通过程序化气体组分调控增强纳米气泡在石油污染土壤修复中的两阶段协同作用

《Separation and Purification Technology》：Nanobubble-enhanced two-stage remediation of petroleum-contaminated soil through programmable gas composition control

　　本文提出了一种通过调控混合气体组分（CO2/N2/O2）优化纳米气泡（NB）特性的创新策略，成功构建了兼具物理洗脱和生物降解功能的双阶段修复体系。研究表明50%N2+50%O2制备的混合气体纳米气泡（MGB-O）在稳定性（残留率69%）和迁移性（流速367 mL/min）方面显著优于单气体NB，使石油烃洗脱率提升至40%（较水冲洗提高6倍），并通过富集好氧降解菌群（Pontibacter属从0.02%增至43.17%）和降解酶基因（增加53%-5982%）强化生物修复效能。

　　

研究亮点

通过构建数学模型探索不同气源（包括CO₂、N₂和O₂）与纳米气泡特性之间的关系，旨在寻找最佳气源组成。结果表明不同气源之间存在多重协同效应，使得混合气体纳米气泡特性的可调性超越单气体纳米气泡的极限。

不同气源纳米气泡的迁移促进差异

不同气源纳米气泡的特性可通过改变制备条件进行调控，而气源的改变可能使纳米气泡特性在更宽范围内变化。本研究首先考察了CO₂、N₂和O₂纳米气泡的特性，并评估了它们与促进迁移相关的性质。

图2A显示了相同制备条件（相同气体流量、水压和剪切时间）下不同气源气泡的粒径分布。O₂纳米气泡的平均粒径最小（160.5 nm），而CO₂纳米气泡的平均粒径最大（201.3 nm）。纳米气泡的稳定性对其迁移促进效果至关重要，特别是在高盐度环境中。如图2B所示，在100 mmol/L盐浓度下储存7天后，O₂纳米气泡的残留率最高（42%），而CO₂纳米气泡的残留率最低（35%）。纳米气泡通过影响溶液性质（如表面张力）来促进迁移。如图2C所示，纳米气泡水的表面张力低于纯水，其中O₂纳米气泡水的表面张力最低（66.8 mN/m），而CO₂纳米气泡水的表面张力最高（69.5 mN/m）。

结论

通过调整气源组成和比例，纳米气泡特性的变化范围可以突破单一气源的局限性。对于增渗效果，纳米气泡自身的稳定性及其对溶液流体性质的影响至关重要。混合气体纳米气泡不仅能有效洗脱土壤中的石油烃（与常规水冲洗相比，烃类洗脱增强567%，修复时间减少60.8%），还能通过氧气输送功能促进好氧微生物降解，实现物理化学修复与生物修复的协同增效。