臭氧微納米氣泡在地下水修復中的應用 

 

臭氧由于其強大的氧化能力而被廣泛用于水處理。然而，由于臭氧相對較低的溶解度和在水相中的快速分解，臭氧在地下水修復中的效率受到限制。提高地下臭氧的穩定性的方法引起了越來越多的關注。直徑范圍從幾十納米到幾十微米的微納米氣泡（MNB），具有快速的傳質速率，在水中持續相對較長的時間，并隨地下水流一起運輸，從而顯著改善了氣體濃度并提供了一種持續供氣。因此，MNBs在地下水修復中顯示出巨大的潛力。在這項研究中，我們檢查了臭氧MNB的特征，包括其大小分布，氣泡數量，和ζ電位。通過實驗研究了臭氧MNB的傳質速率。臭氧MNB隨后被用于處理受有機物污染的水，它們顯示出顯著的凈化效率。還進行了柱測試，以研究臭氧MNB在有機物污染的地下水修復中的效率。根據實驗室測試，在受三氯乙烯（TCE）污染的現場進行了現場監測。結果表明，臭氧MNB可以大大提高修復效率，是一種就地修復受有機物污染的地下水的創新技術。還進行了柱測試，以研究臭氧MNB在有機物污染的地下水修復中的效率。 

 

1 .介紹

土壤和地下水 污染是主要的環境問題；因此，已經開發了許多技術來補救這種污染物 [1]。原位化學氧化是一種常用的補救污染部位的方法。芬頓試劑，過二硫酸鹽和高錳酸鹽等氧化劑在氧化有機污染物方面顯示出顯著的效率，通常用于現場修復[2]。但是，芬頓工藝的效率很大程度上取決于pH值[3]。在Fenton過程中會形成大量的氧氣，這可能會導致孔道阻塞，并可能限制受Fenton試劑影響的區域[2]。過二硫酸鹽在環境溫度（約20  °C）下往往相對穩定，必須活化后才能用于現場修復[4] 。產生大量的硫酸鹽作為副產物 [5]，但是，這會導致二次污染。用高錳酸鹽進行原位化學氧化會生成MnO 2，這也可能導致孔堵塞并降低修復效率[6]。

 

臭氧被廣泛用于藥品的氧化飲用水 [7] ，[8] 。由于其強大的氧化能力，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性的方法，并且已經使用一些穩定劑來提高地下水中臭氧的穩定性[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具有較高的內部壓力和快速的傳質速率，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的那些可以保持穩定兩周[18]，并且納米氣泡簇可以進一步提高其穩定性[19]。。由于它們在水中的長期存在，MNB可以隨水流遷移，并為溶解階段提供連續的氣體供應。在我們以前的工作中，研究了MNB的性質和傳質效率[20]，[21]，[22]。MNB的一項杰出的經證實的特征是它們的大比表面積導致在氣泡表面上具有相當大的污染物吸附能力[23]。近年來，MNBs在環境工程中的潛在應用已成為研究熱點[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，帶負電的表面和高傳質效率的特殊特性[28]，[29]，[30] 。盡管MNB技術在清潔環境方面具有顯著優勢，但迄今為止，尚未對其在地下水修復中的應用進行系統研究[20]，[21]，[22]。

 

這項研究的目的是調查將臭氧MNB用于地下水修復的可行性和效率。通過實驗研究了臭氧多核苷酸的物理化學特征，如分子分布和ζ電位，并通過模型試驗研究了其傳質行為。在實驗室條件下，以甲基橙為代表的有機污染物，對污水和地下水的修復效率進行了檢查。還對受三氯乙烯（TCE）污染的場所進行了現場測試，以研究臭氧MNB進行原位修復的效率。

 

2 方法和材料

2.1實驗設施

2.1.1微納米氣泡發生器

2.1.2 毫米氣泡產生設備

2.1.3 臭氧發生器

2.1.4 尺寸分布分析儀

2.1.5 Zeta電位分析儀

2.1.6 溶解臭氧監測儀

2.1.7 紫外分光光度計

2.1.8 氣相色譜儀

 

2.2 實驗室測試設置

2.2.1 尺寸分布和Zeta電位分析測試

2.2.2 氣體傳質測試

2.2.3 有機物污染的水處理測試

2.2.4 列測試

在內徑為12 cm 的有機玻璃圓筒（圖1）中進行了柱測試， 以研究臭氧MNB處理受有機物污染的地下水。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 。的水力傳導率為1.3 × 10 -4米/秒，因為玻璃珠進行分級很差，其表示介質的沙子。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個采樣口＃1，＃2，＃3和＃4 。去離子水中不斷產生臭氧MNB，以確保臭氧MNB的數量保持在峰值。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的去離子水用于對比測試。每個測試進行兩次以確保數據的可重復性。

2.3 現場測試的設置

2.3.1 現場條件

現場測試是在日本新居市的一個有機物污染現場進行的。被污染的地點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），根據日本標準，該污染物在地下水中的濃度限值為0.03 mg / L。該地點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

現場進行了實驗，以研究H 2 O 2對臭氧多核苷酸的處理效率的影響。 抽取100 L地下水并將其存儲在容量為500  L 的氣密反應罐中。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。在產生臭氧MNB的過程中，以1∶1的臭氧∶H 2 O 2的質量比添加 H 2 O 2 試劑。測量治療期間TCE的濃度。

 

2.3.3 韋爾斯

一臺抽采井，一臺注入井和五個監控井（其位置如圖2所示）用于原位修復。 很初的地下水流向是從注入井到提取井。每個井的深度為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15  m 的深度處。注入井和監測井的直徑為5  厘米。注入井與注入單元相連，注入率為15 升/分鐘 由于注入速率受場地和設施條件的限制，因此采用了較高的抽取速率以產生更強的地下水流。處理殘留的水并將其排放到遠離測試區域的地方。在監測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

開發了現場修復設備（圖3 ）用于現場測試。修復系統包含三個部分：提取單元，反應單元和注射單元。從該地點提取受污染的地下水，并進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罐中。MNB發生器位于水箱內部，用于原位產生臭氧MNB。在產生臭氧MNB的過程中，以1∶1的臭氧∶H 2 O 2的質量比添加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。從反應罐到進樣單元的流量為15  L / min，停留時間為33.3  min，以實現 很佳的MNB生成。從當地時間每天09:00到18:00進行了六天的原位地下水修復。對地下水進行采樣以監測三氯乙烯的濃度。

3 結論

在這項研究中，臭氧MNBs的特性進行了研究。MNB可以達到很高的單位數量，并且可以長期在水中保持穩定。臭氧MNB在不同鹽度下保持負電荷，這意味著它們穩定且可用于修復不同鹽度的地下水。

 

MNB可以顯著提高臭氧的傳質效率，并且可以在水中保持穩定，從而不斷提供臭氧。MNB系統中臭氧的半衰期比毫米氣泡系統中的臭氧半衰期長得多。在實驗室條件下，臭氧對地表水和地下水中的有機污染物有顯著影響，而MNB大大提高了處理效率。開發了現場修復設施，并在日本受TCE污染的場所進行了現場測試。治療六天后，總去除率達到99％。臭氧MNB對受TCE污染的地下水的修復顯示出良好的效果，并且可能代表了一種原位修復受有機物污染的地下水的創新技術。

 

新穎性聲明

作為一種廣泛使用的氧化劑，臭氧在地下水修復中的應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）形式將臭氧應用于地下水修復的可行性和效率。研究了臭氧多態性分子的基本特征和傳質行為，并通過實驗室和現場試驗研究了臭氧多態性分子對有機污染物的修復效率。臭氧MNB代表了一種就地修復受有機物污染的地下水的創新技術，該手稿肯定會引起對對受有機物污染的地下水修復技術感興趣的地球環境工程師的關注。

 

來源：危險材料雜志 第342卷，2018年1月15日，第446-453頁