蘇 燕，趙勇勝，李璐璐，秦傳玉*，王冬梅，楊 帥（1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 10021；2.吉林大學(xué)環(huán)境工程系，吉林 長春 10021；.長春市水務(wù)集團(tuán)，吉林 長春 10022）

多孔介質(zhì)中泡沫的遷移特性和影響因素研究

蘇 燕1，2，趙勇勝1，2，李璐璐1，2，秦傳玉1，2*，王冬梅3，楊 帥3（1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130021；2.吉林大學(xué)環(huán)境工程系，吉林 長春 130021；3.長春市水務(wù)集團(tuán)，吉林 長春 130022）

通過設(shè)計一系列模擬柱實驗探討了泡沫在非飽和多孔介質(zhì)中的運移特征以及泡沫質(zhì)量、泡沫注入速率、介質(zhì)滲透率對泡沫注入壓力的影響.研究表明：泡沫氣體鋒面、泡沫液體鋒面與泡沫鋒面在多孔介質(zhì)中是分離遷移的，且遷移速度大小關(guān)系為泡沫氣體鋒面＞泡沫液體鋒面＞泡沫鋒面；泡沫鋒面相對于泡沫氣體鋒面的延遲系數(shù)為2.0.在泡沫運移過程中，模擬柱中壓力的產(chǎn)生主要發(fā)生并均勻分布在泡沫覆蓋區(qū)域中，固定點處壓力隨時間呈直線增加趨勢；泡沫在1～1.2mm介質(zhì)中的有效粘度為85.49mPa·s，是水在介質(zhì)中運移有效粘度的84.64倍（水的有效粘度為1.01mPa·s）.由此可知，泡沫注入模擬柱時需要較大的壓力，主要是由于泡沫的有效粘性較大引起的.介質(zhì)滲透率對泡沫注入壓力的影響主要取決于泡沫注入速率；當(dāng)單位面積泡沫注入速率相同時，泡沫注入壓力隨介質(zhì)滲透率增大而降低. 當(dāng)泡沫質(zhì)量為91.4%時，當(dāng)泡沫注入速率由2.1mL/min升高至3.2mL/min與4.4mL/min時，壓力梯度由26.95psi/m升高至30.74與46.40psi/m，而當(dāng)泡沫注入速率為3.2mL/min時，當(dāng)泡沫質(zhì)量由93.5%降低至91.4%與88.2%時，壓力梯度由30.16psi/m升高至30.74與34.57psi/m，由此可知，泡沫質(zhì)量與泡沫注入速率均對泡沫注入速率產(chǎn)生影響，然而泡沫注入速率的影響大于泡沫質(zhì)量對注入壓力的影響.

泡沫；遷移；特性；影響因素；多孔介質(zhì)

目前，對于NAPLs污染土壤的原位治理技術(shù)主要有：原位化學(xué)淋洗技術(shù)、土壤氣相抽提技術(shù)、熱力學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)等.其中，原位的表面活性劑淋洗技術(shù)是修復(fù)非水相液體（NAPLs）污染土壤的常用方法之一［1-3］，該技術(shù)去除污染物效率高、成本低、操作簡單，受到國內(nèi)外學(xué)者的青睞［4］.但實踐證明，傳統(tǒng)的表面活性劑淋洗技術(shù)受到地層介質(zhì)低滲透性及非均勻性的限制，其液相淋洗液易產(chǎn)生孔道效應(yīng)，即淋洗液只沿若干條滲透性相對較高的介質(zhì)孔道流動，難以覆蓋整個污染區(qū)域，致使淋洗效率低下［5］；同時，淋洗液受重力影響較大，縱向遷移的能力遠(yuǎn)大于橫向遷移，導(dǎo)致淋洗液的遷移較難控制，極易進(jìn)入含水層，使污染區(qū)域擴(kuò)大［6-7］.

針對上述問題，國外學(xué)者提出了原位的表面活性劑泡沫淋洗技術(shù)［8-11］.該技術(shù)的核心思想是，將表面活性劑溶液形成泡沫，使用泡沫狀的氣-液混合體系作為沖洗劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液相淋洗液對污染土壤進(jìn)行淋洗.其技術(shù)優(yōu)勢為：首先，泡沫是氣體和液體混合而成的多相分散體系，易變形、具有流動性，可以進(jìn)入大小不同的土壤孔隙，在介質(zhì)中分布更為均勻，有效地避免了孔道效應(yīng)問題［5］；其次，泡沫為氣水混合體系，密度小、重量輕、受重力的影響小，可通過調(diào)控注入壓力來控制其在土壤中的遷移，避免了液相淋洗液遷移難控制、易使污染區(qū)域擴(kuò)大的問題［6-7］.最后，該技術(shù)還可以為地下環(huán)境輸送大量氧氣，刺激好氧微生物的生存，為淋洗后續(xù)的微生物修復(fù)創(chuàng)造良好條件［12-13］.由此可見，原位泡沫淋洗技術(shù)的特點和優(yōu)勢決定了其在NAPLs污染土壤修復(fù)方面具有良好的應(yīng)用前景.

泡沫在多孔介質(zhì)中的運移特征和其他流體不同.相關(guān)研究表明，由于包氣帶介質(zhì)的吸附阻滯作用，泡沫運移時液相和氣相是不同步的，不能作為單獨一相來考慮［14］.同時，在運移過程中泡沫以不斷地破滅與再生、分裂與合并的形式通過介質(zhì)［15］.泡沫的變形、合并、破滅和產(chǎn)生都直接影響到淋洗液在介質(zhì)中的遷移分布情況，這導(dǎo)致泡沫體系在多孔介質(zhì)中的遷移規(guī)律較為復(fù)雜.準(zhǔn)確合理地認(rèn)識和描述泡沫液、泡沫氣體以及泡沫本身在包氣帶介質(zhì)中的遷移特征是決定該技術(shù)能否具有更強(qiáng)的場地適應(yīng)性和提高修復(fù)效果的關(guān)鍵.壓力是泡沫運移過程中的動力，也是將該技術(shù)成功應(yīng)用于場地的關(guān)鍵因素.Chowdiah等［16］和Zhong等［17］研究表明，泡沫質(zhì)量決定了泡沫的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性又決定了泡沫注入的壓力以及泡沫運移過程中包氣帶介質(zhì)中的壓力分布，因此研究泡沫質(zhì)量與注入壓力之間的關(guān)系是至關(guān)重要的.此外，介質(zhì)滲透性以及泡沫注入速率對注入壓力的影響也是考查的關(guān)鍵.

該研究通過設(shè)置不同尺度模擬柱，探究了泡沫體系在多孔介質(zhì)中的遷移規(guī)律和特征，并考察在泡沫注入過程中模擬柱中壓力的空間分布特征；研究了泡沫質(zhì)量、注入速率以及介質(zhì)的滲透率對泡沫注入壓力的影響，進(jìn)一步說明在相同介質(zhì)條件下，泡沫質(zhì)量與注入速率對泡沫注入壓力的影響關(guān)系.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

圖1 實驗裝置Fig.1 Equipment of column experiment

試劑及裝置：研究所用試劑均是分析純.表面活性劑選擇十二烷基硫酸鈉（SDS），購自北京化工制藥廠；亮藍(lán)作為染色物質(zhì)，購自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；高純氮氣購自長春市巨洋氣體有限公司；蠕動泵（BT100-2J）與氣體流量計（LZB-2WB）分別購自保定蘭格恒流泵有限公司和浙江余姚工業(yè)自動化儀表廠.模擬柱為有機(jī)玻璃柱，規(guī)格（內(nèi)徑cm×長度cm）分別為2×100，3×12.5和5×12.5.實驗裝置如圖1所示.

試驗介質(zhì)：將篩分的石英砂（1～1.2mm、0.5～1mm、0.25～0.5mm、0.1～0.25mm）用自來水清洗，并自然風(fēng)干后備用.不同粒徑介質(zhì)在模擬柱中的填充參數(shù)見表1.

表1 不同粒徑介質(zhì)在模擬柱中的填充參數(shù)Table 1 Configurations of medium with different sand sizes in simulated columns

1.2 實驗方法

1.2.1 泡沫體系的分離遷移實驗 模擬柱具體參數(shù)見表2柱1.首先向模擬柱中通入氮氣15min，排凈其中空氣，用空氣形成的泡沫注入模擬柱中，在模擬柱出口收集氣體樣品測定其中氧氣百分含量，氧氣的測定方法為氣相色譜法（TCD檢測器，溫度為90℃；色譜柱2m（L）х3mm（ID） ，分子篩5A80目；注入點溫度90℃；取樣體積1mL；標(biāo)準(zhǔn)氣體為空氣；載氣He氣30mL/min）.在泡沫運移的過程中肉眼觀察并記錄泡沫鋒面和泡沫液鋒面的遷移距離，繪制時間與二者遷移距離的關(guān)系曲線以及時間與氣體樣品中氧氣百分含量/空氣中氧氣百分含量的曲線.當(dāng)液面運移至模擬柱出口端時，停止泡沫注入.該模擬柱垂直放置，泡沫由下向上遷移.

1.2.2 泡沫遷移過程中壓力的空間分布實驗 模擬柱設(shè)置具體參數(shù)如表2柱2所示.在模擬柱側(cè)邊取樣孔連接7個壓力表（上海儀川儀表廠），壓力表距離注入口距離分別為10， 20， 40， 50， 60， 70，90cm.觀測在泡沫運移過程中每個取樣孔壓力變化情況，選擇100， 110， 120， 130， 140， 150， 155min時各壓力表的數(shù)值繪制固定時刻壓力在泡沫覆蓋區(qū)域中的曲線，闡明泡沫運移過程中壓力的空間分配情況.該模擬柱垂直放置，泡沫底端注入.當(dāng)泡沫液從頂端溢出時停止泡沫注入.

表2 模擬柱實驗參數(shù)表Table 2 Parameters of simulated column experiments

1.2.3 介質(zhì)滲透率對泡沫注入壓力的影響實驗?zāi)M柱參數(shù)設(shè)計如表2柱3～柱10所示.柱3～6和柱7～10均考察了相同注入速率，相同模擬柱內(nèi)徑，不同介質(zhì)滲透率對泡沫注入壓力的影響.柱3、柱7和柱4、柱8和柱5、柱9和柱6、柱10考察了相同介質(zhì)滲透率，相同注入速率，不同的模擬柱內(nèi)徑對泡沫注入壓力的影響.8個模擬柱均垂直放置，泡沫頂端注入，由上向下遷移.柱3～6和柱7～10泡沫的注入時間分別為90min，190min，均當(dāng)壓力變化不大時停止泡沫注入.

1.2.4 注入速率對泡沫注入壓力的影響實驗 選擇泡沫注入速率4.4，3.2，2.1mL/min，柱11、柱12與柱13考查不同的泡沫注入速率對注入口壓力的影響.3個模擬柱均垂直放置，泡沫底端注入，由下向上遷移.當(dāng)泡沫液從頂端溢出時停止泡沫注入.

1.2.5 注入速率和泡沫質(zhì)量對泡沫注入壓力的影響關(guān)系實驗 柱14、柱17、柱20和柱15、柱18、柱21和柱16、柱19、柱22三組模擬柱考查在相同泡沫質(zhì)量條件下，不同泡沫注入速率對注入壓力的影響.柱14～16和柱17～19和柱20～22三組模擬柱考查在相同泡沫注入速率下，不同泡沫質(zhì)量對泡沫注入壓力的影響.9個模擬柱均垂直放置，泡沫頂端注入，由上向下遷移.

2 結(jié)果和討論

2.1 泡沫、泡沫液與泡沫氣體的分離遷移

圖2表示泡沫氣體鋒面、泡沫液鋒面以及泡沫鋒面在模擬柱中的穿透曲線.

當(dāng)泡沫與介質(zhì)接觸時，一部分泡沫破裂產(chǎn)生泡沫液與氣體，氣體在下端泡沫推流的作用下向上運移，率先達(dá)到并逸出模擬柱.由于初始接觸介質(zhì)的泡沫破裂產(chǎn)生液體，因此在泡沫注入初始階段模擬柱底部有泡沫液鋒面.隨著泡沫的不斷注入，泡沫液段中的含水率逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定值時，泡沫鋒面逐漸跟隨泡沫液鋒面向上運移.主要原因是，由于介質(zhì)的初始毛細(xì)壓力大于泡沫破裂的臨界毛細(xì)壓力Pcr，foam，因此在泡沫運移過程中，與介質(zhì)接觸泡沫的破裂是必然的［18］.然而，隨著泡沫持續(xù)注入，泡沫液段中的含水量逐漸積累，表面活性劑濃度逐漸升高，介質(zhì)中毛細(xì)壓力逐漸降低并小于泡沫破裂的臨界毛細(xì)壓力，此時出現(xiàn)泡沫的破裂與重生并存狀態(tài)，因此在一段時間后泡沫鋒面隨泡沫液鋒面向上運移［19］.

圖2 氧氣氣體分?jǐn)?shù)、液體鋒面和泡沫鋒面遷移距離與時間的關(guān)系Fig.2 The relationship of the effluent O2proportion，liquid front， foam front distances versus time

由圖2中氧氣、泡沫液與泡沫鋒面的遷移可知，泡沫氣體的遷移速度遠(yuǎn)大于液體與泡沫的遷移速度.當(dāng)泡沫注入時間為90min時，泡沫氣體將模擬柱中全部氮氣驅(qū)替出，而當(dāng)泡沫鋒面達(dá)到模擬柱中90cm時，泡沫注入時間達(dá)到162min.由此可得，泡沫鋒面運移比氣體運移延遲系數(shù)為2.0.泡沫鋒面比氣體鋒面遷移延遲的原因主要是由于泡沫鋒面處產(chǎn)生氣泡破裂與氣泡重生.在泡沫持續(xù)注入過程中，泡沫液鋒面與泡沫鋒面均逐漸升高，然而，泡沫液鋒面遷移的速率大于泡沫鋒面遷移的速率，換言之，泡沫液段的長度在泡沫運移過程中逐漸增大.主要是由于泡沫面與介質(zhì)接觸時，會有一部分氣泡破裂產(chǎn)生液體，從而使液體量逐漸增大［20］.綜上，泡沫氣體鋒面、泡沫液體鋒面與泡沫鋒面的分離遷移是泡沫在非飽和介質(zhì)中運移的主要特征.

2.2 泡沫運移過程中，模擬柱空間壓力分布

圖3、圖4分別表示在泡沫注入過程中，不同時間點模擬柱中空間壓力分布情況以及不同空間點處壓力隨時間的變化情況.

由圖3可知，當(dāng)泡沫注入時間為100，110，120，130，140，150，155min時，泡沫鋒面與注入口之間距離分別為64.2，68.2，71.5，76.1，80.2，84，86cm.由不同時間模擬柱中壓力的空間分布和泡沫鋒面的距離可知，壓力的產(chǎn)生均發(fā)生在泡沫覆蓋的區(qū)域.模擬柱中泡沫覆蓋區(qū)域壓力的空間分布呈線性關(guān)系，由此可見，泡沫流的阻力均勻分布在泡沫覆蓋區(qū)域中.由圖4可知，隨著泡沫鋒面上移，每個空間點處的壓力隨時間變化呈直線上升趨勢.由于泡沫的注入速率為定值，因此該直線關(guān)系說明空間某點的壓力隨泡沫勻速注入是均勻變化的.

圖3 泡沫注入過程中模擬柱中壓力空間分布Fig.3 Spatial distribution of pressure along the column in the process of foam injection

圖4 模擬柱固定點處壓力隨時間的變化Fig.4 Curves of time versus pressure in certain Location

泡沫在多孔介質(zhì)運移的過程中有氣泡的破裂和再生，然而泡沫的有效粘度仍是衡量泡沫流動的重要參數(shù).由泡沫注入壓力計算泡沫在介質(zhì)中的有效粘度，從而有效說明泡沫在介質(zhì)中的流動機(jī)制與動力條件［16］.有效粘度計算公式如下：

式中：μ（foam）為泡沫有效粘度；k為介質(zhì)固有滲透率（以達(dá)西計）；A為模擬柱的橫截面積，cm2；q（foam）為泡沫的注入流量，cm3/s；ΔP為壓力變化，Pa； ΔL為泡沫覆蓋長度，cm；該實驗中k、A、q（foam）、ΔP與ΔL的值分別為166.014darcy、3.14cm2、0.05cm3/s、8.282×104Pa和90cm，計算得出泡沫在該介質(zhì)中的有效粘度為85.49mPa·s，是水在介質(zhì)中運移有效粘度的84.64倍（水的有效粘度為1.01mPa·s）.由此可知，泡沫注入模擬柱時需要較大壓力，主要是由于泡沫的有效粘性較大引起的.

2.3 介質(zhì)滲透率對注入壓力的影響

圖5表示當(dāng)泡沫質(zhì)量為91.4%，注入速率為3mL/min時，不同介質(zhì)滲透率條件下，注入壓力隨時間的變化關(guān)系曲線.

圖5 介質(zhì)滲透率對泡沫注入壓力的影響Fig.5 The influence of media permeability on injection pressure

由圖5a可知，當(dāng)模擬柱內(nèi)徑為3cm時，泡沫的注入壓力隨著介質(zhì)滲透率的增大而降低，當(dāng)泡沫從模擬柱中溢出時，壓力基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時在0.1～0.25mm介質(zhì)中，泡沫的注入壓力分別是0.25～0.5，0.5～1，1～1.2mm介質(zhì)中泡沫注入壓力的1.11、3.15和4.72倍.然而由圖5b可知，當(dāng)模擬柱內(nèi)徑為5cm時，泡沫注入壓力與介質(zhì)滲透性關(guān)系與上述關(guān)系相反，對于0.1～0.25，0.25～0.5，0.5～1mm介質(zhì)，泡沫的注入壓力隨著介質(zhì)滲透性的增大而增大，而對于1～1.2mm介質(zhì)這種規(guī)律不明顯.當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，0.5～1mm介質(zhì)中泡沫的注入壓力分別是1～1.2，0.25～0.5，0.1～0.25mm介質(zhì)中泡沫注入壓力的1.28、1.91和2.49倍.

對于兩種內(nèi)徑模擬柱，泡沫注入速率相同.當(dāng)填充介質(zhì)相同時（如柱3與柱7，柱4與柱8，柱5與柱9，柱6與柱10），較大內(nèi)徑模擬柱的橫截面積是較小內(nèi)徑模擬柱的2.78倍，因此泡沫在后者介質(zhì)中運行的線速度使前者的2.78倍.結(jié)果表明，當(dāng)泡沫在介質(zhì)中運移線速度較低時，泡沫注入壓力隨著介質(zhì)滲透性增加而增大；當(dāng)線速度較高時，泡沫注入壓力則隨著介質(zhì)滲透性增加而降低.

對于5cm內(nèi)徑模擬柱，泡沫注入達(dá)西速率相對較小，此時泡沫較易被攔截在較大粒徑介質(zhì)中的大孔隙中，從而使泡沫的遷移路徑被堵塞，此時對于滲透性較大的介質(zhì)，泡沫注入壓力反而增大.此外，在較低的達(dá)西速率情況下，較細(xì)介質(zhì)中孔隙尺寸小于泡沫尺寸，因此泡沫注入時，大量泡沫破裂形成溶液，溶液在重力作用下向下遷移，導(dǎo)致壓力升高不明顯.對于滲透性高的介質(zhì)，孔隙尺寸大于泡沫尺寸，因此泡沫在遷移過程中破裂不明顯，因此需較大壓力以實現(xiàn)泡沫在介質(zhì)中的推流前進(jìn).相反，對于3cm內(nèi)徑模擬柱，注入泡沫的達(dá)西速率相對較大，此時滲透性高介質(zhì)中的大孔隙與滲透性低介質(zhì)中的小孔隙對泡沫的截留作用相當(dāng)，因此當(dāng)以相同速率注入時，要實現(xiàn)泡沫的推移，滲透性低的介質(zhì)需要較大的注入壓力［20］.此外，3cm模擬柱中泡沫的達(dá)西速率相對較大，此時泡沫流與介質(zhì)之間的剪切速率較大，導(dǎo)致泡沫表觀粘度降低，更多的表現(xiàn)為牛頓流體的性質(zhì)；相反，5cm模擬柱中泡沫的注入速率較小，此時泡沫與介質(zhì)之間的剪切速率較小，泡沫的表觀粘度升高，更多的表現(xiàn)為非牛頓流體的性質(zhì).因此，對于5cm內(nèi)徑模擬柱中表現(xiàn)出的泡沫注入壓力與介質(zhì)滲透性的“異常規(guī)律”是非牛頓流體的典型代表.

如表1所示，1～1.2，0.5～1，0.25～0.5，0.1～0.25mm介質(zhì)的滲透率分別為166.01、105.65、51.92和27.08darcy，以模擬柱內(nèi)徑3cm為例，此時A為7.065cm2，泡沫注入速率為q（foam）為0.05cm3/s，填充高度為ΔL為12.5cm，在這4種介質(zhì)中的壓力差ΔP分別為2.252×104、3.373×104、9.747×104和1.063×105Pa.由此計算可得4種介質(zhì)中泡沫的有效粘度分別為422.24、396.49、566.36和322.03mPa·s，因此可知當(dāng)泡沫經(jīng)過多孔介質(zhì)時，在一定范圍內(nèi)，泡沫的有效粘度隨介質(zhì)滲透率的增大而增大，因此可有效避免泡沫液濾失在非均質(zhì)中高滲透介質(zhì)的較大孔道中.

2.4 泡沫注入速率對注入壓力的影響

圖6為不同泡沫注入速率對注入壓力的影響.

圖6 泡沫注入速率對注入壓力的影響Fig.6 Influence of foam flow rate on injection pressure

不同的泡沫注入速率對注入壓力的影響是泡沫淋洗技術(shù)用于地下環(huán)境修復(fù)的重要參數(shù)之一，因此研究泡沫注入速率對注入壓力的影響是必要的.研究選擇3種注入速率4.4，3.2，2.1mL/min，研究其對泡沫注入壓力的影響.由圖6可知，當(dāng)泡沫注入速率由2.1mL/min升高至3.2mL/min與4.4mL/min時，壓力的增長率由0.822升高至1.474和2.519，壓力梯度由13.78psi/m升高至16.17和19.14psi/m.由此可知，當(dāng)泡沫注入速率較小時，壓力增長緩慢，單位長度上的壓力梯度較小，反之壓力迅速增大，單位長度上的壓力梯度增大.主要原因是當(dāng)泡沫注入速率較大時，單位時間注入泡沫量較大，一定時間內(nèi)介質(zhì)中泡沫的覆蓋體積較大，需要較大壓力以完成泡沫的推移前進(jìn)，因此在單位時間內(nèi)，壓力的增長率隨著泡沫注入速率增大而增大.此外，當(dāng)泡沫注入速率較小時，初始注入的泡沫在介質(zhì)毛細(xì)力作用下迅速破裂，釋放出泡沫液和氣體，介質(zhì)中表面活性劑濃度與含水率隨著泡沫液累積而增大，使介質(zhì)的毛細(xì)壓力小于泡沫破裂的臨界毛細(xì)壓力，因此隨著泡沫持續(xù)注入，泡沫開始上升.當(dāng)泡沫液達(dá)到模擬柱頂端時，泡沫液段的長度在較小泡沫注入速率下達(dá)到12cm，泡沫體積較??；而在較大泡沫注入速率下，該長度僅為6cm，泡沫體積較大，因此要實現(xiàn)泡沫的推移，單位長度的壓力梯度隨泡沫注入速率升高而增大.

2.5 泡沫注入速率與泡沫質(zhì)量對注入壓力的影響

圖7展示了在不同泡沫注入速率條件下，泡沫質(zhì)量對注入壓力的影響以及在不同泡沫質(zhì)量條件下，泡沫注入速率對注入壓力的影響.

由圖7a可知，在3種泡沫注入速率下，模擬柱中壓力梯度隨泡沫質(zhì)量增大均有所降低.該結(jié)果與泡沫的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性相關(guān)，當(dāng)泡沫質(zhì)量增大，泡沫氣泡增大且液膜變薄，此時泡沫較容易破裂，因此壓力梯度降低［16］.因此為了避免使包氣帶中多孔介質(zhì)產(chǎn)生隆起或者斷裂（臨界壓力梯度3.3psi/m），應(yīng)盡量增大泡沫質(zhì)量從而降低壓力梯度.較高的泡沫質(zhì)量意味著注入泡沫液體積較?。?6］.例如在相同泡沫注入速率下，將泡沫質(zhì)量從92%升高至98%，此時進(jìn)入多孔介質(zhì)中的泡沫液的體積降低至原來的1/4，因此在對包氣帶污染進(jìn)行原位修復(fù)時，修復(fù)時間將延長至原來時間的4倍.由圖7b可知，在3種泡沫質(zhì)量下，模擬柱中壓力梯度隨泡沫注入速率迅速增大.原因見2.4所述.由圖7可知，泡沫注入速率對注入壓力的影響大于泡沫質(zhì)量對注入壓力的影響.因此可以主要通過降低泡沫注入速率，其次通過增大泡沫質(zhì)量來降低多孔介質(zhì)中的壓力梯度，從而在不產(chǎn)生介質(zhì)位移變化情況下實現(xiàn)包氣帶介質(zhì)的原位修復(fù).

圖7 泡沫質(zhì)量以及泡沫注入速率對注入壓力的影響Fig.7 Influence of foam quality and foam flow rate on injection pressure

3 結(jié)論

3.1 泡沫氣體鋒面、泡沫液體鋒面與泡沫鋒面在非飽和多孔介質(zhì)中是分離遷移的，且泡沫鋒面的遷移較泡沫氣體鋒面遷移的延遲系數(shù)為2.0.

3.2 模擬柱中壓力梯度主要分布在泡沫覆蓋區(qū)域中，壓力的空間分布與泡沫覆蓋區(qū)域呈直線關(guān)系.

3.3 在一定范圍內(nèi)，注入壓力隨介質(zhì)滲透率的增大而降低，然而介質(zhì)滲透率對注入壓力的影響主要取決于泡沫的注入速率.

3.4 泡沫注入速率與泡沫質(zhì)量均影響泡沫注入壓力，但泡沫注入速率對注入壓力的影響大于泡沫質(zhì)量對注入壓力的影響.

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Study on transport characteristics of foams and affecting factors in porous media.

SU Yan1，2， ZHAO Yong-sheng1，2， LI Lu-lu1，2，QIN Chuan-yu1，2*， WANG Dong-mei3， YANG Shuai3（1.Key Lab of Groundwater Resources and Environment， Ministry of Education， Jilin University， Changchun 130021， China；2.Department of Environmental Engineering， Jilin University， Changchun 130021， China；3.Water Group of Changchun， Changchun 130022， China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：817～824

A series of column experiments were conducted to investigate the transport characteristics of foam in unsaturated porous media and influences of foam quality， foam injection rate， and media permeability on the injection pressure. The results indicated that the foam front， liquid-wetting front， and foam gas front were separated during the transport in porous media and their relationship of transport rate is foam gas front ＞ liquid-wetting front ＞foam front. The foam transport had a retardation of 2.0 relative to the gas flow. The pressure primarily occurred and uniformity distributed in the foam-occupied region， and the pressure showed a linear increasing trend over time in a certain location. The calculated effective foam viscosity in 1-1.2 mm porous media was 85.49 mPa s， which was 84.64 times greater than the viscosity of water into the same sediment. Due to the higher effective foam viscosity， the greater injection pressure was needed. The influences of media permeability on foam injection pressure mainly depend on the foam injection rate. Foam injection pressure decreased with increment of media permeability while the foam injection rate was same in per unit area. When the foam quality was 91.4%， the pressure gradient increased from 26.95 psi/m to 30.74 and 46.40 psi/m when the foam injection rate increased from 2.1mL/min to 3.2 and 4.4 mL/min， respectively. When the foam injection rate was 3.2mL/min， the pressure gradient increased from 30.16 psi / m to 30.74 and 34.57 psi/m when the foam quality reduced from 93.5% to 91.4% and 88.2%， respectively. Both foam quality and foam injection rate exert impact on injection pressure， however， foam injection rate has a more profound influence than foam quality on injection pressure.

foam；transport；characteristics；affecting factor；porous media

X523

A

1000-6923（2015）03-0817-08

蘇 燕（1986-），女，山東菏澤人，吉林大學(xué)博士研究生，主要從事污染場地控制與修復(fù)研究.發(fā)表論文7篇.

2014-08-28

北京市教育委員會市屬高校創(chuàng)新能力提升計劃項目（TJSHG201310772028）；吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目（2014097）；國家自然科學(xué)基金（41302183）；博士后科學(xué)基金（2013M530987）

* 責(zé)任作者， 講師， qincyu@jlu.edu.cn