[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

说明书

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，包括供水装置、反应器、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的槽体，槽体内通过两个垂直隔网将槽体内空间分隔为入水池、模拟含水层和出水池；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，槽体内设置有监测井，上盖上与注射井对应的位置设有注射孔，与监测井对应的位置设有取样孔，所述注射装置与注射孔连接，所述取样装置与取样孔连接。该装置设计灵活、操作简单、实用性强、成本低。

技术领域

本发明属于土壤和地下水修复治理技术领域，具体涉及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。

背景技术

地下水是人类生产、生活的重要水源之一。然而由于工农业生产和废弃物排放等的影响，我国地下水污染问题日益突出。2016年1月水利部发布的地下水动态月报表明水质评价结果总体较差，超8成的地下水受到污染，部分地区存在一定程度的重金属和有毒有机物污染。这些污染地下水若得不到及时治理，饮用水和食品安全隐患等诸多问题将接踵而至，并对人体健康和生态环境造成了极大威胁，因此亟需发展适宜有效的地下水污染治理修复技术。

污染地下水修复技术包括异位修复技术(主要是抽出-处理技术)和原位修复技术(原位注射、可渗透反应墙等)。抽出-处理是将污染地下水抽出/泵出后在地表进行处理，达标后再进行回灌。该过程所需成本高、能源消耗大、浪费地下水资源、不可持续，已越来越多地为国内外学者和欧美发达国家的工程师们所抛弃。原位修复技术可对地下水中的污染物进行就地处理，经济效益性好、便于管理。其中原位注射技术是向地下水污染区域直接注入化学或生物药剂，通过强化地下水中有机污染物的化学或生物降解过程以加快其去除，具有较高的去除效率以及施工简便、费用低、对环境扰动小和污染物暴露少等优点。纳米材料由于具有比表面积大、表面活性强、反应快速有效等优势，成为地下水修复的研究热点，如有众多研究利用原位注射纳米零价铁修复氯代烃等有机物污染地下水，课题组已发表文章也表明，纳米材料如纳米氧化镁及其改性材料、纳米氧化铝及其改性材料能够对地下水中的重金属进行十分有效地吸附去除。

然而当纳米材料通过原位注射技术应用于实际地下水修复时，纳米粒子的迁移性能将对污染物的修复效果产生重要影响，因此纳米粒子在地下含水层中的迁移和归趋是亟待探究的热点和难点问题。开展纳米粒子在地下环境中的运移和归趋研究，不仅为纳米材料修复实际污染地下水的效果预测提供依据，对于探究纳米粒子对环境和人体健康的影响也具有重要意义。

由于地下环境的复杂性和隐蔽性，纳米粒子在地下含水层中的运移和归趋难以预测，此外，由于纳米粒子与可溶的化学药剂不同，其在地下水中的迁移性能是影响污染物修复效果的重要因素之一，因此，有必要研制一种操作简单、实用性强、设计灵活的能够模拟纳米材料在地下环境中运移和归趋及其对污染地下水原位修复过程的模拟装置，通过室内模拟实验深入研究原位注射技术在不同含水层类型和流水场条件下，纳米粒子的迁移距离(影响半径)、注射用量、使用寿命及其对污染物的修复效果，为污染地下水原位修复技术的开发提供可靠的理论依据和基础参数，并为原位注射技术的实际应用提供参数支持。

发明内容

解决的技术问题：本发明的目的在于针对现有研究的不足，提供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，并对原位注射纳米材料修复污染地下水的整个过程进行模拟。通过填充不同类型的介质以模拟不同类型的地下饱和均质含水层，调整流水场等条件，采用边搅拌边注射的方式将纳米悬液注入地下水中，然后分析纳米粒子产生的离子和目标污染物在不同时间、空间的分布与转化，适用于研究纳米粒子在饱和均质含水层中的运移和归趋，以及模拟原位注射技术对污染物的修复效果。