秦傳玉，趙勇勝，鄭 葦

（1.長春理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130022；2.吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，長春 130026）

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)的重要研究內(nèi)容。

目前，國外學(xué)者對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的效果對比上，而對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?？諝怙柡投仁呛饬緼S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空氣飽和度的影響，為SEAS技術(shù)的場地應(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100cm，內(nèi)徑7.3cm，側(cè)面開有從下至上1－7號(hào)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(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＞4mm，空氣是以鼓泡的方式上升的，當(dāng)介質(zhì)粒徑＜0.75mm，空氣是以孔道的方式上升的，當(dāng)介質(zhì)粒徑在2mm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。

表1 實(shí)驗(yàn)用介質(zhì)理化性質(zhì)

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的測量使用便攜式pH計(jì)，TOC的測量參照文獻(xiàn)[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(dòng)表面張力儀，氣泡穩(wěn)定性的測定參照文獻(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。

表2 強(qiáng)化修復(fù)實(shí)驗(yàn)方案

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pc和表面張力σ之間的關(guān)系可以表示為[15]：

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Sw與毛細(xì)壓力水頭hc之間的關(guān)系可表示為[15]：

其中：Sm為濕潤相的束縛飽和度；hd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Sw－h(huán)c的關(guān)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(shí)，表面張力越低，其對應(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。

圖2 中砂中水氣兩相Sw－h(huán)c關(guān)系

圖3 礫石中水氣兩相Sw－h(huán)c關(guān)系

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50mN／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100mL／min，地下水的表面張力由72.2mN／m降至49.5mN／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。

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(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72.2mN／m降至49.5mN／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。

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(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。

圖6 礫石柱中空氣飽和度的變化

為了對比和驗(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)定性對空氣飽和度的影響。通過實(shí)驗(yàn)得到，表面張力為59mN／m 的SDBS溶液和50mN／m 的Tween80溶液氣泡穩(wěn)定性基本相同。

圖7為中砂柱中毛細(xì)壓力和氣泡穩(wěn)定性對空氣飽和度的影響。

圖7 中砂柱中毛細(xì)壓力和氣泡穩(wěn)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(shí)（即毛細(xì)壓力相同時(shí)），2條空氣飽和度曲線基本重合，而對于 Tween80（51mN／m）和 SDBS（59mN／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。

圖8為礫石柱中毛細(xì)壓力和氣泡穩(wěn)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(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。而對于Tween80（50.3mN／m）和SDBS（59.2mN／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，因此，氣體在水中的飽和度就相應(yīng)提高。

圖8 礫石柱中毛細(xì)壓力和氣泡穩(wěn)定性對空氣飽和度的影響

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49.5mN／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。

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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