《Journal of Contaminant Hydrology》：Permeability heterogeneity effects on surfactant remediation of NAPL-contaminated porous media: Insights from microfluidic experiments and phase-field simulations
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研究人员开发了具有突变渗透率界面的微流控芯片，以可视化Tween 80驱替柴油的动态模式；同时采用相场法（phase field method）模拟该过程，以量化非均质孔隙尺度下水力参数的演化，并阐明渗透率非均质性对NAPL去除效率的影响。微流控实验结果表明，
研究人员开发了具有突变渗透率界面的微流控芯片，以可视化Tween 80驱替柴油的动态模式；同时采用相场法（phase field method）模拟该过程，以量化非均质孔隙尺度下水力参数的演化，并阐明渗透率非均质性对NAPL去除效率的影响。微流控实验结果表明，当渗透率发生突降时，Tween 80驱替进入兼具黏性指进（viscous fingering）与毛细指进（capillary fingering）特征的混合模式；这种过渡行为导致形成低效驱替前缘，进而损害残余柴油的动用。基于相场理论的流体流速与压力演化分析揭示，渗透率降低引发流速波动，而低渗透区的毛细屏障效应（capillary barrier effect）导致残余NAPL相内压力积聚。流线分析表明，不同渗透率区界面存在流动不稳定性。模拟结果还证实，低渗透透镜体内水力水头的积聚触发了对该类透镜体的压力驱动侵入。通过阐明突变渗透率界面对于表活剂驱替机制的关键影响，该研究为优化非均质地层中的SEAR设计提供了重要见解。
该研究聚焦于表活剂强化含水层修复（surfactant-enhanced aquifer remediation, SEAR）技术在非均质多孔介质中应用时的核心瓶颈问题，即渗透率非均质性显著降低修复效率，尤其是低渗透层的处理效果。研究发表于《Journal of Contaminant Hydrology》，研究人员通过微流控实验与相场模拟的 integrated approach（综合方法），系统揭示了突变渗透率界面处的两相流动力学机制。
研究背景方面，地下环境中非水相液体（non-aqueous phase liquids, NAPLs）污染对生态系统和人类健康构成严重威胁，其低水溶性和高界面张力使其以孤立液滴、 ganglia 或 pool 形式滞留于土壤孔隙中，难以彻底去除。SEAR技术通过 mobilization（动用）、solubilization（增溶）和 emulsification（乳化）三种机制实现NAPL去除，其实际效能高度依赖于孔隙尺度的水动力条件与流动不稳定性。然而，地下介质天然的渗透率非均质性严重制约了SEAR的应用效果，导致注剂绕流和污染物拖尾现象。特别是低渗透区域既阻碍表活剂溶液的有效输送，又使其中的NAPL成为长期污染源，通过 back-diffusion（回扩散）机制造成修复后期的浓度"拖尾"与"反弹"。尽管宏观尺度的非均质性表现已有大量文献记载，但突变渗透率界面处 specific hydrodynamic instabilities（特定水动力失稳）的微观机制仍研究不足；传统连续介质模型假设界面两侧压力梯度连续，掩盖了局部非平衡现象。因此，解析突变界面处压力波动、局部涡旋与毛细屏障之间的孔隙尺度耦合机制，对于完善SEAR的理论基础具有重要价值。
研究人员开展了以下工作并得出相应结论：首先，设计并制作了具有突变渗透率界面的定制微流控芯片，实现了Tween 80驱替柴油过程的直接可视化观测；其次，建立了相场数值模型，对实验难以捕捉的关键水动力参数进行定量刻画；最终，系统阐明了渗透率突降条件下柴油滞留的微观机制，为宏观SEAR工程的优化设计提供了理论依据。该研究的重要意义在于：首次在孔隙尺度揭示了表活剂驱替从稳定活塞流到不稳定毛细指进的转变规律，量化了渗透率突变对驱替效率的影响机制，为预测非均质介质中有效NAPL动用的起始条件以及修复的终止时点提供了理论支撑。
研究采用的主要关键技术方法包括：（1）定制微流控芯片技术：制作含有高渗透与低渗透区域的透明化工芯片，实现在突变渗透率界面处两相流动态的高分辨率实时可视化；（2）相场法（phase field method）数值模拟：采用该方法显式追踪表活剂-NAPL两相界面演化，求解Navier-Stokes方程与Cahn-Hilliard方程的耦合系统，获取瞬态速度场、压力场及流线分布；（3）流场定量分析技术：结合微流控实验与数值模拟结果，通过毛细数（Ca，表征黏性力与毛细力之比）和黏度比（M）等无量纲参数系统表征驱替模式，并运用流线分析识别不同渗透率区界面的流动不稳定性特征。样本来源为实验配置的柴油-NAPL体系及Tween 80表活剂溶液（1.5 g/L，添加亚甲基蓝示踪）。
研究结果部分主要包含以下内容：
微流控实验结果：呈现了Tween 80溶液冲洗过程中NAPL相的时空演化特征，明确证实驱替机制强烈依赖于多孔介质的渗透率变化。实验主要捕捉了不混溶驱替的动态过程。至注入2 PV（孔隙体积）时，Tween 80在黏性力驱动下建立了驱替前缘。研究人员观察到，当流体穿越突变渗透率界面时，驱替模式从稳定活塞流转变为兼具黏性指进与毛细指进特征的混合模式，形成低效驱替前缘，从而损害残余柴油的动车效率。
相场模拟结果—流速与压力演化分析：基于相场理论的分析揭示，渗透率降低引发流速波动，而低渗透区的毛细屏障效应导致残余NAPL相内压力积聚。模拟捕获了实验难以观测的瞬态水动力参数，证实低渗透透镜体内水力水头的积聚触发了对该类透镜体的压力驱动侵入，从而为理解NAPL在低渗透区的滞留与释放机制提供了定量依据。
流线与界面不稳定性分析：流线分析表明，不同渗透率区界面存在显著的流动不稳定性。这些界面失稳与局部速度波动、压力积聚相互作用，共同决定了残余NAPL的动用阈值。
讨论部分，研究人员综合微流控可视化与相场模拟结果，深入分析了渗透率突变界面处两相流的动力学行为。研究指出，表活剂虽能有效降低界面张力以克服毛细捕获，但低黏度表活剂溶液的使用会引发水动力失稳，形成沿优势通道的流动窜流，从而降低扫掠效率。低渗透区的双重挑战——高毛细进入压力和黏性指进导致的绕流行为——共同制约了SEAR的宏观修复效果。研究强调，理解突变界面处的毛细进入阈值对于设计能够迫使表活剂进入低渗透区的注入方案至关重要，这是防止长期污染物拖尾和反弹的关键。相场模拟与微流控实验的相互验证，为揭示孔隙尺度多相流机制提供了可靠的综合研究框架。
研究结论翻译如下：
该研究采用定制微流控实验与相场数值模拟相结合的综合方法，系统研究了非均质多孔介质中表活剂强化NAPL修复的孔隙尺度机制，重点关注低渗透区边界处复杂的两相流动力学与界面行为。直接可视化与经验证模拟之间的协同作用，为理解… [原文此处结论部分被截断，根据已有信息] 突变渗透率界面处的两相流管控机制提供了深入认识，并为SEAR技术的优化设计奠定了理论基础。该工作通过阐明突变渗透率界面对于表活剂驱替机制的关键影响，为优化非均质地层中的SEAR设计提供了重要见解。
