CN102371268A - 一种用于多氯联苯污染土壤修复的表面活性剂泡沫冲洗技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对多氯联苯(PCBs)污染土壤的泡沫冲洗技术，具体包括以下步骤：使用表面活性剂和氮气制造异位泡沫，通过控制泡沫气液比、粒径来控制泡沫的性质，将泡沫通过加压注入的方式进行泡沫冲洗，其中所述泡沫的气液比为100∶35～100∶0.2，所述粒径为10μm～3500μm，所述注入压力为0.1m水柱～15m水柱。与现有泡沫冲洗技术相比，本技术能够通过控制泡沫特性改善冲洗液在土壤介质中的波及效率并最终提高PCBs的去除效率。

Description

一种用于多氯联苯污染土壤修复的表面活性剂泡沫冲洗技术

技术领域

本发明涉及一种针对多氯联苯(PCBs)污染土壤的修复技术，具体的说是一种采用表面活性剂泡沫冲洗技术对有机污染土壤进行修复的方法。

背景技术

PCBs是一类具有持久性、生物蓄积性、半挥发性和长距离迁移性及高毒性，能够在大气环境中长距离迁移并能沉积到地球，对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质。由于PCBs具有很强的亲油亲脂性，一旦污染土壤将很难对污染介质进行修复。

表面活性剂冲洗是美国环保署所推荐使用的土壤和地下水污染原位治理疏水性有机污染物的方法之一，它是一种前瞻性修复技术，其去除土壤与地下水污染的有机污染物的作用机理主要有以下两种：一是利用表面活性剂胶束的增溶作用来提高污染物在土壤水中的溶解度；二是通过表面活性剂降低水-污染物界面之间的界面张力，进而增强其易流动性。

但是，表面活性剂冲洗修复技术存在一些弊端：首先，使用表面活性剂进行冲洗时，由于污染物表面张力被降低至一定程度，促进污染物的迁移，会造成污染羽扩大的趋势，另外，表面活性剂的加入以及对污染物的增溶，会使含有污染物的表面活性剂水溶液的密度大于周围地下水的密度，这种密度效应会引起表面活性剂羽的垂直迁移而进一步扩大污染区域；其次，由于土壤的孔隙非均质性和表面张力降低，与水冲洗相比，表面活性剂的冲洗更容易出现固定通道流，倾向于去除大孔隙中污染物，在很大程度减少了冲洗液与污染物的接触，由此降低表面活性剂冲洗去除污染物的效率，而为了最终达到较高的去除效果，需要耗费较大量的高浓度表面活性剂溶液，这无疑会产生较高的修复费用。

为了解决表面活性剂冲洗技术存在的弊端，尤其是降低介质非均匀性对有机污染物去除的不利影响，目前已经提出了不少替代技术，如原位固化技术，电动力学修复技术等。其中将表面活性剂制成泡沫，使用泡沫进行驱油是石油开采行业一种较成熟的增强驱油技术，目前已经有很多泡沫驱油的研究表明，泡沫一方面可以改善流体在介质中的波及效率，另一方面还能有助于被驱替相的排出。

土壤冲洗技术与驱油技术存在很大的相似性，因此，泡沫驱这种技术完全可以应用于土壤修复领域。事实上，近些年国外已经有部分学者将泡沫冲洗应用于土壤污染修复，但目前的泡沫冲洗主要是将气液直接混合注射进入土壤介质，让泡沫在介质孔隙中生成并流动以达到污染修复的目的，这种让泡沫在介质中原位生成并利用生成的泡沫进行修复的技术具有操作简单、设备需求低、能耗低等特点。但由于这种技术中使用的泡沫是在待修复介质孔隙中自然产生，修复过程中泡沫的特性基本不受控制，这样冲洗液不仅不能高效的去除污染物，还会造成气体或发泡剂的浪费。众所周知，泡沫冲洗技术的核心在于降低冲洗液的流动速度同时提高整体的波及效率，而影响泡沫流动性的主要因素是介质的孔隙特征，污染物性质以及泡沫自身特性，小粒径的、较高含气量的泡沫更加稳定，因此也更适合用于控制冲洗液的流动性，目前的土壤泡沫冲洗技术很少能达到这个技术要求，本文提供一泡沫(异位产生)冲洗技术，控制泡沫发生的参数，生成具有一定特性的泡沫，利用这种异位泡沫对PCBs污染土壤进行修复。

发明内容

本发明旨在提供一种可以控制泡沫特性的PCBs污染土壤的泡沫冲洗技术。

本发明提供的PCBs污染土壤的修复技术，包括以下步骤：使用表面活性剂和氮气制造异位泡沫，通过控制泡沫气液比、粒径来控制泡沫的性质，将泡沫通过加压注入的方式进行泡沫冲洗，其中所述泡沫的气液比为100∶35～100∶0.2，所述粒径为10μm～3500μm，所述注入压力为0.1m水柱～15m水柱。

优选地，本发明提供的PCBs污染土壤的修复技术，主要包括以下步骤：使用表面活性剂泡沫，通过控制泡沫气液比、粒径来控制泡沫的性质，将泡沫通过加压注入的方式进行泡沫冲洗，其中所述泡沫的气液比为100∶8，所述粒径为500μm，所述注入压力为4.5m水柱。

上述方法中，泡沫冲洗方式为连续冲洗，泡沫注入方式为注射系统加压注入，冲洗消耗发泡剂30孔隙体积。

所述表面活性剂发泡剂为普通应用于土壤冲洗的表面活性剂溶液十二烷基硫酸钠(SDS)、曲拉通100(TX-100)和聚氧乙烯月桂醚(Brij35)，溶液浓度大于临界胶束浓度10倍以上，泡沫半衰期大于15分钟。

通过流量计分别控制发泡剂的流速0.1～50mL/min和气体的流速1～500mL/min，优选的发泡剂流速为6.8ml/min，气体流速为85ml/min。

为实现以上冲洗方法，所述异位泡沫冲洗装置由气相管路、液相管路、泡沫发生装置和冲洗装置组成。

为实现以上冲洗方法，所述气相管路含有气体压缩瓶、减压阀、单向阀和流量计；所述液相管路含有蠕动泵、流量计和单向阀；所述泡沫发生装置由气液混合室和多孔材料构成；所述冲洗装置含有注射泵、压力控制阀以及PCBs污染土柱。

所述气液混合室由带椭圆形混合室的T型三通管构成，该T型三通管的材质为钢或不锈钢。

所述污染土壤PCBs的总浓度在10mg/kg～1000mg/kg范围内。

与现有的技术相比，本发明所提供的泡沫冲洗技术具有以下突出的优点：

1、本发明通过控制泡沫的含气量、粒径等因素制造具有一定特性的泡沫，同时采用加压注入的方式进行泡沫原位冲洗，能明显提高泡沫冲洗液在介质孔隙中的波及效率及PCBs去除率。

2、通过流量计分别控制气、液的流速，在T型混合器中充分混合，可以制造具有一定含气量的泡沫，有效地控制生成泡沫的含气量。

3、通过多孔材料对气液混合体的切割作用产生大小均匀且性质稳定的泡沫，可通过更换不同孔隙直径的多孔材料控制生成不同粒径的泡沫。

4、装置组装简易，耗费成本低，具有宽广的市场效益。

附图说明

图1泡沫冲洗装置图

具体实施方式

为实现泡沫冲洗过程中的泡沫特性控制，需配合泡沫特性及泡沫波及效率的测试。泡沫稳定性测试方法采用半衰期法进行测试；泡沫平均粒径采用体视镜拍照计算得到；液相PCBs浓度采用气相色谱GC-ECD(Agilent 7890A)测试得到。泡沫流动均匀性采用波及效率表征，波及效率获取步骤包括：体视镜图像获取；图像二值化(photoshop软件)；图像数值化(mapinfo软件)；参数获取(spss软件)，并使用以下公式进行计算：

${\mathrm{SE}}_l={\mathrm{SE}}_l^a\×{\mathrm{SE}}_l^a,$ ${\mathrm{SE}}_f={\mathrm{SE}}_f^a\×{\mathrm{SE}}_f^a$

${\mathrm{SE}}_l^a=\frac{A_{\mathrm{ls}}}{A_{\mathrm{ps}}}$ or ${\mathrm{SE}}_f^a=\frac{A_{\mathrm{fs}}}{A_{\mathrm{ps}}}$

和

分别代表液体和泡沫的波及效率；A_ls，A_fs和A_ps分别为体视镜图像中溶液、泡沫和介质孔隙所占的面积；A_ls，A_fs和A_ps数值均来自体视镜图片。

实施例1(变换含气量)：

传统的泡沫冲洗条件：直接采用氮气压缩瓶供气，蠕动泵供液，将气液混合体注入污染砂土。

本发明的冲洗技术，参照附图1，通过该制备异位泡沫的装置制备泡沫，该装置包括氮气压缩瓶、减压阀、精密调压阀、单向阀、流量计1、蠕动泵、流量计2、气液混合室、多孔材料(固结砂芯，平均孔径0.1mm)。在气相管路中，减压阀后设置精密调压阀，再与单向阀1、流量计1连接；在液相管路中，蠕动泵后接单向阀2、流量计2。

采用70～100目砂作为多孔介质(平均孔径0.096mm)，采用含PCBs变压器油进行污染，主要污染物为Aroclor1260，污染后的砂中含PCBs浓度为120mg/kg。

采用柱冲模拟砂土模拟冲洗，砂柱内径75mm，高度30mm。冲洗条件为：氮气压缩瓶连续注入；定液体流速冲洗，液体的流速设定为0.1ml/s，分别采用三种不同的气体流速(0ml/s，0.5ml/s，1ml/s，10ml/s)进行试验。使用浓度为5g/L的TX-100溶液作为发泡剂，共计冲洗30个孔隙体积，消耗表面活性剂溶液9000ml。得到四组试验(不同气体流速)的结果，泡沫稳定性、泡沫波及效率及最终PCBs去除率如表1和表2：

表1：传统的泡沫冲洗方法

表2：本发明的泡沫冲洗方法

从试验数据可以看出，当气体流速为零时，传统的泡沫冲洗技术与本发明所提供技术并无多少差别，这是由于无气体时冲洗液以溶液形式存在，波及效率以及PCBs去除率和泡沫无关。传统方法中生成的泡沫半衰期无法进行测试。从表1看出，当逐渐增大气体流速时，逐渐产生泡沫，由于传统方法泡沫在孔隙中产生，因此粒径取决于介质的平均孔径，因此随气体流速变化很小，波及效率和PCBs去除率受气体流速影响很小。从表2看到，采用本发明的冲洗技术进行冲洗时，泡沫半衰期受气体流速影响很大，而泡沫粒径变化不大(取决于固结砂芯的尺寸)，在气体流速为1ml/s，制造的泡沫含气量约90.9％，冲洗液拥有最高的波及效率和PCBs去除率。

实施例2(变换泡沫粒径)

传统的泡沫冲洗条件：直接采用空气压缩瓶供气，注射泵供液，将气液混合体注入污染砂土。

本发明的冲洗技术，参照附图1，通过该制备异位泡沫的装置制备泡沫，该装置包括氮气压缩瓶、减压阀、精密调压阀、单向阀、流量计1、蠕动泵、流量计2、气液混合室、多孔材料(金属曝气头，平均孔径0.1mm和0.4mm)。在气相管路中，减压阀后设置精密调压阀，再与单向阀1、流量计1连接；在液相管路中，蠕动泵后接单向阀2、流量计2。

采用20～40目砂作为多孔介质(平均孔径0.56mm)，采用电容器油进行污染，主要污染物为Aroclor1242，污染后的砂中含PCBs浓度为350mg/kg。

采用柱冲模拟砂土冲洗，砂柱内径75mm，高度30mm。冲洗条件为：空气压缩瓶连续注入；定流速、定气液比冲洗，气液比为100∶10；气体流速为1ml/s，液体流速为0.1ml/s。使用浓度为10g/L的SDS溶液作为发泡剂，共计冲洗30个孔隙体积，消耗表面活性剂溶液9000ml。得到三组试验(不同泡沫粒径)的结果，泡沫稳定性，泡沫波及效率及最终PCBs去除率如表3和表4：

表3：传统的泡沫冲洗方法

表4：本发明的泡沫冲洗方法

由表3中测试数据得到，传统泡沫冲洗方法无法对泡沫粒径进行控制，泡沫粒径与介质平均孔径接近，对于一定的介质和污染物浓度，波及效率和PCBs去除率均已固定。而从表4中数据看出，泡沫的粒径控制效果比较理想，较小的泡沫尺寸更有利于泡沫的稳定性、冲洗液的波及效率以及最终污染物的去除率。在本组试验中，采用0.1mm孔径的多孔材料制造的泡沫进行冲洗PCBs去除效果达到80.2％。

从上两个实施例看出，本发明所提供的泡沫冲洗技术相比传统技术在改善冲洗液波及效率及污染物去除率方面具有明显的优势。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种可控制泡沫特性的PCBs污染土壤泡沫冲洗技术，其特征在于包括以下步骤：使用发泡剂和氮气制造异位泡沫，通过控制泡沫气液比、粒径来控制泡沫的性质，将泡沫通过加压注入的方式进行泡沫冲洗，其中所述泡沫的气液比为100∶35～100∶0.2，所述粒径为10μm～3500μm，所述注入压力为0.1m水柱～15m水柱。

2.根据权利要求1所述的一种可控制泡沫特性的PCBs污染土壤泡沫冲洗技术优选的步骤包括：使用发泡剂制造泡沫，通过控制泡沫气液比、粒径来控制泡沫的性质，将泡沫通过加压注入的方式进行泡沫冲洗，其中所述泡沫的气液比为100∶8，所述粒径为500μm，所述注入压力为4.5m水柱。

3.根据权利要求1所述的一种可控制泡沫特性的PCBs污染土壤泡沫冲洗技术，其特征在于，泡沫冲洗方式为连续冲洗，泡沫注入方式为注射系统加压注入，冲洗消耗发泡剂30孔隙体积。

4.根据权利要求1所述的一种可控制泡沫特性的PCBs污染土壤泡沫冲洗技术，其特征在于，所用发泡剂为普通应用于土壤冲洗的表面活性剂溶液十二烷基硫酸钠、曲拉通100和聚氧乙烯月桂醚，溶液浓度大于临界胶束浓度50倍以上，泡沫半衰期大于15分钟。

5.根据权利要求1所述的一种可控制泡沫特性的PCBs污染土壤泡沫冲洗技术，其特征在于，通过流量计分别控制发泡剂的流速0.1～50mL/min和气体的流速1～500mL/min，优选的发泡剂流速为6.8ml/min，气体流速为85ml/min。

6.根据权利要求1所述的一种可控制泡沫特性的PCBs污染土壤泡沫冲洗技术，其特征在于，所述异位泡沫冲洗装置由气相管路、液相管路、泡沫发生装置和冲洗装置组成。

7.根据权利要求6所述的一种可控制泡沫特性的PCBs污染土壤泡沫冲洗技术，其特征在于，所述气相管路含有气体压缩瓶、减压阀、单向阀和流量计；所述液相管路含有蠕动泵、流量计和单向阀；所述泡沫发生装置由气液混合室和多孔材料构成；所述冲洗装置含有注射泵、压力控制阀以及PCBs污染土柱。

8.根据权利要求7所述的一种可控制泡沫特性的PCBs污染土壤泡沫冲洗技术，其特征在于，所述气液混合室由带椭圆形混合室的T型三通管构成，该T型三通管的材质为钢或不锈钢。

9.根据根据权利要求1所述的一种可控制泡沫特性的PCBs污染土壤泡沫冲洗技术，其特征在于，污染土壤PCBs的总浓度在10mg/kg～1000mg/kg范围内。

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