两相流条件下微纳塑料颗粒迁移及滞留机理研究

摘要

微纳塑料(micro/nano-plastics, M/NPs)在多孔介质中的迁移与滞留机制是土壤与地下水污染领域的重要问题，然而受当前可视化技术的限制，两相流条件下M/NPs迁移与滞留过程的细观机理尚不明确。本研究基于三维可视化实验平台，直接观测并量化了渗吸条件下M/NPs在孔隙空间中的分布特征，重点分析了驱替结束后其在多孔介质骨架颗粒接触区、固相表面及液-液界面的滞留规律，探究了M/NPs粒径与驱替流量对其空间分布的控制机制。结果表明：M/NPs粒径通过改变M/NPs-固相表面与M/NPs-流体界面间的相互作用能来主导其滞留位点的选择；而M/NPs间的相互作用能大小是决定其能否聚集成团簇并滞留在孔隙空间的关键因素；驱替流量则通过改变固相-湿润相界面面积影响其滞留总量。此外，M/NPs滞留在多孔介质中不同点位的主导机制不同，其在多孔介质骨架颗粒接触区的滞留主要受筛分作用控制，而在固相表面与液-液界面处的滞留则主要依赖于界面吸附作用。在高剪切条件下滞留在固相表面的M/NPs可能会脱落，而骨架颗粒接触区作为低速区，其聚集团簇数量随流速增大而增加。本研究揭示并量化了M/NPs粒径与流速对其迁移滞留的作用机制，可为预测土壤和地下水等多相流体环境中污染物的迁移与归宿提供重要的理论依据。

关键词

微纳塑料 / 多孔介质 / 两相流 / 滞留机理 / 分布特性

基金资助

国家重点研发计划项目(2024YFE0197700); 国家自然科学基金项目(42377066)