多孔介质中柴油的挥发和残留特性

多孔介质中柴油的挥发和残留特性马艳飞;郑西来;冯雪冬;潘嘉芬;梁春【摘要】研究了柴油在多孔介质中的挥发、淋溶和残留特性.实验结果表明:亚轴土中柴油挥发率最高，达22.1%;细砂次之，为19.8%;粗砂最低，为12.4%;初始阶段淋溶液中柴油质量浓度较高,随后逐渐减小并趋于稳定;淋溶状态下，粗砂、细砂和亚轴土中柴油释放速率依次降低;挥发和淋溶后，粗砂、细砂和亚轴土中的柴油残留量为30.0~40.0mg/g;亚轴土中的柴油极限残留量最高在2.0mg/g以上,粗砂中的柴油极限残留量最低，约0.1mg/g.%Thevolatilization,leachingandresidenceofdieseloilinporousmediumwerestudied.Theexperimentalresultsshowthat:Thevolatilizationratesofdieseloilinloam,finesandandcoarsesandare22.1%,19.8%and12.4%respectively;Themassconcentrationofoilinleachingeffluentishighintheinitialstage,thenisdecreasedgraduallyandistendedtobestable;Duringtheleachingprocess,thereleaseratesofdieseloilfromcoarsesand,finesandandloamaredecreasedinturn;Aftervolatilizationandleaching,thedieseloilresiduesincoarsesand,finesandandloamare30.0-40.0mg/g;Thedieseloilresiduelimitinloamisthehighest(over2.0mg/g),whilethatincoarsesandisthelowest(about0.1mg/g).【期刊名称】《化工环保》【年(卷)，期】2011(031)005【总页数】4页(P385-388)【关键词】柴油;多孔介质;挥发;淋溶;残留【作者】马艳飞;郑西来;冯雪冬;潘嘉芬;梁春【作者单位】山东理工大学资源与环境工程学院仙东淄博255091;中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100;山东理工大学资源与环境工程学院仙东淄博255091;山东理工大学资源与环境工程学院仙东淄博255091;中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】X703.5石油泄漏或洒落对土壤和地下水将造成污染，并威胁着区域的生态环境。土壤的矿物组成、有机质含量和颗粒大小等理化性质影响土壤中石油的吸附、挥发、淋溶、降解和残留等行为［1-4］。目前国内夕卜学者大多将石油与多孔介质混匀，分别研究石油的挥发、释放和生物降解等特性［5-9］。本工作将柴油覆盖在多孔介质表面，研究了柴油在多孔介质中的挥发、淋溶和残留特性，对石油污染土壤的环境影响评价和修复工作具有重要的指导意义。1.1材料和仪器实验所用粗砂和细砂为淄博市淄河河滩天然沉积砂;亚黏土采集于淄博市大武水源地附近耕作土表层40~50cm以下。该3种实验用多孔介质试样经自然风干、除杂、过2mm筛后，储存于带盖的容器中。多孔介质的粒径分布和其他性质参数见表1。实验所用柴油为中国石化齐鲁石化股份有限公司产0#柴油，密度为0.848g/cm3，黏滞系数为3.56-4.05mPa・s。KQ-100型超声振荡器:上海科导超声仪器有限公司;TDL-5-A型中速离心机:北京医用离心机厂;D100B型恒流泵:上海青浦沪西仪器厂;752型紫外-可见分光光度计:上海精密科学仪器有限公司;LS-B50L型立式压力蒸汽灭菌器:上海绿宇生物科技有限公司;ZD-85型恒温水浴振荡器:金坛市荣华仪器制造有限公司。1.2实验方法1.2.1柴油挥发将粗砂、细砂和亚黏土在12UC下高压灭菌20min，重复3次。将灭菌后的粗砂、细砂和亚黏土以不同的堆积密度分别装入内径为5.9cm、高为10.0cm的有机玻璃柱中，每次装填高度为1.0cm，直至多孔介质层高9.0cm。在通风橱中向多孔介质表面分别加入15g柴油，用分析天平称取多孔介质柱的质量并用秒表计时，每隔一段时间称重一次，用差减法得出的数据即为该时间段内柴油的挥发量，多孔介质柱前后2次质量差小于0.05g时，实验结束。通过挥发量计算挥发率。1.2.2柴油淋溶挥发实验结束后，以质量浓度为200mg/L的NaN3溶液淋溶粗砂、细砂和亚黏土柱中的柴油以消除微生物的降解作用，NaN3溶液的流量分别为5.00,1.00,0.12mL/min，由上端进水，下端出水，用量筒收集出水，每100mL为1个试样。以连续进水的方式用NaN3溶液淋溶亚黏土和细砂柱;粗砂柱淋溶过程分4个阶段：阶段1先用NaN3溶液淋溶;阶段2以体积分数为10%的乙醇溶液淋溶；间隔14h后阶段3仍用10%的乙醇溶液淋溶;再间隔14h后阶段4用NaN3溶液淋溶。采用超声萃取一紫外分光光度法测定淋溶出水的柴油浓度［10］。当出水中柴油浓度趋于稳定后，停止进水，淋溶实验结束。1.2.3柴油残留将多孔介质柱中的含油多孔介质试样转移至烧杯中并混匀，测定其中的柴油残留量。同时准确称取一定量的含油多孔介质试样放入离心管中并加入100mL蒸馏水，在振荡器上振荡10min，以3000r/min的转速离心分离5min后，用蒸馏水反复多次清洗多孔介质试样直至清洗液中柴油的质量浓度低于1mg/L,测定多孔介质试样中柴油的含量，确定多孔介质中柴油的极限残留量。2.1多孔介质中的柴油挥发率多孔介质中柴油挥发率与挥发时间的关系见图1。由图1可见:多孔介质中柴油达到挥发平衡后，亚黏土中柴油挥发率最高，达22.1%;细砂次之，为19.8%;粗砂最低，为12.4%;柴油在堆积密度1.48g/cm3的粗砂中的挥发率比在堆积密度1.60g/cm3的粗砂中高1.0%;柴油在堆积密度1.46g/cm3的细砂中挥发率较在其他2种堆积密度的细砂中高0.2%;柴油在堆积密度1.45g/cm3的亚黏土中的挥发率比堆积密度1.17g/cm3的亚黏土中高1.0%。多孔介质中柴油挥发分为快速和慢速两个阶段。粗砂中柴油挥发的快速阶段历时短，柴油在11d内的挥发量占总挥发量的78.0%;而细砂和亚黏土中柴油在22d内的挥发量分别占总挥发量的76.1%和72.7%。3种多孔介质中，亚黏土的平均粒径最小，持油能力最强，因此与粗砂和细砂相比，亚黏土中柴油处于浅层，挥发组分通过孔隙到达介质表面的迁移路径短，同时亚黏土较大的比表面积扩大了柴油与空气的接触面积，有利于柴油的挥发。且柴油在堆积密度大的亚黏土中迁移深度较小，处于浅层的柴油更易挥发。粗砂持油能力差，柴油纵向迁移快且达到了土柱底部，在相同土柱高度下，粗砂堆积密度越小，颗粒间孔隙越大，柴油与空气接触面积就越大，因此柴油在低堆积密度粗砂中挥发更快。细砂的堆积密度对细砂中柴油挥发的影响不明显。2.2淋溶液中柴油质量浓度的变化3种多孔介质淋溶液中柴油质量浓度的变化见图2~图4。由图2~图4可见:初始阶段淋溶液中柴油质量浓度较高，随后逐渐减小并趋于稳定。由图2可见:在淋溶粗砂中柴油的每个阶段，淋溶液中柴油质量浓度随淋溶液体积增加而减小，粗砂的颗粒间孔隙大，孔隙中柴油在淋溶液冲刷下不断释放;在连续淋溶的1,2阶段，淋溶液中柴油质量浓度较高;由于乙醇溶液溶解柴油的能力强，阶段3的淋溶液中柴油质量浓度明显高于阶段2;在间歇期间乙醇溶液与粗砂中的柴油充分接触，有助于柴油溶解于淋溶液中;但间歇后用NaN3溶液淋溶，淋溶液中柴油质量浓度较前一阶段略低。由图3可见:细砂淋溶液中柴油质量浓度波动较大，细砂颗粒间孔隙小，淋溶液流经细砂柱的速率慢，因此细砂中柴油在淋溶状态下释放较慢;当淋溶液体积大于2300mL后，淋溶液中柴油质量浓度较稳定。由图4可见:当淋溶液体积大于500mL后，亚黏土淋溶液中柴油质量浓度在10mg/L左右，变化不大；亚黏土颗粒细小且含有一定量的有机质，对柴油的吸附和截留能力均较强［11］,因此在淋溶状态下亚黏土中柴油的释放速率最慢。2.3多孔介质中的柴油残留量和柴油极限残留量多孔介质中的柴油残留量和柴油极限残留量见图5。由图5可见:粗砂、细砂和亚黏土中的柴油残留量处于相同的数量级，介于30.0-40.0mg/g之间;亚黏土中的柴油极限残留量最高，在2.0mg/g以上，粗砂中的柴油极限残留量最低，约0.1mg/g，可见颗粒细小且有机质含量较高的介质吸附和截留柴油的能力强，柴油残留量大［12］，说明粗砂中柴油更易释放，在雨水和河流等冲刷下将不断释放并向介质深处迁移。综合粗砂、细砂和亚黏土中柴油的挥发、淋溶和残留特点，在污染初期应着重控制颗粒较大的多孔介质中柴油向地下的迁移路径，避免地下水受到污染。a）柴油在多孔介质中的挥发特性研究结果表明，柴油达到挥发平衡后，亚黏土中柴油挥发率最高，达22.1%;细砂次之，为19.8%;粗砂最低，为12.4%。柴油在堆积密度1.48g/cm3的粗砂中的挥发率比在堆积密度1.60g/cm3的粗砂中高1.0%;柴油在堆积密度1.46g/cm3的细砂中的挥发率较在其他2种堆积密度的细砂中高0.2%;柴油在堆积密度1.45g/cm3的亚黏土中的挥发率比堆积密度1.17g/cm3的亚黏土中高1.0%。淋溶初始阶段淋溶液中的柴油质量浓度较高，随后逐渐减小并趋于稳定。淋溶状态下，粗砂、细砂和亚粘土中的柴油释放速度依次降低。挥发和淋溶后，粗砂、细砂和亚黏土中的柴油残留量处于相同的数量级，为30.0-40.0mg/g;亚黏土中的柴油极限残留量最高，在2.0mg/g以上，粗砂中的柴油极限残留量最低，约0.1mg/g。【相关文献】[1]BrooksRH,CoreyAT.Propertiesofporousmediaaffectingfluidflow[J].JIrrigatDrainDivis,1966,92:61-88.[2]FingasMF.Studiesontheevaporationofcrudeoilandpetroleumproducts:II.Boundarylayerregulation[J].JHazardMater,1998,57:41-58.[3]HoagGE,MarleyMC.Gasolineresidualsaturationinunsaturateduniformaquifermaterials[J].JEnvironEng,1986,112:586-604.童玲，郑西来，李梅，等.不同下垫面苯系物的挥发行为研究[J].环境科学，2008,29(7):2058-2062.刘鹏，李大平，王晓梅，等.石油污染土壤的生物修复技术研究[J].化工环保，2006,26(2):91-94.[6]WipflerEL,NessM,BreedveldGD,etal.InfiltrationandredistributionofLNAPLintounsaturatedlayeredporousmedia[J].JContaminHydrol,2004,71:47-66.[7]RadheySS,MostafaHAM.AnexperimentalinvestigationofLNAPLmigrationinanunsaturated/saturatedsand[J].EngGeology,2003,70:305-313.[8]DekkerTJ,AbriolaLM.Theinfluenceoffield-scaleheterogeneityontheinfiltrationandentrapmentofdensenon-aqueousphaseliquidsinsaturatedformations[J].JContaminHydrol,2000,42:187-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