污染场地在世界各地广泛存在，且给人类的健康带来了极大的威胁。土壤淋洗技术和地下水曝气技术常被联合用于污染场地的修复。在该过程中，土壤淋洗中的淋洗剂会对地下水曝气中的氧传质产生影响。本文研究了土壤淋洗中常用的表面活性剂对微纳米气泡曝气中氧传质的影响。首先测量了含不同浓度和类型表面活性剂微纳米气泡曝气中气泡粒径、曝气系统气含率和体积传质系数。其次计算不同表面活性剂溶液中微纳米气泡曝气的液相传质系数。最后基于试验数据对Frössling模型进行修正。

成果展示

（1）由于表面活性剂限制气泡表面更新且抑制气泡聚结，在表面活性剂溶液中微纳米气泡的粒径显著小于蒸馏水中的。进一步地，阴离子表面活性剂溶液中的微纳米气泡比非离子表面活性剂中的小。

（2）由于表面活性剂在微纳米气泡的表面发生累积，曝气系统的体积传质系数和液相传质系数值随着表面活性剂浓度的增加而降低。且离子表面活性剂溶液中的液相传质系数值小于非离子表面活性剂溶液中的。

（3）基于试验数据修正后的Frössling模型可用于计算含表面活性剂微纳米气泡曝气系统的液相传质系数值。

图文导读

表面活性剂溶液中微纳米气泡的粒径如图1所示，蒸馏水中微纳米气泡的粒径为45.53μm；表面活性剂溶液中，随着表面活性剂浓度增加，粒径减少。因为表面活性剂显著降低了溶液的表面张力，气泡表面与溶液间的表面张力梯度限制了气泡表面的更新。另外，表面活性剂分子吸附在气-液界面上吸附，其疏水尾部朝向气泡、亲水尾部朝向液体，这种定向分布的表面活性剂分子抑制了气泡聚结，增加了气泡稳定性。

在不更新气泡表面和表面活性剂分子抑制凝聚的共同作用下产生了粒径更小的微纳米气泡。表面活性剂浓度大于CMC值的溶液中的微纳米气泡的粒径小于表面活性剂浓度小于CMC的溶液中的。该现象主要是因为当表面活性剂浓度小于CMC值时，表面活性剂分子不足以完全覆盖气泡表面。另外，如图1所示，随着浓度增加，微纳米气泡的粒径降低，当c/CMC值大于1时，溶液的表面张力达到了稳定值，但微纳米气泡的粒径持续减小。

由此可知，表面活性剂分子的数量在减小气泡粒径方面也发挥了重要作用。如图1所示，阴离子表面活性剂（SDBS或RHA）浓度增加，微纳米气泡的粒径从45μm降低到30μm。而在非离子表面活性剂TX-100或SAP溶液中，微纳米气泡的粒径降低较少。微纳米气泡的粒径在两种表面活性剂溶液中减小幅度不同表明：在微纳米气泡形成过程中，溶液中的电荷对微纳米气泡的粒径大小发挥着关键作用。具体地，在离子型表面活性剂溶液中，微纳米气泡表面吸附的表面活性剂分子电荷增加了微纳米气泡间排斥力，抑制了气泡的凝聚。

图1表面活性剂溶液中微纳米气泡的粒径

含表面活性剂微纳米气泡曝气系统的体积传质系数（kLa）值如图2所示。在四种表面活性剂溶液中，kLa值均随表面活性剂浓度增加而降低。当c/CMC小于1时，降低的趋势更明显。这说明少量的表面活性剂即可对传质产生显著影响。此外，非离子型表面活性剂对kLa的影响大于离子型表面表面活性剂。分子量大的RHA比SDBS具有更显著的传质抑制作用。

图2含表面活性剂微纳米气泡曝气系统的体积传质系数

综上，表面活性剂的类型和浓度对微纳米气泡曝气系统中的氧传质有直接影响。

作者及团队介绍第一作者：白梅，女，东南大学博士，主要研究污染场地生物修复技术。通讯作者：刘志彬，教授，博士生导师。主要研究领域为污染场地绿色修复技术研究、环境岩土新材料研究与应用和环境岩土多场耦合理论研究。