石油烃污染土壤颗粒运动状态与脱附关系数值模拟

耿坤宇, 孟敏, 丁焱梁, 许萧, 杨强. 石油烃污染土壤颗粒运动状态与脱附关系数值模拟[J]. 环境工程学报, 2019, 13(8): 1940-1948. doi: 10.12030/j.cjee.201810183
引用本文: 耿坤宇, 孟敏, 丁焱梁, 许萧, 杨强. 石油烃污染土壤颗粒运动状态与脱附关系数值模拟[J]. 环境工程学报, 2019, 13(8): 1940-1948. doi: 10.12030/j.cjee.201810183
GENG Kunyu, MENG Min, DING Yanliang, XU Xiao, YANG Qiang. CFD numerical simulation of the relationship between particle movement and desorption of petroleum hydro-carbon contaminated soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(8): 1940-1948. doi: 10.12030/j.cjee.201810183
Citation: GENG Kunyu, MENG Min, DING Yanliang, XU Xiao, YANG Qiang. CFD numerical simulation of the relationship between particle movement and desorption of petroleum hydro-carbon contaminated soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(8): 1940-1948. doi: 10.12030/j.cjee.201810183

石油烃污染土壤颗粒运动状态与脱附关系数值模拟

    作者简介: 耿坤宇(1994—),男,硕士研究生。研究方向:土壤强化修复技术。E-mail:13946105435@163.com
    通讯作者: 杨强(1983—),男,博士研究生,教授。研究方向:三相分离技术。E-mail:qyang@ecust.edu.cn
  • 基金项目:
    国家重点研发计划(2018YFC1801904-02,2018YFC1802704);国家自然科学基金优秀青年科学基金资助项目(51722806)
  • 中图分类号: X53

CFD numerical simulation of the relationship between particle movement and desorption of petroleum hydro-carbon contaminated soil

    Corresponding author: YANG Qiang, qyang@ecust.edu.cn
  • 摘要: 针对土壤中石油烃污染的脱附,采用计算模拟方法对污染土壤颗粒的运动状态与脱附关系进行了研究。结果表明,颗粒中污染物的脱附效果与其运动状态有关,脱附效果由低至高排序为颗粒静止<直线运动<螺旋运动,且颗粒做螺旋运动对污染物的脱附较其他运动状态更为均匀;螺旋运动的脱附效果与旋向无关,但与运动圈数有关,单位时间内螺旋运动的圈数越多,颗粒的脱附效果越好。基于上述结果,设计了一种管式涡流结构以期实现颗粒的螺旋运动,实现了土壤颗粒中石油烃污染物的强化脱附。利用Fluent模拟了不同管式涡流结构的流体流动形态及颗粒运动轨迹,发现螺旋叶片的旋向能够调控颗粒的运动旋向,螺旋叶片的导程能够调控颗粒的运动圈数。
  • 贻贝是一种常见的海洋生物,它们可以强力附着在水体环境中有机或无机基底材料的表面[1]。研究发现,贻贝黏液中的黏附蛋白(mussel adhesive proteins,MAPs)是贻贝能够迅速在潮湿环境中附着在各种材料表面的主要成分[2]。而黏附蛋白中起到黏附作用的关键物质是3,4-二羟基苯丙氨酸(3,4-dihydroxylphenylalanine,L-多巴或L-DOPA)和含赖氨酸蛋白质[3]。2007年,Lee等的研究团队在表面化学的研究中发现,多巴胺(dopamine,DA)在含氧碱性水溶液中会发生自聚反应,并利用共价和非共价键作用在材料表面生成具有极强黏附性的聚多巴胺包覆层,该涂层拓宽了材料表面功能化的新途径[4]。聚多巴胺包覆层拥有大量的邻苯二酚和胺基等功能基团,为吸附结合目标物提供了大量活性位点。目前,聚多巴胺功能材料已广泛运用在生产生活的多个领域[5]。在环境护方面,聚多巴胺功能材料凭借着优异的吸附催化性能,成为净化去除水体中重金属离子和有机污染物的研究热点[6-7]

    多巴胺是一种生物神经递质,它的化学名称为4-(2-乙氨基)-苯-1,2-二酚(4-(2-aminoethyl)benzene-1,2-diol),属于儿茶酚胺类物质[8]。在脱羧酶的作用下,L-多巴可转化形成多巴胺[9]。作为L-多巴的衍生物,多巴胺的化学结构中的邻苯二酚和氨基官能团为后续实现材料的修饰奠定了基础[10]

    儿茶酚胺类的不同结构(引自Barclay等[10])如下:

    多巴胺在氧气的参与作用下,能够在弱碱性水溶液中自发反应生成聚合物—聚多巴胺(polydopamine,PDA)[11]。目前,关于聚多巴胺形成机理的研究众说纷纭,尚没有定论。主流的聚多巴胺形成理论包括 “氧化-聚合”机理、“真黑色素”形成理论和“共价-非共价”共同作用机理等[12-18]

    图1所示,学者们提出了“氧化-聚合”机理:在反应过程中,多巴胺单体的邻苯二酚基团首先被氧化,生成结构性质不稳定的多巴胺醌(dopaminequinone)。多巴胺醌会发生内环化反应生成无色的多巴胺中间体(leukodopaminechrome)。该中间体发生氧化形成粉红色的多巴胺中间体(dopaminechrome),粉色中间体继续发生氧化重排生成5,6-二羟基吲哚(5,6-dihydroxyindole,DHI);5,6-二羟基吲哚与其产物5,6-醌再发生支化反应形成二聚体或其他低聚体,这些低聚体最后通过交联形成聚多巴胺包覆层[12-13]。多巴胺在溶液中的自聚反应伴随着颜色的变化,溶液颜色随着时间的延长由无色变为棕色,最终变为黑色[14]。针对该现象,科研人员通过模拟分析大量的分子数据,提出聚多巴胺的形成主要是依赖反应前期生成的低聚物,且这些受共价键束缚的低聚物以 π-π 键的相互作用堆积在一起,形成类似石墨结构的层状聚集体[15]

    图 1  多巴胺的“氧化-聚合”机理(引自陈丽娟等[13]
    Figure 1.  The oxidation-polymerization mechanism of dopamine[13]

    Dreyer等也证明了聚多巴胺的形成与非共价键力(π-π 键、氢键和电荷转移)的作用密切相关,并且赋予了聚多巴胺在水溶液中较强的稳定性[16]。因此,大部分学者认为聚多巴胺的形成是非共价键和共价键共同作用的产物。如图2所示,Hong等[17]提出了“共价-非共价”共同作用机理:聚多巴胺是由共价聚合和非共价自组装共同作用形成的;反应前期生成的5,6-二羟基吲哚之间发生氧化聚合形成二聚体,二聚体再和一个多巴胺单体分子结合生成三聚体(DA-DHI-DHI);同时,两个多巴胺分子与5,6-二羟基吲哚通过自组装形成三聚体复合物(DA2/DHI)。DA2/DHI具有一定的生物毒性,但因其大部分被固定在聚多巴胺中,使得聚多巴胺具有较好的生物相容性。同时DA2/DHI也是聚多巴胺的形成过程中黑色沉淀产生的原因[18]

    图 2  聚多巴胺的“共价-非共价”合成途径(引自Hong等[17]
    Figure 2.  The “covalent - non-covalent” synthesis pathway of polydopamine proposed by Hong[17]

    图3所示,在避光有氧的环境条件下,基体材料置于三羟甲基氨基甲烷(Tris)的缓冲溶液(pH=8.5)中,多巴胺可以在其表面通过自聚反应生成聚多巴胺包覆层[4]。包覆层的厚度随反应时间的推移而增加。当反应时间为24 h时,厚度达到最大,为50 nm。因此在合适的反应条件下,多巴胺能够通过非共价和共价键力的相互作用,与不同的基底材料表面进行聚合附着来实现对材料的包覆[19-20]。在非共价作用方面,聚多巴胺利用非共价键力(π-π 堆积、氢键、金属离子螯合或配位等)在基底材料表面进行聚合包覆;而在共价作用方面,聚多巴胺不仅可以利用共价键的结合作用与一些表面含有硫醇基和胺基等官能团的材料发生迈克尔加成反应或碱性条件下的希夫反应,而且通过这些反应也可在聚多巴胺包覆层上接枝功能分子,实现复合材料进一步的功能化[21-22]

    图 3  聚多巴胺包覆材料的合成示意图(引自Lee等[4]
    Figure 3.  Scheme of the synthesis of polydopamine-coated material[4]

    影响聚多巴胺形成-附着过程的因素主要包括多巴胺单体浓度、溶液pH及沉积时间/温度等。多巴胺单体浓度会影响到聚多巴胺包覆层的厚度和表面粗糙度。一般包覆层的厚度和表面粗糙度会随着多巴胺浓度的提高而增加,但超出一定范围后,浓度基本不影响包覆层的沉积[23]。通常聚多巴胺的沉积发生在弱碱性溶液中,这是因为弱碱性环境有助于多巴胺自聚反应前驱体的形成,但Wei等研究发现,在反应溶液中加入一些氧化剂(Cu2+、过硫酸铵等)后也能实现酸性条件下的自聚反应[24]。此外,沉积时间/温度也是影响反应速率的重要因素,当沉积时间或温度适当增加,包覆层沉积的速率同样会提高[25]

    随着当代社会的高速发展,人类的生产生活已严重影响到水体生态环境的稳定,水污染问题日益突出。水体污染物主要来源于工业废水、生活污水及农业污水,而污染物的种类一般分为有机物、无机物和微生物三大类[26]。目前,应用于水污染控制领域的处理技术有物理法、化学法、物理化学法及生物法。在水污染处理方面,聚多巴胺功能材料结合了基底材料的优良特性和聚多巴胺包覆层丰富的功能基团,通过吸附或催化等方法对水中重金属离子和有机污染物进行有效的去除[27]

    作为一种利用吸附材料的高比表面积和特殊吸附位点等优势来去除水中重金属的方法,吸附法因材料廉价易得和操作简单的优势而被广泛使用[28]。聚多巴胺功能材料凭借着聚多巴胺层丰富的功能基团(邻苯二酚、胺基和亚胺基等),为与水中重金属离子结合提供了大量的吸附位点[29]

    目前,研究人员在努力开发新型的基底材料和聚多巴胺表面改性手段以提高复合材料吸附去除重金属离子的效率。马玉荣等利用共沉淀法合成的聚多巴胺包覆的Fe3O4(Fe3O4@PDA NPs),通过利用聚多巴胺具有丰富吸附位点和磁性材料易于分离回收的特点,用来吸附去除模拟废水中的Pb2+[30]。由电镜表征可以看出,聚多巴胺通过羟基-铁化学作用包覆在在Fe3O4 NPs表面,形成了具有核壳结构的Fe3O4@PDA NPs(图4C)。实验表明,在最佳条件下,Fe3O4@PDA NPs对Pb2+的最大吸附量约为20.68 mg∙g−1。作为石墨烯的衍生物,氧化石墨烯(GO)具有高比表面积、丰富功能基团和优秀力学性能等特点,因此可对GO进行表面改性来调控表面性质,以提升其吸附性能[31-32]。Dong等通过控制聚多巴胺的质量分数,合成了一系列亚纳米级厚的聚多巴胺包覆的GO复合材料(PDA/GO)[33]。PDA/GO对Pb2+、Cu2+、Cd2+及Hg2+等重金属离子的最大吸附量分别为53.6、24.4、33.3、15.2 mg∙g−1,吸附性能均优于单纯的GO和PDA,体现了复合材料中PDA和GO的协同作用。Ali等同样利用共沉淀法合成了磁性氧化石墨烯(GO/Fe3O4),然后通过聚多巴胺包覆GO/Fe3O4制备出 rGO/Fe3O4@PDA,作为吸附水中Pb2+的新型磁性吸附剂[34]。由于吸附材料存在丰富的胺基和羟基等官能团,rGO/Fe3O4@PDA对Pb2+的吸附能力可达35.2 mg∙g−1,吸附性能明显优于未修饰的GO/Fe3O4。碳纳米管也是一类具有较高比表面积的碳基材料,但因表面带有的官能团较少、水分散性较差等缺点导致其在实际运用过程中存在短板[35]。刘杏红等通过将多巴胺氧化自聚到磁性碳纳米管(mMWNTs)上,合成了聚多巴胺包覆的磁性碳纳米管材料(mMWNTs@PDA)[36]。实验结果证明,mMWNTs@PDA对水中Ni2+的吸附过程符合Freundlich等温吸附和准二级动力学模型,且在最优条件下,mMWNTs@PDA对Ni2+最大吸附量可达27.9788 mg∙g−1。针对一些特殊重金属离子污染水体的治理,Yang等通过采用多巴胺聚合沉积工艺和温和水热法合成了层状双氢氧化物(LDH)原位生长修饰的Fe3O4@PDA(Fe3O4@PDA@LDH)微球,对核工业产生的含U(Ⅵ)的废水进行吸附净化[37]。在实验过程中,通过控制PDA和LDH的用量制备了不同PDA厚度和LDH含量的复合材料微球(MP2L1、MP2L2、MP2L3、ML2及MP2等)。在pH=5.0和T=298.15 K的条件下,材料对U(Ⅵ)的最大吸附容量分别为MP2L2(344 mg∙g−1)> MP2L3(291 mg∙g−1)> MP3L2(245 mg∙g−1)> MP2L1(211 mg∙g−1)> ML2(142 mg∙g−1)> MP1L2(141 mg∙g−1)> MP2(71 mg∙g−1)> Fe3O4(34 mg∙g−1),其中MP2L2具有较高的吸附容量,处理效果在含铀废水的净化方面是较为可观的。

    图 4  Fe3O4@PDA NPs的结构图
    Figure 4.  Structure of Fe3O4@ PDA NPs
    (A)Fe3O4 NPs(B)和Fe3O4@PDA NPs(C)的TEM图(引自马玉荣等[30]
    (A),TEM images of Fe3O4 NPs (B) and Fe3O4@ PDA NPs (C)[30]

    Zeng等通过将聚多巴胺掺入到支链淀粉水凝胶基质中,合成了具有高机械强度和可生物降解特性的支链淀粉/聚多巴胺(Pu/PDA)生物水凝胶吸附剂[38]。实验表明,通过调节预凝胶溶液中的聚多巴胺的浓度,可很好地控制该吸附剂的吸水率、机械强度及孔径。Pu/PDA对重金属离子具有较高的吸附能力,对Cu2+的吸附容量最高可达到100 mg∙g−1 。而Li等首先将聚多巴胺引入氧化石墨烯中合成了PDA-GO(图5-Ⅰ),然后通过瞬时凝胶法制备出聚乙烯醇/壳聚糖功能化的PDA-GO(PVA/CS/PDA-GO)水凝胶珠,用于吸附水中的Pb2+、Cu2+及Cd2+[39]。PDA-GO的存在不仅增强了水凝胶珠体系的稳定性,而且大量的活性基团的引入提高了吸附性能(图5-Ⅱ)。在最优条件下,通过Langmuir等温线对实验数据的拟合可知,PVA/CS/PDA-GO对Pb2+、Cu2+及Cd2+的最大吸附量分别为236.20、210.94、214.98 mg∙g−1。为解决实际水体环境中重金属离子共存污染的问题,Wang等采用水溶法快速制备了氨基水杨酸/聚多巴胺改性的PP无纺布吸附剂(PP/PDA/ASA)[40]。交联在聚合物末端的水杨酸分子增加了官能团的类型,有效地解决了因多组分体系中重金属离子的竞争吸附效应引起去除效率低的问题。在含有5 mg∙L−1的Cu(Ⅱ)/Cd(Ⅱ)/Pb(Ⅱ) 混合体系溶液中,由于表面氨基、羟基及羧基等官能团参与了重金属离子的吸附,PP/PDA/ASA可去除90%的Cu2+和Pb2+及80%的Cd2+

    图 5  PDA-GO的制备及重金属离子与PVA/CS/PDA-GO相互作用示意图(引自Li等[39]
    Figure 5.  Preparation of PDA-GO and Schematic of the Interaction between Heavy Metal Ions and PVA/CS/PDA-GO[39]

    有机污染是造成水污染的重要原因之一。水中有机污染物的来源主要有生活污水、工业废水及大气污染,污染水体一旦不进行净化处理,便会对自然环境造成严重破坏并威胁到人体生命健康[41]。聚多巴胺功能材料因聚多巴胺包覆层上邻苯二酚、胺基及芳香族基团的存在,为有机污染物的去除提供了大量的活性位点。聚多巴胺功能材料可通过静电相互作用、配位或螯合作用、氢键或 π-π 键堆积相互作用对有机染料和硝基苯酚等进行吸附或催化降解,因此在水中有机污染物的净化方面具有广阔前景[42-43]

    在污水中有机染料的吸附去除方面,Li等利用聚多巴胺为原料,通过将聚多巴胺包覆的CoFe2O4亚微球包裹在海藻酸钠微球中,合成了具有多孔结构和大量官能团的复合微球材料(SA@CoFe2O4-PDA),用来吸附去除亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)及晶体紫(CV)等有机染料[44]。实验表明,SA@CoFe2O4-PDA对MB、CV及MG的最大吸附容量分别为466.60、456.52、248.78 mg∙g−1。Chen等首先将β-环糊精(β-CD)和柠檬酸(CA)酯化交联生成CD-CA,然后CD-CA与聚多巴胺结合,制备出聚多巴胺改性的环糊精聚合物(CD-CA/PDA)(如图6所示),用于MB、MG及CV等染料的吸附去除[45]。CD-CA/PDA对染料的吸附呈现出从单层吸附向多层吸附过渡的趋势,且对MB、MG及CV的吸附容量分别为582.95、1174.67、473.01 mg∙g−1。刘怡虹等将多巴胺和氧化石墨烯(GO)混合,通过聚多巴胺提供的强大粘合力,辅助GO自组装形成具有三维多孔网状结构的GO水凝胶,经水合肼对其进行还原后,生成了聚多巴胺交联的还原性石墨烯气凝胶(DA-rGA),以对MG、藏红T(ST)和罗丹明B(RhB)等阳离子染料进行吸附研究[46]。实验结果表明,DA-rGA的三维孔隙利于吸附分子在内部的快速扩散,因此对有机染料具有优异的吸附性能。Fu等通过合成的聚多巴胺微球对亚甲基蓝的吸附研究进一步证实,聚多巴胺在反应体系中会释放质子而带有负电荷,因此聚多巴胺功能材料可通过静电作用对水中阳离子染料进行吸附结合,而对阴离子染料的吸附效果就不如人意[47]。而何雪梅等利用双醛壳聚糖作为交联剂,通过在聚多巴胺修饰的羊毛织物表面上接枝季铵盐阳离子进行二次功能化,巧妙地得到了PDA/季铵盐阳离子改性的羊毛织物,用于吸附去除阴离子染料酸性大红G[48]。相较于未经处理的羊毛,羊毛织物的表面经改性后拥有更多的活性基团,大大提高了染料扩散进入纤维内部的速率。在pH值为2、染色时间为60 min等最佳实验条件下,PDA/季铵盐阳离子改性的羊毛织物对酸性大红G具有较高的吸附率。Zhan等通过将多巴胺聚合到多孔柚皮表面,成功制备了一种环保的生物吸附剂(PP-PDA)[49]。PP-PDA对水中阳离子染料表现出较高吸附能力,MB、MG和中性红(NR)的最大吸附容量分别为434.78、143.88、208.33 mg∙g−1。且PP-PDA的再生能力较强,经过20次循环后也可保持较高的吸附能力。

    图 6  CD-CA/PDA的制备过程(引自Chen等[45]
    Figure 6.  Preparation steps of CD-CA/PDA[45]

    聚多巴胺功能材料也可利用催化法对水中有机染料和芳香族化合物进行去除。Ma等首次通过原位自聚反应合成了具有核壳结构的聚多巴胺包覆的CuFe2O4磁性纳米粒子(CuFe2O4@PDA MNPs),且该产品的PDA涂层厚度可通过调节制备过程中多巴胺的浓度来控制[7]。在H2O2的存在下,CuFe2O4@PDA MNPs表面吸附MB,H2O2分子被CuFe2O4@PDA激活产生的·OH可有效降解MB,最优条件下的催化降解效率可达97%以上。如图7所示,Niu等首先制备出PDA包覆的SiO2颗粒,接着利用PDA涂层作为交联剂和还原剂,在其表面接枝Fe3O4 NPs和Au NPs,合成了具有中空结构的Au-Fe3O4/PDA纳米颗粒[50]。在优化实验材料用量后,Au-Fe3O4/PDA利用金属纳米颗粒的催化性能,能够将溶液体系中的4-硝基苯酚完全还原为4-氨基苯酚,且复合材料具有较优异的可回收性。MASSARO等通过将铜离子螯合在PDA包覆的沙子表面,制备出低成本的砂载铜催化剂(Cu-PDA@Sand),对MB、CR及4-硝基苯酚进行催化还原[51]。实验表明,由于负载铜离子的存在,复合材料有效地对有机染料进行了催化降解。Cu-PDA@Sand不仅能够通过自沉淀法进行简单地回收,而且可重复使用来实现长期稳定的催化性能。而在聚多巴胺对膜材料表面的改性方面,张娇娇等利用DA作为涂层材料,聚丙烯腈(PAN)静电纺纳米纤维膜为基底材料,制备出PDA/PAN纳米纤维复合膜材料[52]。在保证较高纯水通量的前提下,经聚多巴胺涂覆后的PAN纤维膜对乳化油的截留率高达96.1%,大幅提升了处理含油废水的效果。

    图 7  Au-Fe3O4/PDA的制备过程(引自Niu等[50]
    Figure 7.  Preparation of Au-Fe3O4/PDA[50]

    多巴胺在弱碱条件下可通过自聚反应生成聚多巴胺,涂覆在各种基底材料表面形成聚多巴胺功能材料。目前,社会的高速发展已经对环境造成严重破坏,尤其在水体环境方面,水污染问题日益严峻。不同于一般的水污染修复材料,聚多巴胺功能材料不仅可利用邻苯二酚和胺基等丰富的功能基团,与水中重金属离子和有机污染物通过氢键、静电相互作用、π-π 键堆积及配位螯合作用进行结合,而且可利用共价和非共价键力在聚多巴胺包覆层接枝功能分子来提升复合材料的功能特性。聚多巴胺功能材料凭借着优异的吸附和催化还原性能、简单环保的制备方法、良好的生物相容性及可二次修饰等优势,对水中的重金属离子和有机污染物具有较高的去除效率且处理后不易对水体环境造成二次污染。本篇文章首先从多巴胺的结构性质入手,介绍了目前表面化学研究中主流的聚多巴胺形成和附着机理,然后从去除水中重金属离子和有机污染物这两个方面,总结了多种聚多巴胺功能材料在水污染处理方面的具体应用。

    通过上述聚多巴胺功能材料在水体污染物去除方面的应用可以看出,基底材料经聚多巴胺修饰或在聚多巴胺涂层表面进行二次修饰后,吸附和催化还原性能均有大幅度的提升。但将这些复合材料从实验室的研究运用到实际生产生活中时,却存在一些关键问题需要解决。一方面,多巴胺的自聚过程、中间产物的组成及聚多巴胺的精确分子结构尚无定论,在缩短多巴胺聚合时间和调控聚多巴胺涂层的厚度等问题上仍需要摸索实验条件。另一方面,在实际污染水样的处理中,由于较难控制的水体含氧量和流速、复杂的污染物质及过酸或过碱的水体环境等多种因素的制约,导致聚多巴胺功能材料的使用场景受到严重限制且处理效率大幅降低。因此,需要针对聚多巴胺的形成机理做进一步的研究,探究限制多巴胺自聚反应的形成过程的限制因素(例如单次反应涂层的最大厚度不会超过50 nm、酸性条件下需要特定氧化剂的帮助等)[42]。此外,还需要通过优化聚多巴胺功能材料的制备过程来提高其在各种污染水体中的稳定性和高效性,并减少复合材料对水体的二次污染。目前,研究人员正努力开发制备简单、成本较低及环境友好的新型聚多巴胺功能材料,挖掘其在医学、光学及电化学等新领域的应用潜力。未来,相信聚多巴胺功能材料凭借其优异的性能会在水污染领域中具有更广阔的前景,也定会在更广泛的领域做出更大的贡献。

  • 图 1  三维几何模型

    Figure 1.  Three-dimensional geometric model

    图 2  ICEM网格

    Figure 2.  ICEM meshing

    图 3  三维几何模型

    Figure 3.  Three-dimensional geometric model

    图 4  土壤颗粒内部含油量三维云图

    Figure 4.  Three-dimensional cloud image of oil content in soil particles

    图 5  不同运动形态下土壤含油量变化曲线

    Figure 5.  Curve of soil oil content under different motion patterns

    图 6  土壤颗粒反面含油量三维云图

    Figure 6.  Three-dimensional cloud image of oil content on the reverse side of soil particles

    图 7  土壤颗粒表面含油量三维云图

    Figure 7.  Three-dimensional cloud image of oil content on the surface of soil particles

    图 8  模拟与实验结果比较

    Figure 8.  Comparison of simulation and experimental results

    图 9  截取位置及截面速度矢量图

    Figure 9.  Interception position and cross section velocity vector

    图 10  颗粒运动轨迹

    Figure 10.  Particle motion trajectory

    表 1  湍流模型比较

    Table 1.  Comparison of turbulence models

    湍流模型 适用范围
    标准k-ε模型 完全湍流的流动过程模拟,计算量小
    重整化群k-ε两方程模型 强流线弯曲、漩涡和旋转等,计算量大
    可实现型k-ε模型 旋转均匀剪切流,自由流(射流和混合层),腔道流动和边界层流动等,计算量大
    湍流模型 适用范围
    标准k-ε模型 完全湍流的流动过程模拟,计算量小
    重整化群k-ε两方程模型 强流线弯曲、漩涡和旋转等,计算量大
    可实现型k-ε模型 旋转均匀剪切流,自由流(射流和混合层),腔道流动和边界层流动等,计算量大
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    表 2  管式涡流结构形式

    Table 2.  Tube vortex structure

    序号 叶片旋向 叶片导程/mm
    1 左旋 37.5
    2 右旋 37.5
    3 左旋 18.75
    序号 叶片旋向 叶片导程/mm
    1 左旋 37.5
    2 右旋 37.5
    3 左旋 18.75
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-30
  • 录用日期:  2019-05-30
  • 刊出日期:  2019-08-01
耿坤宇, 孟敏, 丁焱梁, 许萧, 杨强. 石油烃污染土壤颗粒运动状态与脱附关系数值模拟[J]. 环境工程学报, 2019, 13(8): 1940-1948. doi: 10.12030/j.cjee.201810183
引用本文: 耿坤宇, 孟敏, 丁焱梁, 许萧, 杨强. 石油烃污染土壤颗粒运动状态与脱附关系数值模拟[J]. 环境工程学报, 2019, 13(8): 1940-1948. doi: 10.12030/j.cjee.201810183
GENG Kunyu, MENG Min, DING Yanliang, XU Xiao, YANG Qiang. CFD numerical simulation of the relationship between particle movement and desorption of petroleum hydro-carbon contaminated soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(8): 1940-1948. doi: 10.12030/j.cjee.201810183
Citation: GENG Kunyu, MENG Min, DING Yanliang, XU Xiao, YANG Qiang. CFD numerical simulation of the relationship between particle movement and desorption of petroleum hydro-carbon contaminated soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(8): 1940-1948. doi: 10.12030/j.cjee.201810183

石油烃污染土壤颗粒运动状态与脱附关系数值模拟

    通讯作者: 杨强(1983—),男,博士研究生,教授。研究方向:三相分离技术。E-mail:qyang@ecust.edu.cn
    作者简介: 耿坤宇(1994—),男,硕士研究生。研究方向:土壤强化修复技术。E-mail:13946105435@163.com
  • 1. 华东理工大学机械与动力工程学院,上海 200237
  • 2. 华东理工大学,国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室,上海 200237
基金项目:
国家重点研发计划(2018YFC1801904-02,2018YFC1802704);国家自然科学基金优秀青年科学基金资助项目(51722806)

摘要: 针对土壤中石油烃污染的脱附,采用计算模拟方法对污染土壤颗粒的运动状态与脱附关系进行了研究。结果表明,颗粒中污染物的脱附效果与其运动状态有关,脱附效果由低至高排序为颗粒静止<直线运动<螺旋运动,且颗粒做螺旋运动对污染物的脱附较其他运动状态更为均匀;螺旋运动的脱附效果与旋向无关,但与运动圈数有关,单位时间内螺旋运动的圈数越多,颗粒的脱附效果越好。基于上述结果,设计了一种管式涡流结构以期实现颗粒的螺旋运动,实现了土壤颗粒中石油烃污染物的强化脱附。利用Fluent模拟了不同管式涡流结构的流体流动形态及颗粒运动轨迹,发现螺旋叶片的旋向能够调控颗粒的运动旋向,螺旋叶片的导程能够调控颗粒的运动圈数。

English Abstract

  • 石油是一种由饱和烃、芳香烃、胶质及沥青质等组成的复合体,故石油污染具有环境体系复杂、波及范围广、治理困难、修复周期长、产生危害大的特征。石油烃污染物进入土壤后会改变土壤的理化性质,威胁地下水安全,致使动植物死亡,甚至危害人类健康[1-3]。石油在加工和运输过程中产生的三泥、罐底泥、船舱底泥等油泥污染物中主要成分都是石油污染土壤和泥沙[4-6],我国每年因石油造成的污染土壤近1×105 t,所以石油烃污染土壤的修复治理已迫在眉睫。

    目前,污染土壤的修复方法主要分为物理修复、化学修复和生物修复。常见的修复方法有土壤洗涤法[7-8]、化学氧化法[9-10]、电动修复法[11]、生物强化法[12-13]、机械洗脱法等。其中,机械洗脱法以其修复周期短、修复彻底而被广泛应用于土壤修复中。机械洗脱法的前期研究主要集中在超声、微波、喷射反应[14-17]等方面,这些技术均通过外加场强的方法进行污染物的脱附,故普遍存在高能耗的弊端[18]。目前,有研究[19]表明颗粒运动可以提高其中污染物的脱附效果。因此,在低能耗下,依靠特殊物理结构调控土壤颗粒自身运动状态强化污染物脱附,对于石油烃污染土壤的修复具有重要意义。

    本研究将使用CFD软件Fluent(UDF)对石油烃污染土壤颗粒的不同运动状态进行模拟,得到颗粒运动状态与脱附效果之间的关系,并基于此结果,设计一种管式涡流结构,满足颗粒的运动状态,探究在不同结构参数下,颗粒运动状态的变化及石油烃脱附效果。

    • 以流体仿真的方法研究颗粒运动状态与脱附效果之间的关系,利用SW软件建立三维几何模型(如图1所示)。其中,直径为2 mm的小球代表土壤颗粒,内径为25 mm且长度为75 mm的圆柱代表管路。

      利用ICEM对几何模型进行网格划分,设置小球与圆柱之间的封闭区域为SUR,小球所在的封闭区域为SUR2,球面为interior。采用四面体网格,设置网格密度为8.6×109 m−3并保证网格质量均在0.45以上,这样才符合计算要求。划分后的网格如图2所示。为消除网格数目对计算结果的影响,对网格进行无关性检测。进一步增大网格密度,以脱附后土壤颗粒含油量为特征参数,通过比较发现,增大网格密度后,误差始终保持在1%以内。综合考虑计算精度及计算成本,选取网格密度为8.6×109 m−3

    • 使用Fluent中的组分输送模型,通过计算每种物质的扩散、对流以及反应热源守恒方程来模拟混合和组分的输运。污染土壤颗粒的洗脱过程就是将污染物由颗粒转移到洗涤液中的过程,故选用组分输送模型来模拟这一过程。选择混合组分为柴油-丙酮,选择密度为体积-质量混合定律,选择质量扩散率为2.88×10−20 m2·s−1。由于不涉及传热过程,比热、热导率等其余参数均保持默认值。

      土壤颗粒是一种典型的多孔介质,故需要开启多孔介质模型对小球封闭区域SUR2进行定义。多孔介质模型的本质是在标准动量方程的基础上,添加了一个动量方程源项。动量源项又由黏性损失项和惯性损失项组成,计算方法如式(1)所示。

      式中:Sii(xyz)动量方程的源项;|v|为速度;DC为矩阵。

      Fluent中动量源项表现形式分为2种:一种为一元二次方程形式;另一种为幂函数形式。本研究多孔介质模型采用一元二次方程形式,计算方法如式(2)和式(3)所示。

      式中:α为渗透系数;C2为惯性阻力系数;vi为表观速度;A为黏性阻力系数。

      根据经验,设置黏性阻力系数为2×1012 m−2,惯性阻力系数为2×1012 m−1。由于模拟过程不涉及传热,故传热设置保持为默认值。

      湍流模型中常用的方程模型如表1所示。模拟过程中,只有颗粒的运动,流体无旋转运动。综合考虑计算精度及成本,湍流模型选择标准k-ε模型。

    • 动网格用于解决流场形状因边界的运动而随时间变化的问题。动网格的设置首先要确定网格的更新过程。动网格的网格更新方式有弹簧光顺、扩散光顺、局部网格重构等多种方法。弹簧光顺相对于扩散光顺计算量小,且适用于四面体网格,但其无法改变网格拓扑结构,边界发生大幅运动时,易产生负体积,常与局部网格重构方法结合使用以模拟旋转运动过程,故选择弹簧光顺及局部网格重构的方法进行网格更新。更新后动网格质量的好坏主要由模型的参数设置决定。经过多次调整,最终确定弹簧常数为0.6,Laplace节点松弛因子为0.4,其余采用默认值。重构方法选择局部单元重构,重构参数采用默认值。其次是设置动网格运动区域,设置SUR2及球面为运动区域,形式为刚体。利用UDF中的Deffine_CG_MOTION宏设置颗粒的运动形态,分别为静止、直线运动、1圈顺时针螺旋运动、2圈顺时针螺旋运动、2圈逆时针螺旋运动、4圈瞬时针螺旋运动,并保持土壤颗粒在管路中运动的位移及停留时间相同。

      求解器采用三维双精度解算器,压力速度耦合项采用SIMPLE算法。由于模拟为瞬态模拟,故离散格式采用精度更高的二阶迎风格式。设置完成并进行初始化后,利用Patch功能,将柴油组分赋予到SUR2上,柴油初始含量设置为20%。

    • 管式涡流结构由圆柱形直管和螺旋叶片2部分组成,如图3所示。根据螺旋叶片的导程及旋向不同可分为3种形式,如表2所示。对模型进行网格划分并进行无关性检测,最终确定网格密度为4.43×108 m−3,网格质量保持在0.4以上。

    • Fluent中离散相模型(DPM)可以通过对拉格朗日坐标系下颗粒作用力微分方程进行积分,进而得出连续相湍流涡旋作用对颗粒运动轨迹的影响。故本研究利用DPM,研究在管式涡流结构的作用下土壤颗粒的运动轨迹。设置颗粒形式为惰性颗粒,射流源类型选择点源注射,其余保持默认值。其中,颗粒初始速度绝对值为0.57 m·s−1,颗粒的密度为2 200 kg·m−3,颗粒直径为2 mm。

      由于模拟流体存在旋转运动,而相比于标准k-ε模型,可实现型k-ε模型可以更好地解决旋转剪切流动和漩涡问题[20]。考虑到计算精度,故湍流模型选择可实现型k-ε模型。

    • 入口边界条件为速度入口,液相流速为0.57 m·s−1。根据计算,设置水力直径为2.5 mm,湍动强度为5%。出口边界条件为压力出口,压力为标准大气压。出口水力直径为2.5 mm,湍动强度为5%。入口及出口的离散相边界条件为逃逸,壁面的离散相边界条件为反射。

      求解器采用三维双精度解算器,压力速度耦合项采用SIMPLE算法。离散格式采用二阶迎风格式。设置完成后进行初始化,通过迭代计算得到管式涡流结构作用下的流场及颗粒运动轨迹。

    • 土壤颗粒初始含油量三维云图如图4(a)所示。图4(b)~(g)反映了土壤颗粒经不同状态的运动后颗粒内部最终含油量情况。分析图4(a)图4(b)可知,对于静止的颗粒,初始状态与最终状态相差不大,含油量的变化并不明显。这表明单独依靠浸泡的方法,石油烃污染土壤的脱附效果较差。分析图4(b)图4(c)可知,相对于静止状态,运动颗粒的除油率更高,脱附效果更好。推测这是由于相比静止状态,运动的颗粒会受到液相冲刷或剪切等力的作用,导致石油烃污染物从颗粒上脱附。且随着颗粒的运动,颗粒表面液相不断更新,增强了传质效果。分析图4(c)~(e)可知,运动颗粒的脱附效果与颗粒的运动状态有关,螺旋运动颗粒的脱附效果要优于直线运动。推测这是由于相比直线运动,螺旋运动除了受到冲刷及剪切力外,还受到离心力的作用,强化了石油烃污染物的脱附。且螺旋运动颗粒表面的液相更新速率更快,传质更为剧烈。分析图4(d)图4(e)图4(g)可知,螺旋运动颗粒的脱附效果与相同时间下颗粒做螺旋运动的圈数有关。相同时间下做螺旋运动的圈数越多,颗粒的脱附效果越好。推测这是由于相同时间下,颗粒做螺旋运动的圈数越多,颗粒表面的液相更新速率越快,传质越剧烈。相应地,颗粒的脱附效果越好。分析图4(e)图4(f)可知,相同圈数下,顺时针螺旋运动颗粒与逆时针螺旋运动颗粒的脱附效果相差不大。这表明颗粒的脱附效果与螺旋运动的旋向无关。

      三维云图只对土壤颗粒含油量的始末状态进行了分析。为研究土壤颗粒含油量随时间的详细变化情况,将Fluent中的监测数据导出,利用Origin2017进行数据整理,整理后数据如图5所示。由图5可知,运动颗粒含油量-时间曲线斜率的绝对值随着时间的增长而逐渐减小。这表明随着时间的增长,颗粒的脱附效率逐渐降低。推测这是因为随着脱附时间的增长,颗粒含油量逐渐减小,颗粒与液相中石油烃污染物的浓度梯度减小,扩散过程减弱进而降低了脱附效率。

      分析图5还可以发现,对于直线运动和做1圈顺时针螺旋运动的颗粒,脱后含油量相差不大。但分析脱后颗粒的正面(以xyz坐标轴正方向围成的颗粒表面)含油量云图(图4(c)图4(d))及反面(以xyz坐标轴负方向围成的颗粒表面)含油量云图(图6)后可知,无论颗粒是做直线运动还是螺旋运动,脱后颗粒中石油烃污染物均存在浓度梯度。但螺旋运动颗粒的脱附相对于直线运动更为均匀。

      图7反映了土壤颗粒初始状态以及经不同状态的运动后,颗粒表面最终含油量情况。对比图4图7发现,对于被石油烃完全浸透的单一土壤颗粒而言,颗粒内部油含量要高于表面油含量。且内部油的脱附较表面油更为困难,表面油含量很低时,内部油可能仍然保持较高浓度。

    • 为了验证模型的可靠性,本研究单独做了运动状态与脱除率关系实验。为便于颗粒运动形态的控制,防止其以小颗粒的形式分散在洗涤液中,实验以强度大、孔隙发达、对污染物吸附效果好的麦饭石作为实验材料,经过除杂、筛分后,将麦饭石加入过量的柴油中,并不断搅拌,使麦饭石表面及内部孔道被柴油充分浸润至饱和。经充分搅拌后,在常温避光条件下保存备用。实验时,将污染后的麦饭石颗粒置于金属筛网上沥干不能被吸收的柴油,然后将制备好的颗粒分别加入到不同结构的管式涡流洗涤器中,并以相对脱除率作为研究对象,将模拟结果与实验结果进行了比较,结果如图8所示。其中相对脱除率的计算如式(4)所示。

      式中:E代表相对脱除率;En代表该运动状态下的脱除率;Emax代表所有运动状态中最大脱除率。

      图8可知,模拟值与实验值有着相似的趋势且吻合程度较好。由此说明,本研究模拟在颗粒运动状态与脱附关系的趋势上具有很强的可靠性。

    • 分别截取直径为D0的直管V1(z=0)、V2(z=0.75D0)和V3(z=1.6D0)处的截面,获取截面上的速度矢量图,如图9所示。由图9(b)图9(c)可知,当流体刚进入直管时,速度方向与轴线方向平行,流体呈水平流动。由图9(d)可知,在管式涡流结构的调控下,流体由水平运动变为旋转运动,且旋转方向与螺旋叶片的旋向一致。并且在接近螺旋叶片处湍动加剧,产生漩涡。由图9(e)可知,流体流过螺旋段后,仍保持旋转运动且伴随着涡的产生,但强度相对于螺旋段有所减弱。由图9综合分析可知,螺旋叶片可以通过自身特殊的几何结构,调控流体运动状态,使流体由水平流动变为螺旋转动。

    • 图10反映了颗粒在不同管式涡流结构调控下的运动轨迹。由此可知,3种结构参数不同的管式涡流结构都能调控颗粒做螺旋运动。但不同的结构参数会产生不同的颗粒运动轨迹。螺旋叶片的旋向会调控颗粒螺旋运动的旋向,螺旋叶片的导程会调控颗粒在单位位移下螺旋运动的圈数。推测这是由于螺旋叶片可以调控管内流体的流动形态,产生涡流。颗粒在涡流的作用下,进而也做螺旋运动。不同结构参数的管式涡流结构会产生不同的流体运动状态,进而会导致不同的颗粒运动轨迹。

    • 1)不同运动状态的土壤颗粒脱附效果不同,脱附效果由低至高排序为静止<直线运动<螺旋运动。螺旋运动的脱附效果与旋向无关但与运动圈数有关。相同时间下做螺旋运动的圈数越多,颗粒的脱附效果越好。但无论何种运动方式,随着时间的增长,颗粒的脱附效率都会逐渐降低。

      2)无论颗粒是做直线运动还是螺旋运动,脱附后颗粒中石油烃污染物均存在浓度梯度。但相对于直线运动,螺旋运动脱附后颗粒中污染物的浓度梯度较小,脱附更为均匀。

      3)对于被石油烃完全浸透的单一土壤颗粒而言,颗粒内部油含量要高于表面油含量。且内部油的脱附较表面油更为困难,表面油含量很低时,内部油可能仍然保持较高浓度。

      4)通过添加螺旋叶片,可以改变流体的流动形态,产生涡流,进而调控颗粒做螺旋运动。不同结构的螺旋叶片会产生不同的颗粒运动轨迹。螺旋叶片的旋向能够调控颗粒的运动旋向,螺旋叶片的导程能够调控颗粒的运动圈数。

      5)通过设置管式涡流结构,能够调控颗粒做螺旋运动。通过运动状态的改变,能够增强土壤颗粒中污染物的脱附。这为今后低耗、高效修复石油烃污染土壤提供了新思路。但仿真模型只考虑到流体与颗粒间的传质作用,未考虑到流体对颗粒的剪切力以及颗粒转动产生的离心力等力的作用影响。后续工作将继续针对模型进行优化,使模拟结果更为精确。

    参考文献 (20)

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