[发明专利]一种评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置和方法

权利要求书

1.一种评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置，其特征在于包括供水装置、反应器(5)、注射装置、取样装置和蓄水装置，所述反应器为一个带有上盖(11)的槽体，槽体内通过两个垂直隔网(8)将槽体内空间分隔为入水池(6)、模拟含水层和出水池(7)；所述供水装置与入水池相连，所述蓄水装置与出水池相连，槽体内模拟含水层区域的上游设有注射井(9)，槽体内设置有监测井(10)，上盖上与注射井对应的位置设有注射孔(12)，与监测井对应的位置设有取样孔(13)，所述注射装置与注射孔连接，所述取样装置与取样孔连接。

2.根据权利要求1所述评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置，其特征在于所述供水装置包括管道顺序相连的储液瓶(1)、流量计(2)和蠕动泵a(3)，供水装置再通过管道与入水池(6)相连，所述管道上设有取样阀a(4)。

3.根据权利要求1所述评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置，其特征在于所述蓄水装置包括水位调节槽(16)和废液收集瓶(17)，出水池通过管道与水位调节槽连接，管道上设有阀门(14)和取样阀b(15)，水位调节槽设有用于固定水位的出水口。

4.根据权利要求1所述评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置，其特征在于所述注射井和监测井为带有条形筛缝的不锈钢筛管，筛缝小于填充介质粒径，筛管壁厚0.8mm，注射井内径为1.5cm，监测井内径为1cm；注射井和监测井通过防水硅酮密封胶将井底与槽体底部竖直粘结。

5.根据权利要求1所述评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置，其特征在于所述隔网由有机玻璃板边框和不锈钢丝网构成，不锈钢丝网通过防水硅酮密封胶粘结固定在有机玻璃板边框上，所述入水池和出水池分别与模拟含水层交界的位置上设有凹槽，有机玻璃板边框插于凹槽中；入水池和出水池中填充粒径为1.5～4cm的鹅卵石。

6.根据权利要求1所述评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置，其特征在于所述上盖为厚5mm的有机玻璃板，其上设有孔径为4.8mm的注射孔和孔径为1mm的取样孔，注射孔和取样孔的位置和数量分别与注射井和监测井相对应；注射孔连接注射装置后用于注射纳米粒子，取样孔处设置取样装置，所述取样装置为带有鲁尔接口0.5mm外径的5号取样针，取样针针头由上盖处的取样孔竖直插入模拟含水层，利用硅橡胶将取样针固定在上盖上，另一端与带有鲁尔接口的止通阀连接，止通阀的外接口连接一次性注射器。

7.根据权利要求1所述评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验装置，其特征在于所述注射装置包括电动搅拌器(18)、烧杯(19)和蠕动泵b(20)；注射时，将纳米粒子置于烧杯中加去离子水不停搅拌，防止材料沉淀，并通过蠕动泵将4.8mm外径的泵管一端置于烧杯中纳米粒子悬液下方，另一端与4.8mm的注射孔连接。

8.利用权利要求1～7任一所述装置评估纳米粒子在地下环境中运移和归趋的模拟实验的方法，其特征在于实验步骤如下：

(1)反应器清洗和检漏：对槽体及各配件进行清洗，先使用肥皂水进行擦洗，去离子水冲去泡沫；用10％硝酸溶液润洗，并用去离子水洗去表面残留酸；最后用去离子水冲洗3遍；将注射井、监测井和取样针等全部固定好，并将所述模拟实验装置连接好，使槽体充满水静止12h进行检漏；

(2)介质填充：采用湿法填充的方式，具体步骤为：往槽体内注入5cm水头，用烧杯撒入1～2cm洁净的填充介质，所述介质为石英砂，用木杵将已填充的部分压实，再注水、填充石英砂至反应器顶部，使填充后的反应器在饱和的状态下静置24h，然后将顶部空出的部分再填满石英砂，最后盖上上盖并进行密封；

(3)泵入去离子水：经由蠕动泵将去离子水从供水装置泵入反应器中，对系统进行清洗；通过蠕动泵、入水池、出水池水位高度、蓄水装置的出水口高度控制模拟含水层的水力参数；根据填充介质的渗透系数、模拟含水层的水力梯度和反应器截面积，通过达西定律计算确定蠕动泵的设定流速；根据设定的模拟含水层水力梯度，通过调节水位调节槽的出水口高度，使入水池、出水池水位和水头稳定；使系统稳定运行48～96h；

(4)泵入污染地下水：系统稳定运行后，泵入污染地下水，该过程持续时间≥96h，使污染物在反应器中均匀分布；

(5)注射纳米粒子：连续泵入污染地下水后，取样分析污染物初始浓度，当各监测点污染物浓度分布均匀且与供水装置中污染物的初始浓度一致时，通过注射装置经由上盖的注射孔注入能够有效修复该污染物的纳米粒子作为修复药剂，通过检测不同监测点污染物残余浓度、纳米粒子产生的离子浓度方式进行定量分析，或通过目视观察方式定性分析纳米粒子的分布规律，以评估纳米粒子在地下环境中的运移和归趋并模拟基于原位注射纳米粒子对污染地下水的修复过程；其中，

1)注射速率：纳米粒子的注射速率应小于含水层地下水流速，以保持含水层内流速均匀；

2)注射量和注射浓度：根据纳米粒子修复污染物的批量实验研究结果，得到去除的污染物的量与纳米粒子质量的比值，再根据本模拟实验的污染地下水体积和污染物总量，计算得出模拟实验所需纳米粒子的注射量，注射体积的计算方式如下：

V＝π×r²×h×θ

式中：V为纳米粒子注射体积，单位mL；π为圆周率，无量纲常数；r为注射井的设计影响半径，单位cm；h为反应器高度，单位cm；θ为含水层移动孔隙度，无量纲，由注射量和注射体积进而确定一定体积和浓度的污染地下水所需纳米材料的注射浓度；

3)系统运行期间维持进、出水流速稳定、水头稳定，每隔2～12h用一次性注射器采取监测井中水样，测定纳米粒子产生的离子浓度和污染物浓度，获得含水层中纳米粒子在空间和时间上的迁移规律，及其对污染物的修复效率；

(6)地下水取样体积和速率：根据纳米粒子和污染物分析方法与地下水流速大小设置取样体积和取样速率：为降低取样对含水层流场的影响，取样体积应在满足浓度分析的基础上尽量小；取样速率应该足够低，不超过含水层水流速度的5％。