去污泡沫穩(wěn)定性研究

鄧少剛，郭麗瀟，梁宇，郭奇，梁棟

(中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006)

隨著我國核能的快速發(fā)展，大量的核設(shè)施在長期運(yùn)行期間及退役過程中不可避免會(huì)受到放射性污染。通過去污可有效降低放射性水平，減少工作人員受照劑量，保護(hù)公眾和環(huán)境，使設(shè)備、材料等可再利用[1-2]。

與傳統(tǒng)化學(xué)去污相比，泡沫去污技術(shù)產(chǎn)生的二次廢液量少，滲透性強(qiáng)，是對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行去污的有效技術(shù)之一[3-7]。由于烷基糖苷(APG)在酸、堿性溶液中呈現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性和表面活性，可作為去污泡沫的主要發(fā)泡劑組分[8-9]。不同碳鏈長度的APG所產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性不同，直接影響著后續(xù)去污效率的高低。因此，本文旨在通過對(duì)以APG為主要發(fā)泡劑的去污泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行研究，提高去污泡沫的穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步提高去污泡沫去污效率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

不同碳鏈長度的烷基糖苷(APG)，購自山西日用化工研究院，對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)見表1；黃原膠，純度為99%；超純水。

表1 不同碳鏈長度APG的主要性能參數(shù)

FM S-FMP泡沫掃描分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用泡沫掃描分析儀進(jìn)行研究。該儀器利用光學(xué)方法，通過獨(dú)特的系列電極，可以測(cè)量不同高度泡沫內(nèi)攜帶液體的百分含量。該儀器的簡(jiǎn)要流程圖見圖1。實(shí)驗(yàn)過程中，將去污泡沫液(40 mL)通過進(jìn)樣系統(tǒng)加入發(fā)泡柱底部，通過泡沫柱底部的多孔曝氣盤，以60 mL/min的速度吹氮?dú)猱a(chǎn)生泡沫，當(dāng)泡沫高度達(dá)到160 mL后，停止發(fā)泡。過程中，用CCD攝像機(jī)對(duì)泡沫的形貌進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)過程中，水浴溫度設(shè)置為25 ℃。

實(shí)驗(yàn)過程中重點(diǎn)考察去污泡沫的泡沫體積變化及持液半衰期。其中持液半衰期是指停止發(fā)泡時(shí)泡沫攜帶的液體回流一般所用的時(shí)間。

圖1 泡沫掃描分析儀流程圖

Fig.1 Schematic diagram of a foam scan instrument

2 結(jié)果與討論

2.1 不同碳鏈長度APG的泡沫穩(wěn)定性分析

將質(zhì)量濃度相同(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%)的不同碳鏈長度的APG按照1.2節(jié)所述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2、圖3。

圖3 不同碳鏈長度APG的泡沫攜液量變化圖

圖2反應(yīng)了不同時(shí)間下泡沫體積的變化過程。實(shí)驗(yàn)條件下，不同碳鏈長度APG的發(fā)泡速率基本相同，即達(dá)到160 mL泡沫體積所需的發(fā)泡時(shí)間基本相同。當(dāng)停止發(fā)泡后，泡沫體積逐漸減小然后趨于平穩(wěn)。不同碳鏈長度的APG泡沫體積減小速率不同，同一時(shí)間內(nèi)C12-14APG和C8-14APG泡沫體積相近，大于C8-10APG。

圖3為泡沫中所攜帶液體含量隨時(shí)間的變化關(guān)系。去污泡沫的持液半衰期直接決定了去污劑與污染表面的作用時(shí)間，對(duì)去污效率有著重要影響。由圖3可知，達(dá)到相同泡沫體積，不同碳鏈長度APG最大持液量大小關(guān)系為C12-14APG>C8-14APG>C8-10APG，即碳鏈越長，最大攜液量越大。泡沫攜液量隨泡沫的緩慢消亡而逐漸減少，碳鏈越長，泡沫的持液半衰期越長。

從以上分析可知，碳鏈越長，泡沫體積衰減越小，泡沫持液半衰期越長。這是因?yàn)殡S著疏水碳鏈的增長，表面活性劑分子在氣液界面的堆積密度越來越大，形成致密的表面膜，導(dǎo)致液膜表面強(qiáng)度增加，臨近液膜的排液受阻，從而延緩了液膜破裂時(shí)間，減緩了泡沫的歧化凝并效果，因此泡沫的穩(wěn)定性較好[6]。泡沫氣液界面表面活性劑分布示意圖見圖4。

圖4 不同碳鏈長度APG在氣液界面分布示意圖Fig.4 Schematic illustration of molecular arrangement at the air-water interface for APGs with different carbon chain length a.短碳鏈APG；b.長碳鏈APG

進(jìn)一步對(duì)不同時(shí)間、不同碳鏈長度APG所形成泡沫的形貌進(jìn)行研究，結(jié)果見圖5。當(dāng)t=100 s時(shí)，泡沫細(xì)小致密，C12-14APG中泡沫粒徑相比較大。當(dāng)t=1 000 s時(shí)，C8-10APG的泡沫液膜明顯變薄，泡沫大小不一，形狀不規(guī)則，泡沫的歧化現(xiàn)象嚴(yán)重。C12-14APG和C8-14APG仍存在一定厚度的液膜，但C12-14APG產(chǎn)生的泡沫粒徑分布范圍較大，這也可由表2中泡沫個(gè)數(shù)及泡沫面積分布中看出。

表2 不同碳鏈長度APG單位面積所含泡沫個(gè)數(shù)Table 2 The foam number in per unit area of APGs with different carbon chain length

圖5 不同碳鏈長度APG不同時(shí)間內(nèi)泡沫形貌圖

對(duì)于去污來講，均勻、細(xì)密、規(guī)則性好的泡沫更有利于去污，因?yàn)槠湓趦?nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備中滲透性更好，能夠減少較大泡沫的破裂對(duì)去污泡沫穩(wěn)定性的影響[10]。且結(jié)合表1，C12-14APG粘度明顯高于C8-14APG，這不利于去污泡沫的二次廢液處理。因此，推薦選取C8-14APG作為去污泡沫的發(fā)泡劑組分。

2.2 黃原膠對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

實(shí)際的去污過程中，去污泡沫往往需要較長的持液半衰期，以使載帶液體充分與污染表面作用，但單一的表面活性劑無法滿足需求，需要添加一定量的穩(wěn)泡劑進(jìn)一步提升APG泡沫的穩(wěn)定性[11]。實(shí)驗(yàn)過程中，選取相同質(zhì)量濃度的C8-14APG，添加不同質(zhì)量濃度的黃原膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖6、圖7。

由圖6可知，添加不同質(zhì)量濃度的黃原膠，泡沫的發(fā)泡速率基本相同。黃原膠的加入，泡沫體積衰減明顯減小。由圖7可知，加入黃原膠可提升泡沫的最大攜液量及攜液半衰期。這是由于黃原膠的加入，進(jìn)一步的提升了體系的粘度，增加了泡沫液膜的厚度，減緩了泡沫歧化凝并的作用，提升了泡沫的穩(wěn)定性[12]。當(dāng)黃原膠的添加量為2 g/L時(shí)，最大攜液量及持液半衰期達(dá)到最大。值得注意的是，添加黃原膠的情況下，停止發(fā)泡后，泡沫在短時(shí)間(200～230 s)內(nèi)存在體積和攜液量減小的現(xiàn)象，之后趨于穩(wěn)定，結(jié)合圖8泡沫形貌圖可發(fā)現(xiàn)，黃原膠的加入一方面提升了泡沫的穩(wěn)定性，另一方面，過高的粘度使得發(fā)泡過程中，氣體在液體中分布不均勻，出現(xiàn)“大泡”現(xiàn)象，較大的氣泡在隨后的泡沫消亡過程中快速坍塌，造成了短時(shí)間內(nèi)泡沫體積減小和攜液量迅速減少[13]。這也是黃原膠添加量為2 g/L時(shí)優(yōu)于3 g/L 的原因，過大的粘度不利于泡沫的穩(wěn)定性及二次廢液的處理。

圖6 不同黃原膠添加量下泡沫體積變化圖

圖7 不同黃原膠添加量下泡沫攜液量變化圖

圖8 不同黃原膠添加量不同時(shí)間內(nèi)泡沫形貌圖

3 結(jié)論

本文借助泡沫掃描分析儀對(duì)以APG為發(fā)泡劑主要組分的去污泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：①碳鏈越長，去污泡沫的體積衰減減小，持液半衰期變長，結(jié)合泡沫的形貌及去污泡沫二次廢液處理問題，推薦C8-14APG用于去污泡沫；②添加黃原膠可有效提升泡沫穩(wěn)定性，過高的添加量由于導(dǎo)致體系粘度過大，氣體分散不均而不利于去污泡沫的穩(wěn)定性，且二次廢液難處理，黃原膠的添加量不宜超過2 g/L。