表面活性劑強化空氣擾動技術修復機理

秦傳玉，趙勇勝，鄭 葦

（1.長春理工大學 化學與環境工程學院，長春 130022；2.吉林大學 環境與資源學院，長春 130026）

原位空氣擾動技術（Air Sparging，AS）被認為是去除飽和土壤和地下水中揮發性有機物的有效方法，該技術將新鮮空氣注入地下水中，污染物通過揮發作用進入氣相，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，從而達到去除化學物質的目的[1]。同時注入的空氣還促進了污染物的生物降解[2]。該技術以其成本低、易操作、效率高等特點已被廣泛的研究和應用[3－7]。但同時也發現，傳統的AS技術仍存在一些弊端：在非均質環境下，對低滲透性介質污染修復效果較差；在細顆粒介質中，氣流只局限在曝氣井附近幾條狹窄的孔道內，大部分污染物只能首先通過擴散進入孔道后才得以去除，因此擴散作用大大限制了污染物的去除效率[8]。表面活性劑強化空氣擾動技術（Surfactant-Enhanced Air Sparging，SEAS）有望解決上述弊端，目前已成為地下水修復的重要研究內容。

目前，國外學者對SEAS技術進行了一定研究。Kim等[9]以砂為介質研究了地下水表面張力和空氣飽和度的關系；Kim等[10－11]還通過二維砂槽實驗研究了SEAS對甲苯、四氯乙烯的去除效果。以上研究主要集中在傳統AS和SEAS的效果對比上，而對于不同表面活性劑濃度下空氣飽和度的變化機理研究還不夠深入，特別是在不同的氣流運行方式下空氣飽和度的變化情況及相關機理研究還鮮有報道。空氣飽和度是衡量AS處理效果的重要指標，地下水中空氣飽和度越高，意味著空氣和污染物接觸的機會越多，面積越大，污染物就越容易通過揮發而被去除。因此實驗以中砂和礫石為介質分別模擬2種不同的氣流運行方式，來研究表面活性劑濃度對空氣飽和度的影響，為SEAS技術的場地應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗所用裝置見圖1，為一維有機玻璃柱，高100cm，內徑7.3cm，側面開有從下至上1－7號取樣孔。4500g中砂或4000g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中，并由7號取樣孔流出，直至砂柱吸附飽和，柱內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，以計算空氣飽和度。

圖1 實驗裝置圖

1.2 實驗材料與測試方法

Ji等[8]指出，AS過程中氣流的運動形式主要有孔道和鼓泡2種方式，當介質粒徑＞4mm，空氣是以鼓泡的方式上升的，當介質粒徑＜0.75mm，空氣是以孔道的方式上升的，當介質粒徑在2mm左右時，空氣的上升包括這2種方式。因此，實驗選取了中砂和礫石來模擬地下水介質，其相關理化性質見表1。

表1 實驗用介質理化性質

選用了十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和吐溫80（Tween80）作為強化表面活性劑進行強化修復實驗，2試劑均為化學純。

pH的測量使用便攜式pH計，TOC的測量參照文獻[12]，表面張力的測量使用上海方瑞儀器有限公司的QBZY-1型全自動表面張力儀，氣泡穩定性的測定參照文獻[13]。

1.3 實驗方案

毛細壓力與飽和度關系實驗使用的裝置參照Sharma等[14]相關實驗所用裝置。所用介質以及裝填方式均與柱實驗相同。研究了3種表面張力下毛細壓力與飽和度的關系。

在強化修復實驗中，進行了一系列柱實驗，各柱所用表面活性劑濃度及曝氣量詳見表2。

表2 強化修復實驗方案

2 實驗結果與分析

2.1 毛細壓力－飽和度的關系

土壤中毛細壓力pc和表面張力σ之間的關系可以表示為[15]：

其中：θ為接觸角；r是等效毛細水力半徑。

式（1）表明表面張力的下降將導致毛細壓力的下降。在多孔介質中，水的飽和度Sw與毛細壓力水頭hc之間的關系可表示為[15]：

其中：Sm為濕潤相的束縛飽和度；hd為氣流驅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引起兩相系統毛細壓力－飽和度基本參數關系的變化。

圖2、3為不同表面張力下中砂和礫石中水氣兩相Sw－hc的關系趨勢圖。由圖2可知，在中砂中，隨著表面張力的降低，曲線下移，即同一濕潤相飽和度時，表面張力越低，其對應的毛細壓力水頭值越小，即空氣驅替介質中的水越容易，因此可知，表面張力降低所引起的毛細壓力下降將導致中砂中空氣飽和度提高。在礫石中，當水飽和度＞0.2時，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壓力下降并沒有明顯提高礫石中的空氣飽和度。

圖2 中砂中水氣兩相Sw－hc關系

圖3 礫石中水氣兩相Sw－hc關系

2.2 強化修復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50mN／m時，空氣飽和度都隨著表面張力的降低而有大幅增加。當曝氣量為100mL／min，地下水的表面張力由72.2mN／m降至49.5mN／m時，地下水中空氣飽和度由13.2%提高至50.1%，而后，隨著表面張力的進一步降低，空氣飽和度不再提高，反而有小幅下降。

圖4 中砂柱中空氣飽和度的變化

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

圖5 不同表面張力下中砂中孔道分布示意圖

圖6為礫石柱中不同曝氣量和SDBS濃度下，空氣飽和度的變化情況。

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，因此推測空氣飽和度的增加可能是由于表面活性劑的加入增強了氣泡穩定性的結果。

圖6 礫石柱中空氣飽和度的變化

為了對比和驗證在不同的氣流運行方式下空氣飽和度的變化機理，實驗分別配置了表面張力相同（即毛細壓力相同）、氣泡穩定性相同的SDBS和Tween80溶液，來分別研究毛細壓力和氣泡穩定性對空氣飽和度的影響。通過實驗得到，表面張力為59mN／m 的SDBS溶液和50mN／m 的Tween80溶液氣泡穩定性基本相同。

圖7為中砂柱中毛細壓力和氣泡穩定性對空氣飽和度的影響。

圖7 中砂柱中毛細壓力和氣泡穩定性對空氣飽和度的影響

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

圖8為礫石柱中毛細壓力和氣泡穩定性對空氣飽和度的影響。

由圖可知，Tween80和SDBS溶液表面張力相同時（即毛細壓力相同時），2條空氣飽和度曲線有較大差別。而對于Tween80（50.3mN／m）和SDBS（59.2mN／m）溶液氣泡穩定性相同時，2條空氣飽和度曲線卻較為相近。因此得到結論，在礫石中，氣流以鼓泡的運動形式為主，氣泡穩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，氣泡的穩定性增強，也就是越難發生形變。當氣泡穿越介質孔隙時，會受到介質的阻擋，穩定性強的氣泡不容易發生形變，導致其難以穿過介質而上升并從水中溢出，這將導致氣泡在水中的停留時間延長，因此，氣體在水中的飽和度就相應提高。

圖8 礫石柱中毛細壓力和氣泡穩定性對空氣飽和度的影響

3 結 論

1）當氣流以孔道運行方式為主時，隨著地下水表面張力降低，空氣飽和度逐漸提高，但當表面張力降到49.5mN／m時，會導致優先流的形成，空氣飽和度不再升高，反而有降低的趨勢。

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

3）當氣流以鼓泡運行方式為主時，空氣飽和度隨著表面張力的降低而持續增加。

4）當氣流以鼓泡運行方式為主時，氣泡穩定性增強是空氣飽和度提高的主要原因。

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