汙染場地在世界各地廣泛存在，且給人類的健康帶來了極大的威脅。土壤淋洗技術和地下水曝氣技術常被聯合用於汙染場地的修複。在該過程中，土壤淋洗中的淋洗劑會對地下水曝氣中的氧傳質產生影響。本文研究了土壤淋洗中常用的表麵活性劑對微納米氣泡曝氣中氧傳質的影響。首先測量了含不同濃度和類型表麵活性劑微納米氣泡曝氣中氣泡粒徑、曝氣係統氣含率和體積傳質係數。其次計算不同表麵活性劑溶液中微納米氣泡曝氣的液相傳質係數。最後基於試驗數據對Frössling模型進行修正。

成果展示

（1）由於表麵活性劑限製氣泡表麵更新且抑製氣泡聚結，在表麵活性劑溶液中微納米氣泡的粒徑顯著小於蒸餾水中的。進一步地，陰離子表麵活性劑溶液中的微納米氣泡比非離子表麵活性劑中的小。

（2）由於表麵活性劑在微納米氣泡的表麵發生累積，曝氣係統的體積傳質係數和液相傳質係數值隨著表麵活性劑濃度的增加而降低。且離子表麵活性劑溶液中的液相傳質係數值小於非離子表麵活性劑溶液中的。

（3）基於試驗數據修正後的Frössling模型可用於計算含表麵活性劑微納米氣泡曝氣係統的液相傳質係數值。

圖文導讀

表麵活性劑溶液中微納米氣泡的粒徑如圖1所示，蒸餾水中微納米氣泡的粒徑為45.53μm；表麵活性劑溶液中，隨著表麵活性劑濃度增加，粒徑減少。因為表麵活性劑顯著降低了溶液的表麵張力，氣泡表麵與溶液間的表麵張力梯度限製了氣泡表麵的更新。另外，表麵活性劑分子吸附在氣-液界麵上吸附，其疏水尾部朝向氣泡、親水尾部朝向液體，這種定向分布的表麵活性劑分子抑製了氣泡聚結，增加了氣泡穩定性。

在不更新氣泡表麵和表麵活性劑分子抑製凝聚的共同作用下產生了粒徑更小的微納米氣泡。表麵活性劑濃度大於CMC值的溶液中的微納米氣泡的粒徑小於表麵活性劑濃度小於CMC的溶液中的。該現象主要是因為當表麵活性劑濃度小於CMC值時，表麵活性劑分子不足以完全覆蓋氣泡表麵。另外，如圖1所示，隨著濃度增加，微納米氣泡的粒徑降低，當c/CMC值大於1時，溶液的表麵張力達到了穩定值，但微納米氣泡的粒徑持續減小。

由此可知，表麵活性劑分子的數量在減小氣泡粒徑方麵也發揮了重要作用。如圖1所示，陰離子表麵活性劑（SDBS或RHA）濃度增加，微納米氣泡的粒徑從45μm降低到30μm。而在非離子表麵活性劑TX-100或SAP溶液中，微納米氣泡的粒徑降低較少。微納米氣泡的粒徑在兩種表麵活性劑溶液中減小幅度不同表明：在微納米氣泡形成過程中，溶液中的電荷對微納米氣泡的粒徑大小發揮著關鍵作用。具體地，在離子型表麵活性劑溶液中，微納米氣泡表麵吸附的表麵活性劑分子電荷增加了微納米氣泡間排斥力，抑製了氣泡的凝聚。

圖1表麵活性劑溶液中微納米氣泡的粒徑

含表麵活性劑微納米氣泡曝氣係統的體積傳質係數（kLa）值如圖2所示。在四種表麵活性劑溶液中，kLa值均隨表麵活性劑濃度增加而降低。當c/CMC小於1時，降低的趨勢更明顯。這說明少量的表麵活性劑即可對傳質產生顯著影響。此外，非離子型表麵活性劑對kLa的影響大於離子型表麵表麵活性劑。分子量大的RHA比SDBS具有更顯著的傳質抑製作用。

圖2含表麵活性劑微納米氣泡曝氣係統的體積傳質係數

綜上，表麵活性劑的類型和濃度對微納米氣泡曝氣係統中的氧傳質有直接影響。

作者及團隊介紹第一作者：白梅，女，東南大學博士，主要研究汙染場地生物修複技術。通訊作者：劉誌彬，教授，博士生導師。主要研究領域為汙染場地綠色修複技術研究、環境岩土新材料研究與應用和環境岩土多場耦合理論研究。