在水系洗凈體系中，占據(jù)主流的是使用濃度略高于臨界膠束濃度（cmc）和高濃度的表面活性劑溶液進(jìn)行洗凈的方法。但是，洗滌廢液會污染水質(zhì)，因此，減少洗凈過程中的表面活性劑使用量是大勢所趨。

最近幾年出現(xiàn)了一種新型微泡洗凈技術(shù)。它不使用任何表面活性劑，是利用直徑小于50mm的微泡或精細(xì)氣泡的洗凈技術(shù)。迄今為止，已經(jīng)有研究報告稱，新型微泡洗凈技術(shù)對除去亞克力板表面附著的油性物質(zhì)、除去機(jī)械部件上附著的脂質(zhì)，以及亞克力圓管內(nèi)壁附著的豬油的去除均有效果。另一方面，對于濕式人工污布的清洗，微泡水與蒸餾水的洗凈力等同，微泡洗凈沒有效果。由此看來，微泡洗凈的效果因具體事例而異。

另外，有很多研究報告認(rèn)為：表面活性劑對氣泡直徑變化和氣泡穩(wěn)定性等氣泡行為有影響。例如，添加的表面活性劑濃度低于cmc，溶液中的氣泡直徑會變小，氣泡上升速度降低，氣泡穩(wěn)定性提高。還有報告認(rèn)為，應(yīng)防止氣泡的合并。這些研究報告都是以低于cmc的低濃度表面活性劑展開的探討，即使是低濃度的表面活性劑，也被認(rèn)為對氣泡行為有影響。

另一方面，以前采用的微泡洗凈很少有添加表面活性劑的報道。據(jù)推測，利用微泡去除污垢的洗凈機(jī)理，是由于氣泡吸附在疏水性污垢上，通過將污垢帶入氣液表面而除去。因此，添加表面活性劑能使氣泡直徑減小，增大氣液界面的面積，從而提高了微泡洗凈的效果。

鑒于以上原因，日本橫濱國立大學(xué)的研究小組研究了低于cmc的低濃度表面活性劑溶液中微泡的洗凈性，并對此時的氣泡行為一并展開探討。

1 實驗

1.1 試劑

本研究使用的表面活性劑有3種：陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS，和光純藥生物化學(xué)）、陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，Nacalai特級試劑）、非離子表面活性劑聚氧乙烯（十二）月桂醇醚（AE，L-12P，日本東邦化學(xué)工業(yè)）3種表面活性劑。表面活性劑溶液調(diào)制使用的溶劑全部是自來水（硬度約35mg/kg，由碳酸鈣換算而來）。模型污垢是牛脂（日本純正化學(xué)公司），其他試劑使用和光純藥的特級試劑。

1.2 實驗裝置

圖1是本實驗測定氣泡直徑及洗凈試驗用的裝置概略圖。微泡發(fā)生裝置上安裝了可調(diào)式流量計，微泡吹出口裝有亞克力制的測定槽。液相為自來水或表面活性劑溶液，氣相為大氣。

1.3 氣泡直徑的測定

圖1 洗凈試驗裝置概略圖

微泡發(fā)生裝置工作5min，徹底排除管道中的空氣后，用數(shù)碼顯微鏡VHX-100（Keyence公司）對通過測定槽的微泡動畫進(jìn)行攝影。該動畫用視頻捕捉器VGA2USB Pro（Epiphan公司）將動畫文件（分辨率1600×1200）導(dǎo)入，測定焦點重合的氣泡直徑。重復(fù)同樣的操作，直至測定的氣泡數(shù)合計達(dá)到300個。

1.4 氣泡消失時間的測定

用燒杯采集剛從微泡發(fā)生裝置出來的微泡水，目視觀察微泡消失的時間。表面活性劑的添加濃度設(shè)定為10mg/L。

1.5 靜態(tài)表面張力的測定

在20℃下，用表面張力自動測定儀EZ-Pi（Kibbron公司）測定表面活性劑溶液的靜態(tài)表面張力。

1.6 微泡洗凈試驗

以2-丙醇作為溶劑，在玻璃管（長6.0cm，外徑0.7mm，內(nèi)徑0.5mm）中滴下濃度為0.1%（w/v）的牛脂溶液200mL。然后，在室溫下干燥一晚上，待2-丙醇完全揮發(fā)掉后，用于下一步的洗凈試驗。

在管道的一端連接玻璃管進(jìn)行洗凈試驗。洗凈溶液是自來水和各種設(shè)定濃度的表面活性劑溶液?？紤]到洗凈溶液會再次附著到玻璃管壁，因而不能循環(huán)使用玻璃管。洗凈條件為水溫（20±1.5）℃，洗凈時間3min，流量3.5L/min。為了檢測微泡的洗凈效果，在沒有產(chǎn)生微泡的條件下也做了同樣的洗凈試驗。洗凈后的玻璃管，用流動的自來水沖洗管內(nèi)10s，放在室溫下干燥。

1.7 浸漬試驗

浸漬試驗是為了檢測各種表面活性劑對牛脂的影響。與微泡洗凈試驗的操作一樣，將附著牛脂的玻璃管加至用自來水溶解的表面活性劑溶液（濃度為cmc）10mL的試驗管中，在20℃下浸漬5min或30min。然后，與洗凈試驗一樣，用流動的自來水沖洗玻璃管內(nèi)部10s，于室溫下自然干燥。

1.8 洗凈性試驗

將玻璃管放入盛有10mL 2-丙醇的試驗管中，于48℃下振蕩20min，抽出牛脂。然后，從試驗管中取出玻璃管，在牛脂的最大吸收波長225nm處，測定抽出液的吸光度。實驗前，預(yù)先用已知濃度的牛脂溶液制成檢量線，由該檢量線計算出牛脂的附著量，根據(jù)下式求出牛脂的去除率（R）。

在這里，QS代表洗凈前的牛脂附著量，QW代表洗凈后的牛脂殘留量。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑對氣泡行為的影響

2.1.1 表面活性劑對氣泡直徑的影響

圖2是自來水中產(chǎn)生的氣泡直徑分布圖。圖2中的平均氣泡直徑為40.17mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.43mm。結(jié)果很明顯，本研究產(chǎn)生的微泡呈現(xiàn)多分散性。

另外，添加各種表面活性劑時的平均氣泡直徑與靜態(tài)表面張力如圖3所示。從圖3可以看出，由靜態(tài)表面張力求得SDS的cmc約為1000mg/L，CTAB的cmc約為260mg/L，AE的cmc約為60mg/L。另外，隨著表面活性劑濃度的增加，靜態(tài)表面張力降低，平均氣泡直徑變小。這表明，表面張力降低，進(jìn)入溶液中的空氣更容易以氣泡形式存在。當(dāng)cmc分別為SDS：50mg/L、CTAB：50mg/L、AE：10mg/L時，氣泡直徑基本為一定值。因此，本研究認(rèn)為濃度高于cmc時，無法預(yù)測微泡的洗凈效果是否有所提高。另外，AE與其他表面活性劑相比，低濃度下的平均氣泡直徑大幅減小，這可能是由于AE的表面活性作用最強(qiáng)。

圖2 自來水中產(chǎn)生的氣泡直徑分布圖

圖3 表面活性劑對表面張力和微泡直徑的影響

2.1.2 表面活性劑對氣泡穩(wěn)定性的影響

表1是添加各種表面活性劑時的氣泡消失時間。從表1看到，所有表面活性劑中氣泡消失時間均為自來水中的2倍。此外，并未發(fā)現(xiàn)因表面活性劑種類不同，氣泡消失時間出現(xiàn)大的差異。以上結(jié)果表明，添加表面活性劑不僅能減小氣泡直徑，還能提高溶液中氣泡的穩(wěn)定性。

表1 自來水和表面活性劑溶液中的氣泡壽命

2.2 表面活性劑對微泡洗凈性的影響

2.2.1 陰離子表面活性劑（SDS）的影響

圖4是各濃度SDS溶液去除牛脂的洗凈試驗結(jié)果。用微泡洗凈的過程中，隨SDS濃度升高，牛脂的去除率增加，平均氣泡直徑最小的SDS濃度50mg/L條件下的去除率提高15.4%，為微泡單體去除率的1.3倍。因此，添加SDS后微泡泡徑變小，增大了氣液界面面積，提高了牛脂的去除率。

圖4 各濃度SDS溶液去除牛脂的洗凈試驗結(jié)果

另一方面，比較微泡平均氣泡直徑基本相同的SDS濃度50、100、250mg/L，SDS濃度為250mg/L時的牛脂去除率大幅提高。這很可能是由于在該濃度條件下，SDS在微泡表面的吸附呈飽和狀態(tài)，牛脂及玻璃管上的SDS吸附量增加使牛脂的附著力降低，在液流等機(jī)械力的作用下，牛脂變得容易被去除。為此，在SDS濃度250mg/L的條件下，牛脂去除與微泡的疏水性吸附無關(guān)，因此，很難說微泡對牛脂具有洗凈效果。

由此可知，添加濃度低于cmc濃度1/20即50mg/L的SDS，能夠提高微泡洗凈性。

2.2.2 非離子表面活性劑（AE）的影響

圖5是各濃度AE溶液的牛脂洗凈試驗結(jié)果。微泡洗凈中，AE與SDS一樣，隨濃度增高牛脂的去除率增加。平均氣泡直徑降至最小的AE濃度為50mg/L，在該條件下牛脂的去除率為22.4%，是微泡單體去除率的1.9倍。

圖5 各濃度AE溶液的牛脂洗凈試驗結(jié)果

比較AE濃度從10mg/L增加至50mg/L的牛脂去除率發(fā)現(xiàn)，不用微泡洗凈的牛脂去除率為一定值，而用微泡洗凈的牛脂去除率增加。當(dāng)AE濃度從10mg/L增加至50mg/L，靜態(tài)表面張力隨之減小，表面活性劑濃度增加產(chǎn)生的表面活性作用基本不會對牛脂的洗凈性產(chǎn)生影響。因此，可以確認(rèn)微泡直徑減小有利于提高洗凈性。

不過，本研究比較了AE濃度10mg/L與50mg/L的微泡洗凈去除率，認(rèn)為由AE濃度增加引起的牛脂去除率比例很小，在AE濃度為10mg/L時，即可有效提高微泡的牛脂去除率。另外，所有AE濃度條件下的微泡洗凈均能提高牛脂的去除率。

2.2.3 陽離子表面活性劑（CTAB）的影響

各濃度CTAB溶液的牛脂洗凈試驗結(jié)果如圖6所示。試驗結(jié)果表明，隨CTAB濃度的增加，微泡的牛脂去除率增加。因此，與其他表面活性劑同樣，CTAB也是通過減小微泡直徑提高牛脂洗凈性的。

圖6 各濃度AE溶液的牛脂洗凈試驗結(jié)果

另一方面，在用微泡洗凈時，添加CTAB卻降低了牛脂的去除率。此外，添加低濃度CTAB下的牛脂去除率與不用微泡時的去除率差別很大。因此，CTAB吸附到微泡表面，減少了對牛脂的吸附量，導(dǎo)致微泡洗凈的牛脂去除率降低。

以上結(jié)果表明，微泡洗凈中添加CTAB時，CTAB與牛脂的反應(yīng)性比微泡的氣泡直徑對洗凈性的影響更大。

2.2.4 各種表面活性劑對牛脂洗凈性的影響

為了調(diào)查添加CTAB時，提高牛脂去除率的要因，本研究用各種表面活性劑溶液實施了浸漬試驗，試驗結(jié)果如圖7。牛脂的去除率按照從大到小的順序如下：添加CTAB（浸漬30min，去除率最高，為52.6%；浸漬5min，去除率為30.6%）＞SDS＞AE。此外，在取出浸漬試驗后的玻璃管的CTAB溶液中，確認(rèn)存在固體狀的牛脂（圖8），因此可以認(rèn)為CTAB浸透至固體與基質(zhì)之間，從而剝離去除了牛脂。

由于CTAB浸透至污垢與基質(zhì)之間的浸透作用極大，因而認(rèn)為這是它對牛脂去除率最高的原因。

圖7 各種表面活性劑溶液對牛脂的去除率

圖8 浸漬試驗后，玻璃管的CTAB溶液

3 結(jié)論

本研究用3種表面活性劑探討了微泡的氣泡行為及洗凈性。探討結(jié)果如下：

(1）添加表面活性劑能減小微泡的泡徑，延長溶液中氣泡的消失時間，從而提高了氣泡穩(wěn)定性。

(2）微泡洗凈過程中，在cmc以下的低濃度表面活性劑溶液中能提高洗凈性。推測這可能是添加表面活性劑后，氣泡直徑變小所致。

(3）高濃度表面活性劑溶液和陽離子表面活性劑溶液會降低微泡的洗凈效果。因此，為了有效利用微泡洗凈，應(yīng)使用濃度為cmc 1/20～1/6的陰離子或非離子表面活性劑。