孔隙介質中包含非水相液體的多相流傳輸主要特性曲線之微模型實驗與分析研究

Abstract

有機溶劑被大量的應用於工業製程及一般的生活中，如晶圓製造的清洗，及隨處可見的加油 站等，由於其在水中的溶解度甚低，故又稱為非水相液（NAPLs），一般而言，因其毒性高且於自 然界中不易被分解，若不慎滲入含水層時，會導致地下水長期的污染，若不慎飲用對人體健康將 造成很大的影響，故研究NAPLs 於地表下的傳輸分佈，乃一重要的課題。惟NAPLs 在土壤中為複 雜的多相流傳輸，其機制複雜且仍有許多問題待進一步的釐清，其中透水係數-飽和度-壓力 （K-S-P）特性曲線，為分析NAPLs 傳輸最基本也最重要的關係曲線，因此本計劃將整合高精度 雷射鵰刻，壓克力表面處理及數位影像分析等技巧，發展微模型實驗技術，以微模型實驗求得在 水、空氣及NAPL 等多相共存下之完整K-S-P 關係曲線。計畫共分三年執行,第一年主要在發展微 模型實驗技術如微模型系統的設計，製作、組立，同時也對微模型板表面控制作處理，改善透明 壓克力板之親水性質，初步將完成水和空氣二相流之S-P 微模型實驗，並擷取影像資料進行分析， 取得水與空氣流體對之毛細壓力對飽和度的資料，並由影像資料分析流體對間互相置換取代的行 為與前人所提出之流體對間之置換行為是否一致，並與前人以幾何形狀所推估出來的置換機制門 檻值進行比較與驗證，並藉此驗證微模型實驗系統設計之正確性與適用性。第二年接續第一年所 設計之微模型實驗系統，以可透視微模型，配合數位影像分析觀察多孔介質中完成水、空氣和柴 油等流體之二相流體對間之P-S 與K-S 微模型實驗，並擷取影像資料進行分析，取得水對空氣、 柴油對空氣等流體對之毛細壓力對飽和度的資料。第二年所作的研究可探討比例原則(Scaling rule) 於毛細壓力-飽和度曲線推估之應用，以及應用經驗公式推求兩相流體之K-S-P 關係，並可做為 第三年多相流完整K-S-P 實驗之準備。第三年以微模型實驗系統，配合數位影像分析觀察多孔介 質中多相流的行為，並且取得水、空氣、柴油（LNAPL）和四氯乙烷（DNAPL）各三相共存時 之K-S-P 關係曲線，本年度實驗重點在由單一實驗直接得到K-S-P 的關係，亦即能在微模型中量 測三相流體對的毛細壓力與飽和度關係之同時可得到相對滲透係數，此乃前人所無的實驗。本研 究除了可以利用實驗值與傳統經驗公式所求得之K-S-P 關係相比較之外，還可提供實驗影像資料 做為土壤中複雜的多相流傳輸進一步探討的基礎。