一种模拟污染物在含优先流的多孔介质内部迁移过程的可视化微观通道模型

摘要

本发明涉及土壤和地下水污染修复领域，提供了一种研究环境污染物在含优先流多孔介质内部流动的可视化微观通道模型，包括刻蚀在硅晶片上的入口、入口段、微通道、出口段和出口；微通道内设有多个呈交错排列的微柱，通过设置微柱阵列，可真实的模拟地下环境中含优先流的土壤复杂孔隙结构，微柱高度与微通道深度相同，在硅晶片的顶部设有载玻片，该载玻片与微通道和硅晶片实现密封连接。本发明的有益效果为：模拟污染物孔隙尺度下在含优先流的多孔介质内部的迁移过程，更真实反应污染物在含优先流的多孔介质中的迁移和滞留特性；提高对污染物在含优先流的地下含水多孔介质中去除机理的认识；且该微观通道模型透光性和可视性好，便于数据图像的采集和处理。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤和地下水污染修复领域，具体涉及一种研究环境污染物在含优先流的多孔介质内部迁移过程的可视化微观通道模型。

背景技术

近年来，随着经济飞速发展，人们对水资源需求不断提高，导致地下水资源受到严重破坏。地下水一旦被污染，没有技术能彻底清污。开展污染物（如微生物、纳米颗粒或纳米塑料等）在环境中特别是在含水介质中的迁移去除行为，对准确预测污染物与各种生物的暴露几率有着非常关键的作用。优先流是指水分和溶质绕过基质沿着优先路径快速运移到土壤深部和地下水的现象。自然界中形成优先流机制的土壤很常见，由于受土壤性质、结构等因素的影响，优先流的发生发展过程非常复杂。因此，有必要研究污染物在含优先流的多孔介质内部流动和迁移机理。然而，目前有关污染物在环境中的迁移过程大部分集中在实验室柱实验的研究，所以实验室柱实验观察不到污染物在含优先流的多孔介质内部的微观迁移过程，无法搞清优先流对污染物的迁移机理的影响。中国专利（CN107036951A）公布了一种模拟多孔介质内部流动的微槽道模型，该模型通过模拟岩心内部的孔隙结构，实现微槽道内部流动细节的可视化测量，但无法得到优先流对多孔介质内部流体流动的影响。为了提高对污染物在含优先流的多孔介质内部迁移机理的认识，需要选择一个合适的可视化微观通道模型。

发明内容

本发明目的在于针对上述存在的问题，提供一种模拟污染物在含优先流的多孔介质内部迁移过程的可视化微观通道模型，通过微通道内不同的微柱阵列模拟含优先流的地下水土多孔介质内部的孔隙结构；该微观通道模型不仅可以精确模拟污染物在含优先流的多孔介质内部的迁移能力和流体的流动规律，且能使整个污染物在含优先流的多孔介质内部的微观迁移过程被清楚观察到，可实现可视化测量，易于搞清污染物在含优先流的多孔介质内部的迁移和滞留机理，具有很好的实用性。

本发明的技术方案：

一种模拟污染物在含优先流的多孔介质内部迁移过程的可视化微观通道模型，其特征在于：该模型包括刻蚀在硅晶片上的入口腔，入口段、微通道、微柱阵列、出口段和出口腔，所述的微柱阵列是由多个微柱交错排列而成，且其高度与微通道的深度相同；在硅晶片的顶部设有载玻片，该载玻片与微通道和硅晶片基底实现密封连接。

优选地，所述的微通道长度为730-750微米，宽度为360-380微米，微通道深度为10-15微米；每个微柱的截面为圆形，圆形直径为28-32微米，微柱间距范围为5-25微米。微通道孔隙率为40%-49%。

优选地，入口腔和出口腔相同且为圆形，直径为1.2-1.7毫米，其深度与微通道深度相同。

本发明具有如下有益效果：通过设置微通道内微柱阵列的排列方式，模拟含优先流的地下水土介质内部复杂的孔隙结构，同时，还可以通过微通道模型上方的载玻片实现微通道内部的优先流对污染物的迁移和流体流动细节的可视化测量，为研究人员搞清污染物在含优先流的多孔介质中的迁移机理提供保障。

附图说明

图1为一种模拟污染物在含优先流的多孔介质内部迁移过程的可视化微观通道模型。

图2为微柱阵列实施例的结构示意图1。

图3为微柱阵列实施例的结构示意图2。

图4为微柱阵列实施例的结构示意图3。

图5为与微柱阵列实施例的结构示意图1对应的共聚焦显微镜照片。

图6为与微柱阵列实施例的结构示意图2对应的共聚焦显微镜照片。

图7为与微柱阵列实施例的结构示意图3对应的共聚焦显微镜照片。

图中：1-入口腔；2-入口段；3-微通道；4-微柱阵列；5-出口段；6-出口腔。

具体实施方式

下面结合附图以及两个具体实施例对本发明作进一步说明：

图1为模拟污染物在含优先流的多孔介质内部迁移过程的可视化微观通道模型，该模型包括刻蚀在硅晶片的入口腔1、入口段2、微通道3、微柱阵列4、出口段5及出口腔6；所述的微柱阵列5是由多个微柱交错排列而成，且其高度与微通道4的深度相同；在硅晶片的顶部设有载玻片，该载玻片与微通道和硅晶片基底实现密封连接。

本发明所述的微观通道模型中，所述的微通道4长度为730-750微米，宽度为360-380微米，深度为10-15微米。

如图2所示，微柱阵列5由多个截面为圆形的微柱组成，每个微柱的直径为30微米，通道长度方向设置20个圆形微柱，宽度方向设置10个圆形微柱；且微通道4长度方向上紧挨着通道边缘的两列圆形微柱距离通道5微米，其余各微柱间距离为7微米，其高度与微通道4深度相同；该微观通道模型中圆形微柱分布均匀。

如图3所示，微柱阵列5由多个截面为圆形的微柱组成，每个微柱的直径为30微米，通道长度方向设置20个圆形微柱，宽度方向设置10个圆形微柱；且微通道4长度方向上紧挨着通道边缘的5行圆形微柱距离通道5微米；中间第5、6行圆形微柱距离为23微米；微通道4宽度方向上每列微柱间距为7微米，其高度与微通道4深度相同；该微观通道模型中中间第5、6行圆形微柱距离为23微米的通道可视为优先流通道。

如图4所示，微柱阵列5由多个截面为圆形的微柱组成，每个微柱的直径为30微米，通道长度方向设置20个圆形微柱，宽度方向设置10个圆形微柱；且微通道4长度方向上紧挨着通道边缘的3行圆形微柱距离通道5微米；中间第4、5、6和7行圆形微柱的距离为5微米；第3和4行距离和第7和8行圆形微柱间距分别为14微米；微通道4宽度方向上每列微柱间距为7微米，其高度与微通道4深度相同。该微观通道模型中，圆形微柱间距为14微米的两个通道可视为优先流通道。

如图5所示，该图是与微柱阵列实施例的结构示意图1对应的共聚焦显微镜照片。

如图6所示，该图是与微柱阵列实施例的结构示意图2对应的共聚焦显微镜照片。

如图7所示，该图是与微柱阵列实施例的结构示意图3对应的共聚焦显微镜照片。

微通道模型的制备方法是先利用光刻和离子刻蚀法在硅晶片上刻蚀入口腔1、入口段2、微通道3及微柱阵列4、出口段5、出口腔6，然后在硅晶片背面利用体硅腐蚀法在入口腔1和出口腔6内分别一个直径为0.5-0.9毫米的通孔作为入口和出口，最后用阳极键合法实现载玻片和硅晶片基底的密封。

本发明的测量过程如下：

将待测污染物溶液通过低速蠕动泵注入到含优先流通道的微模型中，流经带有不同微柱阵列的微通道中，可以观察到污染物不同时刻在含有优先流的微柱阵列间隙中的迁移和滞留行为，以及优先流对污染物迁移过程的影响；并通过记录不同时刻污染物在含优先流通道的微模型出口位置的出口浓度，得到污染物在含优先流通道的微模型中的穿透曲线。

以上实施例仅为说明本发明的技术构思，任何本领域相关人士皆可在不违背本发明原理和范畴的情况下，对上述实施例改进，这些改进也视为涵盖在本发明的保护范围之内。