近日，陈益峰教授团队在环境科学与工程领域国际权威期刊《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的微观机制）的封面论文。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项目资助。

图1.发表在EST封面上的实验图片

  胶体通常是指粒径在1nm~10μm之间的细小颗粒。胶体颗粒广泛存在于自然环境中，并且由于特殊的表面性质，常作为放射性核素、重金属、农药等物质的传输载体促进其在孔隙中的传输。此外，胶体也在很大程度上决定了纳米颗粒以及微生物在土壤和地下水中的运移。因此，了解和预测多孔介质中胶体的运移是控制污染物传输的关键。然而，由于多相流的复杂特性和三维可视化技术的限制，两相流中胶体运移与滞留的微观机制尚不明确。本研究通过激光扫描共聚焦显微镜实时观测不混溶两相流中胶体的运移，揭示了多孔介质中胶体运移与滞留的微观机制。

  本研究基于实验室研发的共聚焦显微成像平台，实现了两相流中的胶体运移行为的实时观测与记录。通过改变三维多孔介质的孔隙结构与驱替速度，探讨了孔隙大小和流速对胶体运移与分布的影响；结合理论分析，阐明了胶体聚集行为依赖于孔隙尺寸的微观机理，并揭示了胶体聚集对流体相拓扑结构的影响，研究结果进一步表明了多孔介质不混溶两相流与胶体传输之间耦合关系。

图2.三维试验平台与胶体运移示意图

图3.孔隙中残余湿润相分布特征。（a、b） 流体在二维切片中呈网络状分布；（c、d）残余流体的三维重构图

图4.湿润相欧拉特征受胶体以及流速的影响

本研究有助于更好地了解胶体（如病毒、细菌和纳米颗粒）在非饱和土壤中的传输行为，对预测不同地质环境中病原体污染物迁移和归宿具有重要意义。此外，对胶体运移与滞留行为的研究有利于提高地下水污染物的修复以及石油采收效率，研究成果可为进一步改善污染物修复策略与能源开采技术提供实验与理论支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c08757