表面活性劑強(qiáng)化空氣擾動(dòng)技術(shù)修復(fù)機(jī)理

摘 要：運(yùn)用中砂（0.25～0.5 mm）和礫石（5～10 mm）通過一維砂柱實(shí)驗(yàn)分別研究了在2種不同氣流運(yùn)行方式下，表面活性劑強(qiáng)化空氣擾動(dòng)技術(shù)過程中空氣飽和度的變化機(jī)理。結(jié)果表明：當(dāng)氣流以孔道運(yùn)行方式為主時(shí)，隨表面張力降低，地下水中空氣飽和度提高，但當(dāng)表面張力降至49.5 mN/m后，空氣飽和度反而有降低的趨勢(shì)，表面張力降低所引起的毛細(xì)壓力下降是空氣飽和度提高的主要原因；當(dāng)氣流以鼓泡運(yùn)行方式為主時(shí)，當(dāng)SDBS濃度<1 000 mg/L，空氣飽和度隨著表面張力降低而持續(xù)增加，氣泡穩(wěn)定性增強(qiáng)是空氣飽和度提高的主要原因。

關(guān)鍵詞：表面活性劑；強(qiáng)化；空氣擾動(dòng)；飽和度；孔道；鼓泡

中圖分類號(hào)：X523 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2012）02-0138-05

Mechanisms of Surfactant-Enhanced Air Sparging

QIN Chuan-yu1， ZHAO Yong-sheng2， ZHENG Wei2

（1.School of Chemistry and Environmental Engineering，Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， P.R.China；

2. College of Environment and Resources， Jilin University， Changchun 130026， P.R.China）

Abstract:The changing mechanisms of air saturation in groundwater in different air travelling modes during surfactant-enhanced air sparging were investigated using a series of one-dimensional column experiments with the media of medium sand (0.25～0.50 mm) and gravel (5～10 mm) respectively. The results demonstrate that when air travels in the form of discrete channels， air saturation increases gradually with surface tension decreasing. When the surface tension is 49.5 mN/m， air saturation would not increase but slightly decreases instead. The decrease of capillary pressure caused by surface tension reduction is the main cause of increase of air saturation. When air travels in the form of bubbles， the air saturation improves gradually as the surfactant concentration decreases when the SDBS concentration is lower than 1 000 mg/L， and air saturation in porous media is directly affected by foam stability.

Key words:surfactant; enhanced; air sparging; saturation; channel; bubble



原位空氣擾動(dòng)技術(shù)(Air Sparging， AS)被認(rèn)為是去除飽和土壤和地下水中揮發(fā)性有機(jī)物的有效方法，該技術(shù)將新鮮空氣注入地下水中，污染物通過揮發(fā)作用進(jìn)入氣相，而后通過浮力作用，空氣攜帶污染物上升，并通過包氣帶中的抽提裝置得以收集，從而達(dá)到去除化學(xué)物質(zhì)的目的［1］。同時(shí)注入的空氣還促進(jìn)了污染物的生物降解［2］。該技術(shù)以其成本低、易操作、效率高等特點(diǎn)已被廣泛的研究和應(yīng)用［3-7］。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的AS技術(shù)仍存在一些弊端：在非均質(zhì)環(huán)境下，對(duì)低滲透性介質(zhì)污染修復(fù)效果較差；在細(xì)顆粒介質(zhì)中，氣流只局限在曝氣井附近幾條狹窄的孔道內(nèi)，大部分污染物只能首先通過擴(kuò)散進(jìn)入孔道后才得以去除，因此擴(kuò)散作用大大限制了污染物的去除效率［8］。表面活性劑強(qiáng)化空氣擾動(dòng)技術(shù)（Surfactant-Enhanced Air Sparging，SEAS）有望解決上述弊端，目前已成為地下水修復(fù)的重要研究?jī)?nèi)容。

目前，國外學(xué)者對(duì)SEAS技術(shù)進(jìn)行了一定研究。Kim等［9］以砂為介質(zhì)研究了地下水表面張力和空氣飽和度的關(guān)系；Kim等［10-11］還通過二維砂槽實(shí)驗(yàn)研究了SEAS對(duì)甲苯、四氯乙烯的去除效果。以上研究主要集中在傳統(tǒng)AS和SEAS的效果對(duì)比上，而對(duì)于不同表面活性劑濃度下空氣飽和度的變化機(jī)理研究還不夠深入，特別是在不同的氣流運(yùn)行方式下空氣飽和度的變化情況及相關(guān)機(jī)理研究還鮮有報(bào)道。空氣飽和度是衡量AS處理效果的重要指標(biāo)，地下水中空氣飽和度越高，意味著空氣和污染物接觸的機(jī)會(huì)越多，面積越大，污染物就越容易通過揮發(fā)而被去除。因此實(shí)驗(yàn)以中砂和礫石為介質(zhì)分別模擬2種不同的氣流運(yùn)行方式，來研究表面活性劑濃度對(duì)空氣飽和度的影響，為SEAS技術(shù)的場(chǎng)地應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用裝置見圖1，為一維有機(jī)玻璃柱，高100 cm，內(nèi)徑7.3 cm，側(cè)面開有從下至上1-7號(hào)取樣孔。4 500 g中砂或4 000 g礫石從柱頂均勻裝入柱中。將配置好的不同濃度的表面活性劑溶液分別從各柱底緩慢注入介質(zhì)中，并由7號(hào)取樣孔流出，直至砂柱吸附飽和，柱內(nèi)表面活性劑濃度分布均勻。而后將柱中液體放至與砂面相平，并開始曝氣，記錄不同表面活性劑濃度以及曝氣量下自由水面的上升高度，以計(jì)算空氣飽和度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與測(cè)試方法

Ji等［8］指出，AS過程中氣流的運(yùn)動(dòng)形式主要有孔道和鼓泡2種方式，當(dāng)介質(zhì)粒徑>4 mm，空氣是以鼓泡的方式上升的，當(dāng)介質(zhì)粒徑< 0.75 mm，空氣是以孔道的方式上升的，當(dāng)介質(zhì)粒徑在2 mm左右時(shí)，空氣的上升包括這2種方式。因此，實(shí)驗(yàn)選取了中砂和礫石來模擬地下水介質(zhì)，其相關(guān)理化性質(zhì)見表1。

選用了十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和吐溫80（Tween80）作為強(qiáng)化表面活性劑進(jìn)行強(qiáng)化修復(fù)實(shí)驗(yàn)，2試劑均為化學(xué)純。

pH的測(cè)量使用便攜式pH計(jì)，TOC的測(cè)量參照文獻(xiàn)［12］，表面張力的測(cè)量使用上海方瑞儀器有限公司的QBZY-1型全自動(dòng)表面張力儀，氣泡穩(wěn)定性的測(cè)定參照文獻(xiàn)［13］。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

毛細(xì)壓力與飽和度關(guān)系實(shí)驗(yàn)使用的裝置參照Sharma等［14］相關(guān)實(shí)驗(yàn)所用裝置。所用介質(zhì)以及裝填方式均與柱實(shí)驗(yàn)相同。研究了3種表面張力下毛細(xì)壓力與飽和度的關(guān)系。

在強(qiáng)化修復(fù)實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了一系列柱實(shí)驗(yàn)，各柱所用表面活性劑濃度及曝氣量詳見表2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 毛細(xì)壓力飽和度的關(guān)系

土壤中毛細(xì)壓力pc和表面張力σ之間的關(guān)系可以表示為［15］：

 pc=2σcosθr(1)

其中：θ為接觸角；r是等效毛細(xì)水力半徑。

式(1)表明表面張力的下降將導(dǎo)致毛細(xì)壓力的下降。在多孔介質(zhì)中，水的飽和度Sw與毛細(xì)壓力水頭hc之間的關(guān)系可表示為［15］：

SW=(1－Sm)hdhcλ，hc>hd>0

SW=1，hc≤hd (2)

其中：Sm為濕潤(rùn)相的束縛飽和度；hd為氣流驅(qū)替水分所要求的最小壓力——閥壓力。由(2)式可知，表面活性劑的加入會(huì)引起兩相系統(tǒng)毛細(xì)壓力飽和度基本參數(shù)關(guān)系的變化。

圖2、3為不同表面張力下中砂和礫石中水氣兩相Sw-hc的關(guān)系趨勢(shì)圖。由圖2可知，在中砂中，隨著表面張力的降低，曲線下移，即同一濕潤(rùn)相飽和度時(shí)，表面張力越低，其對(duì)應(yīng)的毛細(xì)壓力水頭值越小，即空氣驅(qū)替介質(zhì)中的水越容易，因此可知，表面張力降低所引起的毛細(xì)壓力下降將導(dǎo)致中砂中空氣飽和度提高。在礫石中，當(dāng)水飽和度>0.2時(shí)，3條曲線基本重合，也就是說溶液表面張力降低所引起的毛細(xì)壓力下降并沒有明顯提高礫石中的空氣飽和度。

2.2 強(qiáng)化修復(fù)過程中空氣飽和度的變化

圖4為中砂柱中不同曝氣量和SDBS濃度下，空氣飽和度的變化情況。由此可知，各曝氣量下，在表面張力大于50 mN/m時(shí)，空氣飽和度都隨著表面張力的降低而有大幅增加。當(dāng)曝氣量為100 mL/min，地下水的表面張力由72.2 mN/m降至49.5 mN/m時(shí)，地下水中空氣飽和度由13.2%提高至50.1%，而后，隨著表面張力的進(jìn)一步降低，空氣飽和度不再提高，反而有小幅下降。

這主要是由于氣流在粒徑為0.25～0.50 mm的介質(zhì)中是以孔道的形式運(yùn)動(dòng)的，圖5為不同表面張力下，孔道分布的示意圖。表面張力由72.2 mN/m降至49.5 mN/m使介質(zhì)中氣流孔道的數(shù)量大幅增加（圖5(a)、(b)），因此空氣飽和度大幅提高，隨著表面張力的繼續(xù)降低，孔道的數(shù)量繼續(xù)增加，以至使許多孔道產(chǎn)生了交叉（圖5(c)），這樣就形成了優(yōu)先流，氣流不按原有的孔道流動(dòng)，反而從最短的孔道路徑流出介質(zhì)。因此，空氣飽和度不再提高，反而有小幅下降。

由圖可知，各曝氣量下，空氣飽和度隨著表面張力的降低持續(xù)升高。但圖3已指出，在礫石柱中，表面張力降低所引起的毛細(xì)壓力下降并沒有明顯提高礫石中的空氣飽和度。由于氣流在礫石中是以鼓泡的方式上升的，因此推測(cè)空氣飽和度的增加可能是由于表面活性劑的加入增強(qiáng)了氣泡穩(wěn)定性的結(jié)果。

為了對(duì)比和驗(yàn)證在不同的氣流運(yùn)行方式下空氣飽和度的變化機(jī)理，實(shí)驗(yàn)分別配置了表面張力相同（即毛細(xì)壓力相同）、氣泡穩(wěn)定性相同的SDBS和Tween80溶液，來分別研究毛細(xì)壓力和氣泡穩(wěn)定性對(duì)空氣飽和度的影響。通過實(shí)驗(yàn)得到，表面張力為59 mN/m 的SDBS溶液和50 mN/m 的Tween80溶液氣泡穩(wěn)定性基本相同。

由圖可知，Tween80和SDBS溶液表面張力相同時(shí)（即毛細(xì)壓力相同時(shí)），2條空氣飽和度曲線基本重合，而對(duì)于Tween80（51 mN/m）和SDBS（59 mN/m）溶液氣泡穩(wěn)定性相同時(shí)，2條空氣飽和度曲線卻相差較大。因此得到結(jié)論，在中砂中，氣流以孔道的運(yùn)行方式為主，表面張力下降所引起的毛細(xì)壓力降低，是水中氣體飽和度提高的主要原因。

由圖可知，Tween80和SDBS溶液表面張力相同時(shí)（即毛細(xì)壓力相同時(shí)），2條空氣飽和度曲線有較大差別。而對(duì)于Tween80（50.3 mN/m）和SDBS（59.2 mN/m）溶液氣泡穩(wěn)定性相同時(shí)，2條空氣飽和度曲線卻較為相近。因此得到結(jié)論，在礫石中，氣流以鼓泡的運(yùn)動(dòng)形式為主，氣泡穩(wěn)定性是決定水中空氣飽和度大小的主要因素。這主要是由于，隨著表面張力降低，氣泡的穩(wěn)定性增強(qiáng)，也就是越難發(fā)生形變。當(dāng)氣泡穿越介質(zhì)孔隙時(shí)，會(huì)受到介質(zhì)的阻擋，穩(wěn)定性強(qiáng)的氣泡不容易發(fā)生形變，導(dǎo)致其難以穿過介質(zhì)而上升并從水中溢出，這將導(dǎo)致氣泡在水中的停留時(shí)間延長(zhǎng)，因此，氣體在水中的飽和度就相應(yīng)提高。

3 結(jié) 論

1）當(dāng)氣流以孔道運(yùn)行方式為主時(shí)，隨著地下水表面張力降低，空氣飽和度逐漸提高，但當(dāng)表面張力降到49.5 mN/m時(shí)，會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先流的形成，空氣飽和度不再升高，反而有降低的趨勢(shì)。

2）當(dāng)氣流以孔道運(yùn)行方式為主時(shí)，表面張力降低所引起的毛細(xì)壓力下降是地下水中空氣飽和度提高的主要原因。

3）當(dāng)氣流以鼓泡運(yùn)行方式為主時(shí)，空氣飽和度隨著表面張力的降低而持續(xù)增加。

4）當(dāng)氣流以鼓泡運(yùn)行方式為主時(shí)，氣泡穩(wěn)定性增強(qiáng)是空氣飽和度提高的主要原因。

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（編輯 王秀玲）