CN116656371A - 一种微纳米气泡协同提高常规阳离子表面活性剂增溶多环芳烃效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳米气泡协同提高常规阳离子表面活性剂增溶多环芳烃效率的方法。首先将水通过水泵进入高速剪切器中并按照一定水量、水压、气流量、水流量、通入时间等参数制备特定的体相微纳米气泡。将微纳米气泡水作为稀释剂，按照一定比例去稀释配置好且稳定的季铵盐阳离子表面活性剂溶液。最后得到可以用于增溶多环芳烃的微纳米气泡与季铵盐阳离子表面活性剂的耦合溶液。此体系操作简易，制备原料经济绿色，可大幅度增强常规阳离子表面活性剂对多环芳烃的增溶量，减少土壤及地下水多环芳烃污染治理中表面活性剂的用量，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于环境工程领域，具体涉及一种微纳米气泡协同提高常规阳离子表面活性剂增溶多环芳烃效率的方法。
背景技术
多环芳烃是其分子中由两个或多个苯环组成的疏水性有机污染物。结构式苯环之间呈线状、簇状或角状排列，纯物质为无色、白色或浅黄绿色的固体形态。多环芳烃是一种具有三致性(致癌、致畸、致突变)且不易降解的污染物，属于重质非水相液体。多环芳烃作为进入地下水和土壤环境后极易被土壤等多孔介质吸附，难以通过常规的淋洗方法去除。多环芳烃严重危害环境、生态和人类健康，受到了全世界的广泛关注。探索和开发高效的多环芳烃污染的增效修复技术，对于保护生态环境、促进人类健康具有重要意义。
表面活性剂增效修复技术可以增强疏水性有机化合物的溶解度和流动性，已成为土壤及地下水中多环芳烃污染修复领域有效且成熟的方法。目前用于增效修复的表面活性剂种类繁多，为达到增溶修复效果，必须使用大量的表面活性剂。尽管许多表面活性剂可以被降解，但它们的过度使用可能会导致多环芳烃的污染羽扩大，可能会减弱对修复场地的控制力。因此应控制表面活性剂的量。以往关于提高表面活性剂增溶效果的研究主要集中在不同的表面活性剂组合或添加剂。这些方法行之有效，但它们引入了新的化学药剂。可能会造成修复场地的二次污染。因此，寻找用于提高表面活性剂增溶效率的绿色环保的添加剂是目前迫切的研究方向。
微纳米气泡是一种原料只有水和环保气体产生的绿色环保的极细气泡，直径从几十纳米到几十微米不等，其中纳米气泡的直径小于200纳米。微纳米气泡已被证明具有多重应用价值，如增加土壤肥力、提高微生物传质等。微纳米气泡在水中的存留时间通常可以是几天到几个月，纳米气泡甚至可以存留3个月。这一特性使得微纳米气泡可以在大范围的水流中长时间流动和分散。此外，微纳米气泡和阳离子表面活性剂之间存在明显的静电力作用及疏水作用，使得表面活性剂胶束和微纳米气泡能有效地协同提升有机污染物的溶解度。
发明内容
本发明的目的在于针对常规阳离子表面活性剂增溶效率低的不足，提供一种微纳米气泡协同提高常规阳离子表面活性剂增溶多环芳烃效率的方法。
技术方案
本发明所提供一种微纳米气泡协同提高常规阳离子表面活性剂增溶多环芳烃效率的方法。首先将水通过水泵进入高速剪切器中并按照一定水量、水压、气流量、水流量、通入时间等参数制备特定的体相微纳米气泡；将微纳米气泡水作为稀释剂，按照一定比例去稀释配置好且稳定的季铵盐阳离子表面活性剂溶液；最后得到可以用于增溶多环芳烃的微纳米气泡与季铵盐阳离子表面活性剂的耦合溶液。
具体包括如下步骤：
步骤S1：基于水与气体混合并通过高速剪切，快速压降产生气体成核的原理制备微纳米气泡水。在室温20～30℃的环境下，于玻璃容器中装入1.5～2.5L的纯水或去离子水，向水泵与剪切器连结的系统中灌入适量的水。将剪切器的出口处的水管设置布水头，将布水头与水泵的进水口同时放入玻璃容器中，开启水泵进行循环剪切，并缓慢调整水压、气流量以及水流量在一定范围内。循环3～6min关闭水泵，玻璃容器内的微纳米气泡水加盖放置30min以上，便可得到用于协同增溶的微纳米气泡水。
步骤S2：配置高浓度阳离子季铵盐表面活性剂溶液作为储备液，为了形成稳定胶束形态，密封静置保存2天以上。
步骤S3：取出适量上述表面活性剂储备液，用制备好的微纳米气泡水按一定比例稀释储备液并轻轻摇匀，微纳米气泡水所占比例不低于25％。
进一步地，所述的步骤S1中向水泵与剪切器连结的系统中灌入300～500mL水。
进一步地，所述的步骤S1中水压设置为0.2～0.3MPa。
进一步地，所述的步骤S1中气流量设置为200～700mL/min。
进一步地，所述的步骤S1中水流量设置为0.1～0.5L/min。
进一步地，所述的步骤S2中所用的阳离子季铵盐表面活性剂包括双十二烷基二甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵。
进一步地，所述的步骤S3中微纳米气泡水所占比例为25％～95％之间。
进一步地，所述的步骤S4中参与增溶的微纳米气泡与季铵盐阳离子表面活性剂的耦合溶液体积在1～1000mL，多环芳烃的投入可选择5～200mg萘、菲、芘的固体颗粒。恒温摇床温度为为20～30℃，转速为50～150r/min，增溶平衡时间为24～48小时。相对于无微纳米气泡水耦合的表面活性剂溶液对多环芳烃的增溶量提升10％～150％。
本发明所合成的微纳米气泡耦合阳离子表面活性剂的溶液体系具有的优异特点在于：
(1)本发明所生产的微纳米气泡水的原材料仅有水和无害气体，成本低廉且对环境友好。纳米气泡在任何环境下都有相当长的存留时间，符合土壤及地下水污染的修复理念；
(2)本发明所涉及的阳离子表面活性剂是一类经济实惠且在市面上常见的表面活性剂，在实际土壤及地下水修复中成本可大大降低；
(3)利用本方法合成的微纳米气泡耦合表面活性剂体系可快速配置，具备高效增溶能力、快速增溶速率等优点。相比普通表面活性剂增效体系，此体系能增加表面活性剂效能，显著减少表面活性剂的用量。在土壤及地下水中多环芳烃的修复过程中能应对复杂修复环境，有效降低成本，减少二次污染，有良好的推广前景。
附图说明
图1为实施例1中不同相对浓度的微纳米气泡耦合阳离子表面活性剂(双十二烷基二甲基溴化铵)溶液增溶多环芳烃(菲)效果图。
图2为实施例2中微纳米气泡耦合阳离子表面活性剂(十二烷基三甲基溴化铵)溶液的电导率及其二阶导数曲线图。
图3为实施例2中微纳米气泡耦合阳离子表面活性剂(十二烷基三甲基溴化铵)溶液在pH影响因素下的增溶多环芳烃(菲)效果图。(图例中16和16B分别表示16mM的十二烷基三甲基溴化铵溶液和16mM的微纳米气泡耦合十二烷基三甲基溴化铵溶液，下同)。
具体实施方式
本发明公开了一种微纳米气泡协同提高常规阳离子表面活性剂增溶多环芳烃效率的方法。首先将水通过水泵进入高速剪切器中并按照一定水量、水压、气流量、水流量、通入时间等参数制备特定的体相微纳米气泡。将微纳米气泡水作为稀释剂，按照一定比例去稀释配置好且稳定的季铵盐阳离子表面活性剂溶液。最后得到可以用于增溶多环芳烃的微纳米气泡与季铵盐阳离子表面活性剂的耦合溶液。此体系操作简易，制备原料经济绿色，可大幅度增强常规阳离子表面活性剂对多环芳烃的增溶量，减少土壤及地下水多环芳烃污染治理中表面活性剂的用量，具有广阔的应用前景。下面结合实验对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
第一组实验实施例1
基于上述技术方案的操作步骤，本实施例区别在于改变了表面活性剂种类，调整了微纳米气泡的制备方法和相对浓度。具体步骤如下：
1、在室温25℃的环境下，于玻璃容器中装入2L的纯水，向水泵与剪切器连结的系统中灌入500mL的水。将剪切器的出口处的水管设置布水头，将布水头与水泵的进水口同时放入玻璃容器中，开启水泵进行循环剪切，并缓慢调整水压为0.25MPa，空气气流量为700mL/min，水流量为0.3L/min。循环4min关闭水泵，玻璃容器内的微纳米气泡水加盖放置30min，得到用于协同增溶的微纳米气泡水。
2、配置5mM的双十二烷基二甲基溴化铵溶液作为储备液，密封静置7天；
3、将步骤2中所得到的储备液取1.5mL于具塞锥形瓶中，分别加入制备好的微纳米气泡水0、7.5、15、22.5、28.5mL，最后加入纯水稀释至30mL，并轻轻震荡均匀。得到相对浓度为25％～95％的微纳米气泡耦合双十二烷基二甲基溴化铵的溶液。
4、取一定量的微纳米气泡耦合不同浓度的十二烷基三甲基溴化铵的溶液测量电导率，取30mL相对浓度为0％～95％的微纳米气泡耦合双十二烷基二甲基溴化铵的溶液样品加入具塞锥形瓶中，加入100mg固体菲，密封置于恒温摇床中，保持震荡速度60rpm，25℃下恒温振荡48h至平衡，取样测定菲的表观溶解度。
由实施例1可得到0％～95％的微纳米气泡耦合双十二烷基二甲基溴化铵的溶液对菲的增溶曲线(图1)。可知浓度越高的微纳米气泡对双十二烷基二甲基溴化铵增溶菲的协同效应越好，相比较无微纳米气泡存在时，最高可以提升94％。在实际应用中制备浓度较高的微纳米气泡对增溶修复效果的帮助越大。
第二组实验实施例2
基于实施例1相似的配置步骤，本实施例区别在于改变了表面活性剂种类，调整了微纳米气泡的制备方法和相对浓度。具体步骤如下：
1、在室温25℃的环境下，于玻璃容器中装入1.5L的纯水，向水泵与剪切器连结的系统中灌入500mL的水。将剪切器的出口处的水管设置布水头，将布水头与水泵的进水口同时放入玻璃容器中，开启水泵进行循环剪切，并缓慢调整水压为0.25MPa，空气气流量为200mL/min，水流量为0.3L/min。循环6min关闭水泵，玻璃容器内的微纳米气泡水加盖放置30min，得到用于协同增溶的微纳米气泡水。
2、分别配置640mM的十二烷基三甲基溴化铵溶液，密封静置2天；
3、将步骤2中所得到的十二烷基三甲基溴化铵溶液的储备液取不同的量于数个具塞锥形瓶中，分别加入制备好的微纳米气泡水28.5mL，最后加入纯水稀释至30mL，并轻轻震荡均匀。得到相对浓度为95％的微纳米气泡耦合不同浓度的十二烷基三甲基溴化铵的溶液。
4、将步骤3中所得到的相对浓度为95％的微纳米气泡耦合不同浓度的十二烷基三甲基溴化铵的溶液中加入微量氢氧化钠溶液或浓盐酸溶液调节pH。得到不同pH条件下，相对浓度为95％的微纳米气泡耦合一系列浓度梯度的十二烷基三甲基溴化铵的溶液。
5、取一定量相对浓度为95％的微纳米气泡耦合不同浓度的十二烷基三甲基溴化铵的溶液测量电导率。
6、取30mL不同pH条件下，相对浓度为95％的微纳米气泡耦合一系列浓度梯度的十二烷基三甲基溴化铵的溶液于具塞锥形瓶中，加入过量的固体菲100mg，密封置于恒温摇床中，保持震荡速度60rpm，25℃下恒温振荡48h至平衡，取上清液测定菲的浓度。
由实施例2可得到微纳米气泡耦合十二烷基三甲基溴化铵溶液的电导率及其二阶导数曲线图。由图2可得知微纳米气泡可降低十二烷基三甲基溴化铵溶液的临界胶束浓度约为8.2％。说明微纳米气泡可以促进溶液胶束的形成，使用更少量的表面活性剂达到临界胶束浓度之后的表面活性剂性能。
由实施例2可得到微纳米气泡耦合十二烷基三甲基溴化铵溶液在pH影响因素下的增溶菲效果图。由图3可知，在不同pH条件下，每种浓度的微纳米气泡耦合的十二烷基三甲基溴化铵溶液中，微纳米气泡均具备增加表面活性剂原本增溶量的优异特性。因此在利用微纳米气泡耦合阳离子表面活性剂的实际场地修复中，能在多种复杂修复环境中，大幅度减少表面活性剂用量，提高修复效率。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。
Claims (10)
1.一种微纳米气泡协同提高常规阳离子表面活性剂增溶多环芳烃效率的方法，其特征在于，
首先将水通过水泵进入高速剪切器中并按照一定水量、水压、气流量、水流量、通入时间等参数制备特定的体相微纳米气泡；
将微纳米气泡水作为稀释剂，按照一定比例去稀释配置好且稳定的季铵盐阳离子表面活性剂溶液；
最后得到可以用于增溶多环芳烃的微纳米气泡与季铵盐阳离子表面活性剂的耦合溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：基于水与气体混合并通过高速剪切，快速压降使气体成核制备微纳米气泡；
步骤S2：配置高浓度阳离子季铵盐表面活性剂溶液作为储备液，为了形成稳定胶束形态，密封静置保存2天以上；
步骤S3：取出适量上述表面活性剂储备液，用制备好的微纳米气泡水按一定比例稀释储备液并轻轻摇匀，微纳米气泡水所占比例不低于25％，得到微纳米气泡与季铵盐阳离子表面活性剂的耦合溶液；
步骤S4：取适量制备好的微纳米气泡与季铵盐阳离子表面活性剂的耦合溶液中，投入过量的多环芳烃固体颗粒，放入恒温摇床中震荡，待增溶平衡后取上清液分析多环芳烃的浓度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中向水泵与剪切器连结的系统中灌入300～500mL水。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中水压设置为0.1～0.3MPa。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中气流量设置为200～700mL/min。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中水流量设置为0.1～0.5L/min。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中:
在室温20～30℃的环境下，于玻璃容器中装入1.5～2.5L的纯水或去离子水，向水泵与剪切器连结的系统中灌入适量的水；将剪切器的出口处的水管设置布水头，将布水头与水泵的进水口同时放入玻璃容器中，开启水泵进行循环剪切，并缓慢调整水压、气流量以及水流量在一定范围内；循环3～6min关闭水泵，玻璃容器内的微纳米气泡水加盖放置30min以上，得到用于协同增溶的微纳米气泡水。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2中所用的阳离子季铵盐表面活性剂包括双十二烷基二甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3中微纳米气泡水所占比例为25％～95％之间。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S4中参与增溶的微纳米气泡与季铵盐阳离子表面活性剂的耦合溶液体积在1～1000mL，多环芳烃的投入可选择5～200mg萘、菲、芘的固体颗粒；
恒温摇床温度为20～30℃，转速为50～150r/min，增溶平衡时间为24～48小时；
上述获得效果：相对于无微纳米气泡水耦合的表面活性剂溶液对多环芳烃的增溶量提升10％～150％。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117798181A (zh) * | 2023-12-01 | 2024-04-02 | 同济大学 | 一种碱与表面活性剂活化降解土壤高浓度多环芳烃的方法 |
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2023
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