乙醚硫酸钠，吐温 80，吐温20等。表面活性剂浓度在0.25-2%之间。泡沫干度在90%以上。步骤(3)中，为促进泡沫在多孔介质中的迁移，在被污染包气带的另一端用真空泵抽气，施加一定的真空度。真空度小于0. IMPa.本发明提供的方法有如下优点(1)所选取的表面活性剂产生的泡沫均能很好地携带纳米粒子，即泡沫液相里的纳米粒子的浓度和用于产生泡沫的原始溶液中纳米粒子的浓度基本相同。纳米粒子的存在对泡沫的稳定性没有显著影响。(2)与通常的溶液注入纳米粒子相比，泡沫能把纳米粒子在包气带中输送到更远的距离。这是因为当多孔介质的含水量低到一定的程度(大于30%)时，介质颗粒与颗粒之间水相将不再连续，而是形成包裹在介质颗粒表面的薄薄的水膜，由于这样的水膜具有较大的表面张力，因此能够吸附大量的纳米粒子颗粒(这一过程叫做薄膜滞留，film straining)，从而导致纳米粒子无法迁移很长的距离。当采用泡沫注入的时候，泡沫能够克服薄膜对纳米粒子的滞留，因而能输送纳米粒子的距离大大增加，扩大修复的范围和效率。 泡沫促进纳米粒子在包气带中的机理是一方面表面活性剂减小了薄膜的表面张力，另一方面泡沫中的气泡在包气带中移动的速度远大于相同液体流量下液体的流速，给予纳米粒子的推动力(driving force)也要大得多，因而能够克服薄膜的阻滞作用。
图1为产生泡沫和用泡沫输送纳米粒子的装置示意图，图中1.气流控制装置(气阀)2.高纯氮气瓶3.气体流量计
4.两通阀门7.含纳米粒子的表面活性剂溶液10.不锈钢三通阀泡沫原液)13.三通阀门
5.不锈钢三通阀 8.泡沫产生柱 11.压力表
6.蠕动泵 9.泡沫
12.试管(用于采集
14.多孔介质填充柱 15.三角瓶接样装置16.真空泵
具体实施例方式下面结合通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例一、泡沫输送聚苯乙烯纳米粒子将聚苯乙烯纳米粒子的悬浮液加入到表面活性剂(月桂基乙醚硫酸钠)溶液中， 表面活性剂浓度为1%，把溶液用泵注入一根有机玻璃柱子(直径10mm，长度100mm)，同时向柱子中通入氮气以产生泡沫，控制泡沫的干度在95%左右。把产生的泡沫注入装填有石英砂的柱子(直径40mm，长度200mm)中.柱子的另一端和真空泵相连(图1为整套装置的示意图)，真空度控制在0. 05-0. OSMPa.注入实验之前石英砂用水预先饱和，注入含有纳米粒子的泡沫前注入不含纳米粒子的泡沫进行预平衡。注入含有纳米粒子的泡沫过程中在石英砂柱子的出口端采集流出泡沫的样品，测定其中聚苯乙烯纳米粒子的浓度。作为对照，测定用溶液注入纳米粒子时的迁移情况。具体方法是饱和的石英砂柱子在重力作用下自然释水，然后以相同的液体流速注入相同浓度的纳米粒子和表面活性剂的溶液，在出口端采集流出液并测定其中纳米粒子的浓度。结果表明用溶液注入时，流出液中纳米粒子的浓度只有注入溶液中浓度的46%， 即超过50%的纳米粒子被滞留在柱子中。以这一滞留率进行推算，当用溶液注入时，在离注入点0. 6米处纳米粒子的浓度就下降到起始浓度的10%。而当采用泡沫注入时，流出泡沫中纳米粒子的浓度为注入泡沫中浓度的87%，说明只有13%的纳米粒子被滞留。同样以这一滞留率进行推算，当用泡沫注入时，在离注入点3. 3米处纳米粒子的浓度才下降到起始浓度的10%。由此说明用泡沫注入纳米粒子时，纳米粒子的影响范围，也就是修复范围大大扩大了，由此会大大提高修复的效率。实施例二、泡沫输送纳米零价铁粒子。采用与实施例一相同的程序，用泡沫向石英砂中输送纳米零价铁粒子。纳米铁的浓度大于5克/升。结果表明流出泡沫中纳米铁粒子的浓度是注入泡沫中浓度的80%以上，说明泡沫也能显著提高纳米铁粒子在石英砂中的迁移。上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
权利要求
1.一种向包气带中输送纳米粒子类修复物质的方法，其步骤包括1)配置纳米粒子类修复物质和表面活性剂的水溶液，在上述溶液中通入气体，得到所需干度的泡沫；2)将产生的泡沫输入到被污染包气带，泡沫携带纳米粒子在被污染包气带的多孔介质中迁移。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述纳米粒子为聚苯乙烯纳米粒子或纳米零价铁粒子。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述表面活性剂的浓度在 0. 25-2%之间。
4.如权利要求1-3所述的方法，其特征在于，步骤1)中，泡沫干度在90%以上。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，纳米零价铁粒子的具体制备工艺为，先将硫酸亚铁溶于水，同时加入一定量的聚丙烯酸，再用氢氧化钠溶液把PH值调至略低于7，最后再加入硼氢化钠溶液。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在被污染包气带的另一端用真空泵抽气，真空度小于0. IMPa0
全文摘要
本发明提供了一种用泡沫向被污染包气带输送纳米粒子类修复物质的方法，属于土壤修复方法研究领域。该方法首先配置纳米粒子类修复物质和表面活性剂的水溶液，在上述溶液中通入气体，通过调节通入气体的流量，得到所需干度的泡沫；然后将产生的泡沫输入到被污染包气带，泡沫携带纳米粒子在被污染包气带的多孔介质中迁移，从而实现原位修复。本发明采用泡沫输送方式，使得修复物质更易于在水平方向移动，扩大其影响范围，同时克服溶液传输方式的局限，如纳米粒子被包气带中水膜滞留等。
文档编号B09C1/08GK102225427SQ20111006330
公开日2011年10月26日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者李喜青, 沈欣, 钟立荣 申请人:北京大学
