溶气异相析出微气泡在石油污染土壤清洗中增效机理的研究

In order to improve the remediation efficiency of crude oil contaminated soil and avoid secondary pollution, micro-bubbles precipitated out from dissolved gas heterogeneously on soil particles in situ will be exploited to enhance the rollup of oil on the surface of soil particles and in the soil capillary pores with rhamnolipids to regulate the interface tension and hydrophobic aggregation behavior of crude oil and. Atomic force microscopy, laser diffraction and microscopic high speed photography will be used to investigate the dissolution, rollup, aggregation of crude oil and the induced effect of micro-bubbles formed in situ. Atomic force microscopy will be also used to measure the interface forces between bubble/oil, oil/soil and bubble/soil and to investigate the variation of surface contact angle, to observe the oil rollup and aggregation on the surface of bubbles. Based on Zeta-potential and surface tension (γLW、γ+、γ-、γAB) measurements, the electrostatic force, van der Waals force and hydrophobic force between solid/oil/gas interfaces will be simulated and calculated. Using extended DLVO theory, the spreading efficiency of oil and bubble will be predicted according to interface forces and energy barriers. The interaction of molecules in aggregates will be studied in detail. This work will reveal the mass transfer of multi phases and components in soil washing and establish the kinetic model of crude oil contaminated soil washing. It is expected to establish the theoretic foundation of crude oil contaminated soil flushing with dissolved gas rhamnolipid solution.

为了改善石油污染土壤淋洗效率，避免二次污染，本项目采用鼠李糖脂调控界面张力，利用溶解气体在土壤颗粒表面原位异相析出微气泡强化土壤颗粒表面及毛细孔隙中油污卷离。拟采用原子力显微镜、激光散射、显微高速摄像等分析测试手段，研究土壤颗粒表面石油卷离和原位析出微气泡的诱导效应；采用原子力显微镜测定气泡/油珠/土壤颗粒界面作用力和土壤颗粒表面微观接触角，研究油污在气泡表面铺展聚集过程；基于颗粒、油珠、气泡ζ电位和表面能分量(γLW、γ+、γ-、γAB)测定结果，模拟计算土壤洗涤体系固/液/气界面双电层作用力、范德华力和疏水作用力，结合原子力显微镜测试的界面作用力曲线，应用扩展DLVO理论，依据界面作用能垒预测有机物聚集体在气泡表面的铺展粘附效率，研究聚集层中分子间相互作用，揭示石油污染土壤洗涤体系多元多相界面质量传递规律；建立石油污染土壤洗涤动力学模型，为加压溶气鼠李糖脂溶液洗涤石油污染土壤提供依据。

针对柴油、煤油污染的土壤，采用聚氧乙烯月桂醚（Brij-35）、曲拉通100（TX-100）、吐温-80（Tw-80）非离子表面活性剂以及十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）阴离子表面活性剂和皂苷生物表面活性剂，研究了石油烃类化合物溶解、卷离和微气泡对油污洗脱强化作用，探讨了表面活性剂洗涤石油污染土壤的主要影响因素和曝气强化表面活性剂洗涤机理，测定了表面活性剂溶液的表面张力和洗涤前后土壤颗粒表面接触角，模拟计算固/液/气界面双电层作用力、范德华力和疏水作用力，依据界面作用能垒预测土壤油污聚集体与气泡的铺展粘附效率，揭示石油污染土壤洗涤体系多元多相界面质量传递特性，建立石油污染土壤洗涤动力学模型。. 研究结果表明，微气泡对污染土壤中柴油的洗脱有显著增强作用，对非离子表面活性剂溶液可以提高洗脱率10~25%，十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和皂苷溶液洗涤柴油污染土壤，曝气产生的微气泡提高了表面活性剂的增溶和乳化作用，柴油洗脱率提高20~30%。增大曝气速率能够提高洗脱率，pH升高有利于污染土壤中柴油的洗脱。曝气对表面活性剂洗涤柴油污染土壤增强作用与表面活性剂浓度、液固比、洗涤时间、pH、曝气强度、土壤颗粒粒径等有关。曝气洗涤可以有效减少表面活性剂在土壤中残留，曝气洗涤后土壤Brij-35、TX-100、Tw-80在去离子水中的浸出浓度分别为2.72 mg/L、1.02 mg/L和0.01 mg/L，不会引起二次污染。添加钠盐对SDS、SDBS、Brij35、Tw-80、X-100、皂苷溶液清洗石油污染土壤均有增效作用，且对离子型表面活性剂的作用更明显。硅酸钠对SDS清洗效果的改善程度十分明显，氯化钠和腐殖酸钠的效果次之，酒石酸钠对SDS的增效作用为四种钠盐中最差，但对SDBS 清洗的增效作用最明显。不同类型钠盐对TX-100清洗的增效作用差别不大；酒石酸钠和氯化钠对Tw-80增效最好；酒石酸钠对Brij35的增效作用随Brij35浓度增加而增加；硅酸钠和腐殖酸钠对皂苷的增效作用明显。腐殖酸钠可起到改良土壤等作用，皂苷和腐殖酸钠联用较为合适。钠盐对洗脱效果改善归因于促进油污“卷离”，强化表面活性剂对石油烃类化合物的“增溶”作用，对表面活性剂的“盐析”效应及对小胶团的“包覆”作用也有一定的贡献。