近日，水资源与水电工程科学国家重点实验室陈益峰教授团队在环境领域国际权威期刊《Environmental Science & Technology》（Nature Index期刊，IF=11.36）发表了题为“Three-Dimensional Visualization Reveals Pore-Scale Mechanisms of Colloid Transport and Retention in Two-Phase Flow”（三维可视化揭示两相流中胶体运移与滞留微观机制）的论文。该论文被选作ES&T期刊2023年第五期封面，实验室2021级博士研究生吴婷为第一作者，杨志兵教授为通讯作者，该研究受到国家自然科学基金杰出青年项目和面上项目资助。
图1.实验图片入选ES&T期刊封面。图片展示了多孔介质中湿润相液桥（绿色荧光部分）空间拓扑形态和胶体颗粒（红色荧光部分）分布特征
大量地下岩土和环境工程应用中涉及多相渗流与颗粒运移的耦合过程，如水力裂缝中的油气驱替与支撑剂颗粒运动、地下水有机污染物的纳米颗粒修复、包气带中微塑料的迁移和胶体颗粒携带重金属污染运移。因此，多孔介质中多相渗流与颗粒物质运移耦合行为及机理是水利、能源、环境、地学等领域共同关注的重要科学问题。多相渗流过程中的细颗粒（胶体和纳米颗粒等）运移一方面会改变表观流体性质和界面过程，从而影响界面演化形态和多相流动模式；另一方面，细颗粒在运移过程中的堵塞行为会直接改变孔隙微观结构，导致介质的渗透和传输特性发生改变。深入理解和系统揭示多相渗流与颗粒运移耦合过程的细观机制对于相关应用的材料技术研发和工程优化具有重要意义。然而，由于孔隙介质多相渗流和传输的复杂特性和现有可视化技术的限制，多相渗流与颗粒运移耦合过程的细观机制尚不明确。
研究团队聚焦“多相渗流条件下胶体颗粒的运移与堵塞机制”这一关键科学问题，研发了基于激光共聚焦显微镜的多相渗流可视化实验平台（图2），突破了孔隙尺度多相渗流三维实时成像难题，实现了两相流体界面运动与胶体颗粒运移的微米级同步动态观测。
图2.以激光扫描共聚焦显微镜为主体的三维可视化实验平台
基于三维可视化平台，团队开展了大量微观渗流与胶体运移实验，量化了两相渗流条件下孔隙尺寸与流速等因素对胶体颗粒运移与分布的影响，首次发现了低湿润相饱和度条件下胶体聚集于液桥网络连接带部位并形成堵塞的新现象（图3），进一步开展了湿润相流体三维拓扑结构与两相界面形态理论分析，阐明了胶体颗粒堵塞空间分布规律及其控制因素，并量化了胶体颗粒堵塞对湿润相三维拓扑结构的影响（图4），系统揭示了多孔介质多相渗流与胶体颗粒运移之间的耦合机制。
图3.(a)二维切片展示湿润相液桥网络连接与胶体分布特征；(b)三维重构图展示湿润相拓扑结构与胶体在液桥连接带的堵塞
图4.欧拉示性数表征胶体颗粒堵塞对湿润相拓扑结构的影响
本研究研发了多相渗流与胶体运移三维可视化实验技术，系统阐明了多相渗流中胶体颗粒运移与堵塞的细观机制，为多孔介质中颗粒物质传输模型、岩土介质渗透特性演变及溶质运移的准确预测等提供了理论依据，对于地下水污染风险评估、污染物修复效率优化、油气高效开采新技术研发等具有一定的应用价值。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c08757
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