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，大量的核設施在長期運行期間及退役過程中不可避免會受到放射性污染。通過去污可有效降低放射性水平，減少工作人員受照劑量，保護公眾和環(huán)境，使設備、材料等可再利用[1-2]。

與傳統(tǒng)化學去污相比，泡沫去污技術產(chǎn)生的二次廢液量少，滲透性強，是對內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜的空腔結(jié)構(gòu)進行去污的有效技術之一[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，本文旨在通過對以APG為主要發(fā)泡劑的去污泡沫穩(wěn)定性進行研究，提高去污泡沫的穩(wěn)定性，從而進一步提高去污泡沫去污效率。

1 實驗部分

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，對應的性能參數(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 實驗方法

本實驗采用泡沫掃描分析儀進行研究。該儀器利用光學方法，通過獨特的系列電極，可以測量不同高度泡沫內(nèi)攜帶液體的百分含量。該儀器的簡要流程圖見圖1。實驗過程中，將去污泡沫液(40 mL)通過進樣系統(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的速度吹氮氣產(chǎn)生泡沫，當泡沫高度達到160 mL后，停止發(fā)泡。過程中，用CCD攝像機對泡沫的形貌進行觀察。實驗過程中，水浴溫度設置為25 ℃。

實驗過程中重點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)泡時泡沫攜帶的液體回流一般所用的時間。

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)量分數(shù)1%)的不同碳鏈長度的APG按照1.2節(jié)所述方法進行實驗，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反應了不同時間下泡沫體積的變化過程。實驗條件下，不同碳鏈長度APG的發(fā)泡速率基本相同，即達到160 mL泡沫體積所需的發(fā)泡時間基本相同。當停止發(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間的變化關系。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間，對去污效率有著重要影響。由圖3可知，達到相同泡沫體積，不同碳鏈長度APG最大持液量大小關系為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。這是因為隨著疏水碳鏈的增長，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，導致液膜表面強度增加，臨近液膜的排液受阻，從而延緩了液膜破裂時間，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

進一步對不同時間、不同碳鏈長度APG所形成泡沫的形貌進行研究，結(jié)果見圖5。當t=100 s時，泡沫細小致密，C12-14APG中泡沫粒徑相比較大。當t=1 000 s時，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不同時間內(nèi)泡沫形貌圖

對于去污來講，均勻、細密、規(guī)則性好的泡沫更有利于去污，因為其在內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜的設備中滲透性更好，能夠減少較大泡沫的破裂對去污泡沫穩(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 黃原膠對泡沫穩(wěn)定性的影響

實際的去污過程中，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)泡劑進一步提升APG泡沫的穩(wěn)定性[11]。實驗過程中，選取相同質(zhì)量濃度的C8-14APG，添加不同質(zhì)量濃度的黃原膠進行實驗，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]。當黃原膠的添加量為2 g/L時，最大攜液量及持液半衰期達到最大。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間內(nèi)泡沫形貌圖

3 結(jié)論

本文借助泡沫掃描分析儀對以APG為發(fā)泡劑主要組分的去污泡沫穩(wěn)定性進行了研究，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。