基于图像和浊度测量的快速方法的发展与评估，用于量化沙质介质中的胶体活性炭

《Science of The Total Environment》：Development and evaluation of rapid image-based and turbidimetric methods for quantifying colloidal activated carbon in sandy media

活性炭水处理技术中的快速检测方法研究。通过对比 gravimetric（称重法）、turbidimetric（浊度法）和 image analysis（图像分析法）三种新方法，结合实验室校准和柱穿透实验验证，发现后两种方法与传统的燃烧法（TOC/OC/EC）具有高度一致性，适用于清洁砂介质中的CAC定量分析，但需进一步验证复杂土壤条件下的适用性。

　　

作者：Sujin Park, Charles Werth, Chadi El Mohtar

马西（Maseeh）：德克萨斯大学奥斯汀分校土木、建筑与环境工程系，地址：美国德克萨斯州奥斯汀市迪恩·基顿街东301号（301 E Dean Keeton St），欧内斯特·科克雷尔二世大厅（Ernest Cockrell Jr. Hall），邮编78712

摘要

通过井注入地下水中的胶体活性炭（Colloidal Activated Carbon, CAC）吸附屏障已成为一种有前景的原位方法，用于固定和捕获顽固的有机污染物。这一方法的出现需要快速可靠的方法来利用土壤芯样验证原位CAC的分布情况。基于热量的碳测量方法是最广泛使用的方法，但受到测试复杂性、时间需求、背景天然有机物存在带来的偏差以及需要专用设备的限制。为了解决这些限制，本研究评估了三种替代方法。这三种方法都依赖于一个新颖的超声处理步骤，该步骤将CAC从水溶液中分离出来，然后通过重量法、浊度法或图像分析进行CAC的定量。首先通过添加已知量的CAC到土壤中的验证实验来评估这些方法的性能，并通过测量柱流出物样本和突破后的土壤样本中的CAC负荷来进行评估。重量法被证明不可靠，而图像分析和浊度法与基于燃烧的测量结果高度一致，能够在清洁的沙质材料中实现快速且低成本的CAC定量。

引言

氯化挥发性有机化合物（Chlorinated Volatile Organic Compounds, CVOCs）和全氟及多氟烷基物质（Per- and Polyfluorinated Alkyl Substances, PFAS）是高度持久的环境污染物，对地下水的修复工作构成了重大挑战。CVOCs通常作为工业脱脂剂使用，由于处理不当或从地下储罐泄漏可能会渗入地下水中（Moran等人，2007年）。PFAS存在于水成膜泡沫（AFFF）中，经常在消防训练区附近的地下水中被检测到（Anderson等人，2016年）。这两类污染物都具有抗降解性，并且可以在人体内积累，导致潜在的健康风险，如癌症和肥胖（美国环保署，2009年）。一种有前景的方法是通过向井中注入粉末状（Powdered Activated Carbon, PAC）或胶体活性炭（Colloidal Activated Carbon, CAC）来创建原位渗透吸附屏障，从而固定CVOCs和PFAS污染物并防止其向下迁移（Carey等人，2019年；Georgi等人，2015年；Hale等人，2017年；McGregor等人，2018年；Newell等人，2025年）。实验室条件下，CAC显示出很强的PFAS吸附能力（）（Niarchos等人，2022年；Sorengard等人，2019年），最近的现场应用已经实现了地下水中PFAS浓度降低了约94-99%（Hale等人，2017年；McGregor，2020年）。要探究这种性能差异的原因，需要测量目标输送区域中活性炭（AC）的空间分布。目前的AC定量方法，如总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）或有机碳/元素碳（OC/EC）燃烧分析，通常需要将土壤芯样送往外部实验室进行专门的热氧化或元素碳分析。这些程序包括干燥、均质化、重复测量和质量保证步骤（美国环保署，2002年）。最近的实验室报价（2024-2025年）显示，每个样本的分析成本为23-200美元，周转时间为几天。由于这些成本和时间负担，需要新的快速、简单且更便宜的方法来提高通量并更详细地表征AC。

文献中报道的主要测量土壤中AC的方法是固相总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）分析，该方法在550°C或更高温度下进行热氧化，并结合二氧化碳测量来量化燃烧后的AC（Gibbs，1977年；Skjemstad和Baldock，2008年）。由于土壤中也含有可燃的天然有机碳，因此获得的土壤样本非常相似，其中一个含有AC，另一个作为背景参考。当土壤中的AC含量超过美国环保署SW-846方法9060（Total Organic Carbon (TOC) in Soil，美国环保署，1992年）规定的检测限（即200 mg/kg）时，以及当AC占总碳的比例大于报告的误差百分比（即6-18%）时，该方法是有效的（Zhou等人，2023年）。燃烧损失法（Loss-on-ignition method, LOI）是一种类似但不太准确的方法，用于测量土壤中的AC，它涉及对两个土壤样本进行热氧化，一个不含AC，另一个含有AC，并比较处理前后的重量变化以量化AC（Nelson和Sommers，2018年）。这种测量方法只能在AC含量达到10,000 mg/kg的水平时有效（密苏里州立大学和奥扎克斯环境与水资源研究所（OEWRI），2019年）。

其他方法包括化学氧化（Jeong和Werth，2005年；Skjemstad等人，1996年；Skjernstad等人，1999年）和化学热氧化（Grossman和Ghosh，2009年）。化学氧化顾名思义，依靠各种化学处理来氧化土壤中的碳。较弱的氧化剂如重铬酸盐主要用于氧化天然有机物质，而较强的氧化剂如高锰酸钾（通常在较高温度下使用以加快反应动力学）用于氧化天然有机物质和AC。化学热氧化结合了化学和热处理，但顺序相反。其原理是先用弱化学处理氧化天然有机物质，然后在340°C下燃烧氧化剩余的土壤碳，包括AC。在化学处理前后测量重量变化以评估损失的碳，而在热处理后测量重量变化或产生的CO₂。与单独的热氧化类似，通常需要不含AC和含有AC的土壤进行比较。这些方法的误差通常比单独的热氧化方法更大，因为化学处理可能导致有机碳无法完全氧化，而且一些较不易降解的有机碳在处理后变得更加难以降解（Jeong和Werth，2005年）。

现有的确定土壤中AC含量的方法相对复杂且耗时，而使用CO₂分析的热处理通常需要在外部商业实验室进行分析。本研究代表了第一阶段的方法开发工作，旨在在受控的沙质介质条件下引入和基准测试快速的CAC定量方法，而不是对所有类型的自然土壤进行全面验证。本研究的目标是开发一种快速可靠的方法来量化沙子中捕获的CAC，从而克服现有方法的局限性。为了评估是否可以快速可靠地在沙子中定量CAC，本研究比较了三种分析方法：重量法（Gray等人，2002年）、浊度法（Gippel，1995年；Halfman和Scholz，1993年；Mitsch和Reeder，1992年；Tu等人，2022年）和图像分析（Miller和El Mohtar，2022年），每种方法都先进行标准化的超声处理步骤以将CAC释放到悬浮液中。这些方法在受控条件下进行评估，然后通过柱突破实验进行验证，以反映地下输送后的实际CAC负荷分布。通过质量平衡计算和/或与商业实验室通过TOC分析独立确定的CAC含量进行比较来评估这三种方法的准确性。结果确定了快速定量CAC的条件，并强调了图像分析和浊度分析在沙质多孔介质中提供实用替代方案的潜力。

小节片段

胶体活性炭（Colloidal Activated Carbon, CAC）

本研究使用了两种CAC：一种是从US Research Nanomaterials, Inc.购买的实验室级CAC（LCAC），另一种是从PlumeStop?购买的商用CAC（CCAC）。LCAC以粉末形式提供，其粒径范围为0.05–0.5 μm（根据US Research Nanomaterials, Inc.的数据）。LCAC溶液的制备方法是将电解质溶液（含有10 mM NaCl的去离子水）放入高剪切混合器中，然后逐渐加入干CAC，持续30分钟。CCAC则以浓缩乳液的形式提供。

CAC校准实验

图2展示了LCAC和CCAC的浓度与上述校准小瓶中的浊度法或图像分析读数的关系。图2a展示了与NTU变化最相关的LCAC浓度范围，图2c展示了与GIV变化最相关的CCAC浓度范围，分别为1.53E-5至7.81E-3 g/L和3.81E-6至1.56E-2 g/L。图2b和图2d分别展示了与GIV变化最相关的LCAC和CCAC浓度范围，分别为2.44E-4至1.36E-1 g/L。

讨论

图像分析方法在已知CAC负荷的验证实验中显示出高分析精度（图3），但在CAC突破实验中的累积质量平衡误差（表1）大于浊度法，表明在多步骤柱评估过程中出现了额外的变异来源。使用图像分析得到的CCAC负荷重复值之间的差异在11%以内，而在给定深度处的平均CCAC负荷与...

结论

这项工作是一项方法开发研究，旨在在可解释的实验室条件下引入和基准测试快速的CAC定量技术，并计划在未来研究中在自然土壤中进行验证。

重量法、浊度法和图像分析方法被用来量化沙质多孔介质中的商用CAC负荷。在这些方法中，图像分析和浊度法与基于燃烧的测量结果吻合良好，并提供了...

CRediT作者贡献声明

Sujin Park：撰写——原始草稿、可视化、验证、项目管理、调查、正式分析。Charles Werth：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。Chadi El Mohtar：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究的资金由国防部战略环境研究与发展计划提供，通过资助编号ER21-1130提供。PlumeStop公司以及Regenesis公司的Paul Erickson博士提供了宝贵的帮助。