污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(shù)和地下水曝氣技術(shù)常被聯(lián)合用于污染場地的修復(fù)。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(zhì)產(chǎn)生影響。本文研究了土壤淋洗中常用的表面活性劑對微納米氣泡曝氣中氧傳質(zhì)的影響。首先測量了含不同濃度和類型表面活性劑微納米氣泡曝氣中氣泡粒徑、曝氣系統(tǒng)氣含率和體積傳質(zhì)系數(shù)。其次計(jì)算不同表面活性劑溶液中微納米氣泡曝氣的液相傳質(zhì)系數(shù)。最后基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對Fr?ssling模型進(jìn)行修正。

成果展示

（1）由于表面活性劑限制氣泡表面更新且抑制氣泡聚結(jié)，在表面活性劑溶液中微納米氣泡的粒徑顯著小于蒸餾水中的。進(jìn)一步地，陰離子表面活性劑溶液中的微納米氣泡比非離子表面活性劑中的小。

（2）由于表面活性劑在微納米氣泡的表面發(fā)生累積，曝氣系統(tǒng)的體積傳質(zhì)系數(shù)和液相傳質(zhì)系數(shù)值隨著表面活性劑濃度的增加而降低。且離子表面活性劑溶液中的液相傳質(zhì)系數(shù)值小于非離子表面活性劑溶液中的。

（3）基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正后的Fr?ssling模型可用于計(jì)算含表面活性劑微納米氣泡曝氣系統(tǒng)的液相傳質(zhì)系數(shù)值。

圖文導(dǎo)讀

表面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；表面活性劑溶液中，隨著表面活性劑濃度增加，粒徑減少。因?yàn)楸砻婊钚詣╋@著降低了溶液的表面張力，氣泡表面與溶液間的表面張力梯度限制了氣泡表面的更新。另外，表面活性劑分子吸附在氣-液界面上吸附，其疏水尾部朝向氣泡、親水尾部朝向液體，這種定向分布的表面活性劑分子抑制了氣泡聚結(jié)，增加了氣泡穩(wěn)定性。

在不更新氣泡表面和表面活性劑分子抑制凝聚的共同作用下產(chǎn)生了粒徑更小的微納米氣泡。表面活性劑濃度大于CMC值的溶液中的微納米氣泡的粒徑小于表面活性劑濃度小于CMC的溶液中的。該現(xiàn)象主要是因?yàn)楫?dāng)表面活性劑濃度小于CMC值時(shí)，表面活性劑分子不足以完全覆蓋氣泡表面。另外，如圖1所示，隨著濃度增加，微納米氣泡的粒徑降低，當(dāng)c/CMC值大于1時(shí)，溶液的表面張力達(dá)到了穩(wěn)定值，但微納米氣泡的粒徑持續(xù)減小。

由此可知，表面活性劑分子的數(shù)量在減小氣泡粒徑方面也發(fā)揮了重要作用。如圖1所示，陰離子表面活性劑（SDBS或RHA）濃度增加，微納米氣泡的粒徑從45μm降低到30μm。而在非離子表面活性劑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面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(fā)揮著關(guān)鍵作用。具體地，在離子型表面活性劑溶液中，微納米氣泡表面吸附的表面活性劑分子電荷增加了微納米氣泡間排斥力，抑制了氣泡的凝聚。

圖1表面活性劑溶液中微納米氣泡的粒徑

含表面活性劑微納米氣泡曝氣系統(tǒng)的體積傳質(zhì)系數(shù)（kLa）值如圖2所示。在四種表面活性劑溶液中，kLa值均隨表面活性劑濃度增加而降低。當(dāng)c/CMC小于1時(shí)，降低的趨勢更明顯。這說明少量的表面活性劑即可對傳質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。此外，非離子型表面活性劑對kLa的影響大于離子型表面表面活性劑。分子量大的RHA比SDBS具有更顯著的傳質(zhì)抑制作用。

圖2含表面活性劑微納米氣泡曝氣系統(tǒng)的體積傳質(zhì)系數(shù)

綜上，表面活性劑的類型和濃度對微納米氣泡曝氣系統(tǒng)中的氧傳質(zhì)有直接影響。

作者及團(tuán)隊(duì)介紹第一作者：白梅，女，東南大學(xué)博士，主要研究污染場地生物修復(fù)技術(shù)。通訊作者：劉志彬，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)槲廴緢龅鼐G色修復(fù)技術(shù)研究、環(huán)境巖土新材料研究與應(yīng)用和環(huán)境巖土多場耦合理論研究。