直流电场协同加热与电动效应的多场耦合数值模拟：非均质多孔介质中污染物去除机制研究

本文创新性地建立了直流电场(DC)下电-热-水力多场耦合数值模型，揭示了非均质多孔介质中离子重分布引发的局部电势梯度陡变和焦耳加热(Joule heating)效应。研究发现直流电场通过增强电渗流(electroosmosis)和热强化解吸作用，使污染物去除效率最高达交流加热(AC)的3.8倍，为低渗透区污染修复提供了优化框架。

　　

研究亮点

直流电场在饱和多孔介质中通过电迁移(electromigration)、电渗流(electroosmosis)和焦耳加热的协同作用，显著提升了非均质介质低渗透区的污染物迁移能力。数值模拟揭示了离子耗竭区形成的动态热源分布特征，其引发的局部电势梯度变化可促进电渗流循环，与压力驱动流形成复杂相互作用。

实验验证

基于Zheng等(2024a)的二维砂箱实验数据，模型成功复现了1D均质条件下的电场-热场耦合动态。模拟显示直流系统无法达到稳态热分布，这与交流电阻加热(ERH)的均匀加热特性形成鲜明对比。

关键发现

• 酸性条件下ζ电位变化会削弱电渗流效率

• 低渗透区形成的离子耗竭区产生"热点"效应

• 热增强解吸与电渗流协同使污染物去除效率提升280%

• 温度依赖性参数(如介电常数、粘度)形成非线性反馈

结论

该研究阐明了直流电场条件下时空非均匀的热质传递机制，建立了包含温度依赖性参数和ζ电位-pH关系的多物理场耦合模型，为优化直流修复技术提供了理论依据。相比交流加热，直流系统通过动态热源分布和电渗流增强效应，能更有效突破低渗透区的传质限制。