污染場地在(zai)世(shi)界各(ge)地廣(guang)泛存在(zai)，且(qie)給人類的(de)健康(kang)帶來了極大的(de)威脅。土(tu)(tu)(tu)壤(rang)淋(lin)洗技術和地下水(shui)曝氣(qi)(qi)(qi)(qi)技術常(chang)被聯(lian)合用于污染場地的(de)修(xiu)復。在(zai)該過程中(zhong)(zhong)(zhong)，土(tu)(tu)(tu)壤(rang)淋(lin)洗中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)淋(lin)洗劑會(hui)對(dui)地下水(shui)曝氣(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)氧傳質(zhi)產生影響。本文研究了土(tu)(tu)(tu)壤(rang)淋(lin)洗中(zhong)(zhong)(zhong)常(chang)用的(de)表面活性劑對(dui)微(wei)(wei)納(na)米氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)曝氣(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)氧傳質(zhi)的(de)影響。首先測量了含(han)不(bu)同濃度和類型(xing)表面活性劑微(wei)(wei)納(na)米氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)曝氣(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)粒(li)徑(jing)、曝氣(qi)(qi)(qi)(qi)系(xi)統氣(qi)(qi)(qi)(qi)含(han)率和體積傳質(zhi)系(xi)數(shu)。其次計算不(bu)同表面活性劑溶液(ye)中(zhong)(zhong)(zhong)微(wei)(wei)納(na)米氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)曝氣(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)液(ye)相傳質(zhi)系(xi)數(shu)。最(zui)后基于試驗數(shu)據對(dui)Fr?ssling模型(xing)進行(xing)修(xiu)正。

成果展示

（1）由(you)于表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)限制氣(qi)泡(pao)(pao)表面(mian)(mian)更(geng)新且抑制氣(qi)泡(pao)(pao)聚結，在表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)溶液(ye)中微(wei)納米氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)粒徑顯(xian)著小于蒸餾水中的(de)(de)。進一步(bu)地，陰離(li)子表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)溶液(ye)中的(de)(de)微(wei)納米氣(qi)泡(pao)(pao)比非離(li)子表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)中的(de)(de)小。

（2）由于表(biao)(biao)面(mian)活(huo)性劑在微(wei)納米氣泡的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)發生累積(ji)，曝氣系統的(de)(de)體積(ji)傳質(zhi)(zhi)系數和(he)液(ye)相(xiang)傳質(zhi)(zhi)系數值(zhi)隨著表(biao)(biao)面(mian)活(huo)性劑濃度的(de)(de)增(zeng)加而降(jiang)低(di)。且離(li)子表(biao)(biao)面(mian)活(huo)性劑溶液(ye)中(zhong)的(de)(de)液(ye)相(xiang)傳質(zhi)(zhi)系數值(zhi)小(xiao)于非離(li)子表(biao)(biao)面(mian)活(huo)性劑溶液(ye)中(zhong)的(de)(de)。

（3）基于(yu)試驗數(shu)據修(xiu)正后(hou)的(de)Fr?ssling模型(xing)可用于(yu)計算含表面活性劑微納米氣泡曝氣系統的(de)液(ye)相(xiang)傳質系數(shu)值。

圖文導讀

表(biao)(biao)(biao)面活(huo)(huo)性(xing)(xing)劑(ji)溶液(ye)(ye)中微(wei)納(na)米氣(qi)泡的(de)粒徑(jing)(jing)如圖1所(suo)示，蒸餾水(shui)中微(wei)納(na)米氣(qi)泡的(de)粒徑(jing)(jing)為45.53μm；表(biao)(biao)(biao)面活(huo)(huo)性(xing)(xing)劑(ji)溶液(ye)(ye)中，隨(sui)著(zhu)表(biao)(biao)(biao)面活(huo)(huo)性(xing)(xing)劑(ji)濃度增加，粒徑(jing)(jing)減少。因為表(biao)(biao)(biao)面活(huo)(huo)性(xing)(xing)劑(ji)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低了溶液(ye)(ye)的(de)表(biao)(biao)(biao)面張力，氣(qi)泡表(biao)(biao)(biao)面與(yu)溶液(ye)(ye)間的(de)表(biao)(biao)(biao)面張力梯度限制了氣(qi)泡表(biao)(biao)(biao)面的(de)更新(xin)。另外(wai)，表(biao)(biao)(biao)面活(huo)(huo)性(xing)(xing)劑(ji)分子吸(xi)附(fu)(fu)在(zai)氣(qi)-液(ye)(ye)界(jie)面上(shang)吸(xi)附(fu)(fu)，其(qi)疏水(shui)尾部朝(chao)向氣(qi)泡、親(qin)水(shui)尾部朝(chao)向液(ye)(ye)體，這種定向分布(bu)的(de)表(biao)(biao)(biao)面活(huo)(huo)性(xing)(xing)劑(ji)分子抑制了氣(qi)泡聚結，增加了氣(qi)泡穩定性(xing)(xing)。

在不更新(xin)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)和表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)(huo)(huo)性劑(ji)分子抑制凝聚的(de)(de)共同作用下產生(sheng)了粒徑(jing)(jing)更小(xiao)的(de)(de)微納米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)。表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)(huo)(huo)性劑(ji)濃度(du)大(da)于CMC值(zhi)(zhi)的(de)(de)溶(rong)液(ye)中的(de)(de)微納米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)粒徑(jing)(jing)小(xiao)于表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)(huo)(huo)性劑(ji)濃度(du)小(xiao)于CMC的(de)(de)溶(rong)液(ye)中的(de)(de)。該現象(xiang)主要是因為當(dang)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)(huo)(huo)性劑(ji)濃度(du)小(xiao)于CMC值(zhi)(zhi)時(shi)，表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)(huo)(huo)性劑(ji)分子不足以完全覆蓋(gai)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)。另外，如圖1所示，隨著濃度(du)增加，微納米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)粒徑(jing)(jing)降低，當(dang)c/CMC值(zhi)(zhi)大(da)于1時(shi)，溶(rong)液(ye)的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張力達到了穩定值(zhi)(zhi)，但微納米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)粒徑(jing)(jing)持續減小(xiao)。

由此可(ke)知(zhi)，表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)(xing)(xing)劑(ji)分子(zi)的(de)(de)數量(liang)在(zai)減小氣(qi)泡(pao)(pao)粒(li)(li)(li)徑(jing)方面(mian)(mian)(mian)也發揮(hui)了(le)(le)重要作用。如(ru)圖(tu)1所示，陰離(li)子(zi)表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)(xing)(xing)劑(ji)（SDBS或(huo)RHA）濃度增加，微(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)粒(li)(li)(li)徑(jing)從45μm降低(di)到30μm。而在(zai)非離(li)子(zi)表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)(xing)(xing)劑(ji)TX-100或(huo)SAP溶(rong)液中，微(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)粒(li)(li)(li)徑(jing)降低(di)較少。微(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)粒(li)(li)(li)徑(jing)在(zai)兩種(zhong)表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)(xing)(xing)劑(ji)溶(rong)液中減小幅度不(bu)同表明：在(zai)微(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)形成過程中，溶(rong)液中的(de)(de)電荷(he)對微(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)粒(li)(li)(li)徑(jing)大小發揮(hui)著關鍵作用。具體地，在(zai)離(li)子(zi)型表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)(xing)(xing)劑(ji)溶(rong)液中，微(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)表面(mian)(mian)(mian)吸(xi)附的(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)活性(xing)(xing)(xing)劑(ji)分子(zi)電荷(he)增加了(le)(le)微(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)間排斥力，抑(yi)制了(le)(le)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)凝聚。

圖1表面活性劑溶液中微納(na)米(mi)氣泡的粒徑

含表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)(ji)微納米氣(qi)泡曝氣(qi)系(xi)統的體(ti)積(ji)傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)系(xi)數（kLa）值如圖(tu)2所示。在四種表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)(ji)溶液中，kLa值均隨表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)(ji)濃度增(zeng)加而(er)降(jiang)低。當c/CMC小于(yu)1時(shi)，降(jiang)低的趨勢更(geng)明顯(xian)。這說明少量的表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)(ji)即可對傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)產(chan)生顯(xian)著影(ying)響。此外(wai)，非離(li)子(zi)型表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)(ji)對kLa的影(ying)響大于(yu)離(li)子(zi)型表(biao)面(mian)表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)(ji)。分子(zi)量大的RHA比SDBS具(ju)有更(geng)顯(xian)著的傳(chuan)(chuan)(chuan)質(zhi)抑制(zhi)作用。

圖(tu)2含表(biao)面活性劑微納米氣泡曝(pu)氣系(xi)統的體(ti)積傳(chuan)質系(xi)數(shu)

綜(zong)上，表(biao)面活(huo)性劑的類型和濃(nong)度對微納米氣泡(pao)曝氣系統中的氧傳質有直接(jie)影(ying)響。

作(zuo)者及團隊(dui)介紹第一作(zuo)者：白梅，女，東南大學(xue)博士(shi)，主(zhu)要研(yan)究(jiu)(jiu)污(wu)染(ran)場地生(sheng)物修復技(ji)術。通訊作(zuo)者：劉(liu)志(zhi)彬，教授(shou)，博士(shi)生(sheng)導師。主(zhu)要研(yan)究(jiu)(jiu)領域為(wei)污(wu)染(ran)場地綠色(se)修復技(ji)術研(yan)究(jiu)(jiu)、環境巖土新材料研(yan)究(jiu)(jiu)與應用和環境巖土多場耦合理論研(yan)究(jiu)(jiu)。