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(cè)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(cè)試，在受三氯乙烯（TCE）污染的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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?cè)谒械拈L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(shì)，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(chǎng)所進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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
2.1.4 尺寸分布分析儀
2.1.5 Zeta電位分析儀
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(cè)試設(shè)置
2.2.1 尺寸分布和Zeta電位分析測(cè)試
2.2.2 氣體傳質(zhì)測(cè)試
2.2.3 有機(jī)物污染的水處理測(cè)試
2.2.4 列測(cè)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(cè)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(cè)試。每個(gè)測(cè)試進(jìn)行兩次以確保數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。
2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的設(shè)置
2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)條件
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是在日本新居市的一個(gè)有機(jī)物污染現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)試區(qū)域的地方。在監(jiān)測(cè)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(chǎng)修復(fù)設(shè)備（圖3 ）用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)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(chǎng)修復(fù)設(shè)施，并在日本受TCE污染的場(chǎng)所進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(chǎng)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
