高稳定化阻隔挥发性有机物水基泡沫体系的组成优化及性能.pdf
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1、2023 年第 52 卷第 9 期石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1233高稳定化阻隔挥发性有机物水基泡沫体系的组成优化及性能余锦涛1,倪晓芳2,轩宇宁1(1.上海化工院环境工程有限公司,上海 200062;2.上海化工研究院有限公司,上海 200062)摘要利用泡沫稳定性原理及正交实验设计优化了发泡液中复配表面活性剂的浓度和稳定性改良剂的用量,得到一种稳定性良好的泡沫,并测试了泡沫的稳定性及其对挥发性有机物(VOCs)的阻隔性能。根据多元非线性回归模拟结果,得到优化配比为:复配表面活性剂浓度 0.1 mol/L,稳定性改良剂丙三醇、三乙醇胺、黄原胶、硫酸锌用量分别为
2、6%(),7%(),3 g/L,0.3 mol/L。优化配比配制的发泡液产生的泡沫(稳定化泡沫)的高度半衰期为 9.1 h、析液半衰期为 8.5 h、总存留时长为 14 h;泡沫尺寸在 9 h 后增速明显,液膜间的气体扩散速率较快。稳定化泡沫在 12 13 h 内对 VOCs 的阻隔率保持在 90%。关键词泡沫稳定性;泡沫动态分析;泡沫阻隔;正交实验;挥发性有机物文章编号1000-8144(2023)09-1233-08 中图分类号TQ 09 文献标志码A Constituent optimization of high stabilized aqueous foam and its supp
3、ressing performance for volatile organic compounds YU Jintao1,NI Xiaofang2,XUAN Yuning1(1.Shanghai Institute of Chemical Industry Environmental Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200062,China;2.Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co.,Ltd.,Shanghai 200062,China)AbstractWith the theory of foam
4、 stability and orthogonal experimental design,the concentration of compound surfactant in foaming solution and amount of stability improver were screened,and foam solution with good stability was prepared,and its suppressing performance to volatile organic compounds(VOCs)were tested.According to the
5、 multiple nonlinear regression,the optimal ratio is concentration of compound surfactant 0.1 mol/L,amount of stability improver glycerol,triethanolamine,xanthan gum and ZnSO4 6%(),7%(),3 g/L,0.3 mol/L respectively.The height half-life of the stabilized foam is 9.1 h,the drainage half-life is 8.5 h,a
6、nd the total retention time is 14 h.According to the dynamic analysis of the foam,the radius of the stabilized foam increased significantly after 9 h,which indicates a fast gas diffusion rate between the liquid lamellae.The stabilized foam can maintain the suppressing rate of VOCs at 90%within 12-13
7、 h.Keywordsfoam stability;foam dynamic analysis;foam suppressing;orthogonal experiment;volatile organic compoundsDOI:10.3969/j.issn.1000-8144.2023.09.008收稿日期2023-04-18;修改稿日期2023-06-01。作者简介余锦涛(1986),男,河南省淮滨县人,博士,高级工程师,电话 18918073657,电邮 。基金项目上海市优秀学术/技术带头人计划资助项目(21XD1432400)。挥发性有机物(VOCs)扩散至周围空气、建筑物缝隙、公
8、用设备通道中会产生健康风险1-2。此外,VOCs 逸散的刺激性气味容易导致环境群体安全事件,影响社会稳定发展。目前常见的 VOCs逸散处理方式主要为结构膜阻隔,主要通过搭建充气大棚或钢结构大棚,对污染地块进行封闭式2023 年第 52 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1234处理,防止 VOCs 扩散3。结构膜阻隔技术虽然应用广泛,但成本高,搭建大棚耗时耗力,灵活性差。对于突发性 VOCs 场地泄露事故,结构膜阻隔的应变能力较弱,无法满足复杂多变的场地环境。水基泡沫材料是一种良好的阻隔材料,流动性好、延展性强,在消防4、异味控制5-6及降尘抑尘7等领域的发展十分迅速。
9、该类材料近年来也用于 VOCs阻隔8-9、污染修复10等场景,但由于阻隔时间和稳定性有限,并未有相关成熟的工程应用。泡沫的衰变过程是影响泡沫稳定性的重要因素,泡沫衰变主要分为液膜排液和气体透过液膜扩散两个过程11,导致泡沫缩坍的主要原因是泡沫壁的重力排液以及气体在泡沫间的跨膜扩散12。为抑制上述两种泡沫衰变过程,结合已有的泡沫复配液成分13,可选用三乙醇胺、丙三醇、黄原胶、硫酸锌作为泡沫稳定性改良剂。三乙醇胺是一种食品中常用的防腐添加剂,可降低有机组分被生物降解的速率,延长产品的使用时间;丙三醇可以增大溶剂的饱和蒸气压,阻止泡沫溶液中水分的蒸发;电解质的加入能够增大液膜两侧双电层的静电排斥力,
10、抑制液膜变薄,这种静电作用力的大小与离子强度相关14。加入上述稳定性改良剂后,泡沫的稳定性虽然提升,但由于内部分子排斥力增大、流体黏度增加,泡沫内部的两亲分子的迁移速度减缓,使得水-气界面的两亲分子密度下降15,从而影响发泡性能。针对上述问题,本课题组利用表面活性剂复配协同增效原理对稳定化泡沫进行发泡性能改良,确定了二元表面活性剂复配的种类、配比及浓度16。针对使用单一评价指标评价泡沫并不完善的问题,本工作结合泡沫析液半衰期、高度半衰期及发泡倍数,确立综合评价因子(CEI)作为泡沫稳定性评价指标,依据 CEI 进行泡沫的稳定性研究,以提升泡沫的整体阻隔性能。1 实验部分1.1 主要仪器和材料D
11、FA100 FSM 型泡沫动态分析仪:德国 Kruss公 司;RW20 型 悬 臂 式 搅 拌 器:德 国 IKA 公司;A10 型 超 纯 水 仪:美 国 MillionPore 公 司;ME104T/02 型 分 析 天 平:美 国 MettlerToledo 公司;QBYZ 型全自动表面张力仪:上海方瑞仪器有限公司;BILON3-120A 型超声波清洗机、HH-4型恒温水浴锅:上海比朗仪器制造有限公司;QQM500D 型低速离心机:上海启前电子科技有限公司。十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、N-月桂酰肌氨酸钠(NLSS):分析纯,阿拉丁生化科技股份有限公司;黄原胶:试剂纯,阿拉丁生化科技股份
12、有限公司;丙三醇、三乙醇胺、硫酸锌:分析纯,中国医药集团有限公司。1.2 实验方法1.2.1 发泡液的制备将总浓度为 0.1 mol/L 的 SDBS 与 NLSS 按摩尔比 73 均匀混合于 100 mL 去离子水中,搅拌均匀后超声分散 15 min,得到泡沫初级发泡原液。待发泡原液内的表面活性剂充分溶解后,逐次滴加丙三醇、三乙醇胺、硫酸锌,用玻璃棒搅拌均匀后添加少量黄原胶粉末,使用恒温水浴锅在 60 下加热 2 3 h,然后转移至超声波清洗机中超声分散 4 6 h 直至黄原胶在溶液中分散均匀,最终转移至玻璃瓶中避光储存以备使用。1.2.2 发泡倍数的计算实验环境为常温(25)、常压(101
13、.325 kPa)、湿度 50%。量取泡沫溶液 50 mL(V0)置于 500 mL 塑料量杯中,使用悬臂式搅拌器在1 500 r/min 下搅拌 10 min;将量杯从固定架上取下并将泡沫倒入 250 mL 量筒中,静置 5 min,读取量筒顶部刻度线示数(VF)以及底部析液体积(VL),按式(1)计算发泡倍数(Q)。Q=VF-VLV0-VL (1)1.2.3 泡沫形态表征实验环境为常温(25)、常压(101.325 kPa)、湿度 50%。使用泡沫动态分析仪考察泡沫形态随时间的变化,测定泡沫析液半衰期、高度半衰期及泡沫稳定存留时长。1.2.4 泡沫稳定性表征Iglesias 等17提出了短
14、寿命泡沫稳定性的评估方法,利用 Bikerman 实验法得出的数据绘制时间-泡沫高度曲线,用泡沫半衰期评估泡沫的稳定性。目前,半衰期仍是表征泡沫稳定性的主流方法,泡沫半衰期的测定分为高度半衰期及析液半衰期。高度半衰期的测定:将发泡后的体系静置于平面,观察泡沫高度随时间的变化情况,当泡沫高度下降为初始高度的 1/2 时,记录经历时间(t1/2(h)作为泡沫高度半衰期。析液半衰期的测定:在观察泡沫高度的同时,观察泡沫析液高度的变化,当析液体第 9 期1235积增至原液体积的 1/2 时,记录经历时间(t1/2(l)作为泡沫析液半衰期。结合泡沫析液半衰期、高度半衰期及发泡倍数,确定 CEI 的计算方
15、法。CEI=t21(h)+t21(l)1 000+Q5(2)1.2.5 泡沫阻隔性能表征主要采用如图 1 所示的半定量气相色谱法测定材料的阻隔率,将 5 mL 的 VOCs 与 50 g 土壤试样在密封玻璃罐内充分混合染毒后,在表面涂覆 4 cm 厚度的泡沫材料。VOCs 释放仓的环境参数为常温(25)、常压(101.325 kPa)、湿度50%。将密封玻璃罐中泡沫覆盖好的 VOCs 染毒土壤放入释放仓中,使用 Agilent 公司 8890 型气相色谱仪每隔 15 min 抽取一次释放仓内的气体进行检测,积分得峰面积,第 4 次抽取时,计算 4 次响应的峰面积总和并记录为一个点,当记录结果低
16、于最大峰面积的 10%时,停止记录。使用式(3)计算第 i 时刻的阻隔率(i)。i=(1-AiAiin11)100%(3)式中,Ai为第 i 个点的响应信号积分峰面积;n 为测试点的总数目。1.2.6 泡沫耐油性能表征使用油相物质的进入因子(E)和铺展系数(S)作为泡沫耐油性的评价指标18。E=aw+ow-ao (4)S=aw-ow-ao (5)式中,aw为发泡液的表面张力,mN/m;ow为油-发泡液混合液的界面张力,mN/m;ao为油相纯物质的表面张力,mN/m。E 表征油相物质在液膜处吸附能力的强弱,S 表征油相物质在液膜表面铺展能力的强弱,当E0,S0 时证明泡沫对该油相物质具备较弱的耐
17、油性。2 结果与讨论2.1 单因素实验结果依照 1.2.1 节的实验方法制备发泡液,分别对丙三醇、三乙醇胺、硫酸锌及黄原胶四种稳定性改良剂进行预选,实验结果见图 2。根据图 2 的单因素实验结果,三乙醇胺用量增加时,CEI 略微提升,当用量超过 8 mL 时,CEI 降低,发泡倍数显著下降;丙三醇的添加对CEI 的影响不显著,但能够显著提升泡沫半衰期,丙三醇用量超过 6 mL 时提升效果降低;添加硫酸锌对泡沫的稳定性影响较小,但会降低 CEI;仅添余锦涛等.高稳定化阻隔挥发性有机物水基泡沫体系的组成优化及性能VOCs monitor boxData acquisitionGas chromat
18、ography peakSemiquantitative analyzationSoil(50 g)4 cmTransferFoam carpetingFoamSealing capContaminatedsoilVOCs contamination(5 mL)3456789 10 11 12 13图 1 泡沫阻隔性能测试方法Fig.1 Testing scheme of foam suppressing performance.VOCs:volatile organic compounds.2023 年第 52 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1236加少量黄原胶即
19、可大幅延长泡沫的稳定时间,但也会大幅降低表面活性剂的发泡能力,添加 0.5 g 黄原胶时,发泡倍数仅为 0.6。综上所述,通过单因素实验筛选的 100 mL 发泡液中三乙醇胺、丙三醇、硫酸锌、黄原胶用量的范围分别为 0 10 mL(即 0 10%(),0 10 mL(即 0 10%(),0 0.6 mol/L,0.1 0.4 g(即 1 4 g/L)。表 1 正交实验设计参数表Table 1 Parameters of orthogonal experimentFactorLevel1234Surfactant hybrid concentration(X1)/(molL-1)0.010.05
20、0.100.20V(Glycerol)(X2)/mL2468V(Triethanolamine)(X3)/mL2468m(Xanthan gum)(X4)/g0.10.20.30.4ZnSO4 concentration(X5)/(molL-1)0.10.20.30.42.2 组分配比优化在稳定性改良剂的加入过程中,发泡倍数会受到较大的影响,因此,在加入改良剂的条件下,复配表面活性剂的浓度应略微增大。在泡沫稳定性优化实验中,复配表面活性剂浓度也作为正交实验设计中的因素。本工作选用 5 因素 4 水平正交实验进行配比优化,具体参数(每 100 mL 发泡液)如表1 所示。CEICEICEITri
21、ethanolamine volume/mLFoam quality Height half-life/hDrainage half-life/s251 000750500250765432024681012141610765432102015105CEIFoam qualityHeight half-lifeDrainage half-lifeCEIFoam qualityHeight half-lifeDrainage half-lifeCEIFoam qualityHeight half-lifeDrainage half-lifeCEIGlycerol volume/mLFoam qu
22、ality Height half-life/hDrainage half-life/s251 000750500250765432024681012141610765432102015105CEIFoam qualityHeight half-lifeDrainage half-lifeFoam quality Height half-life/hDrainage half-life/s251 0007505002501.00.80.60.40.2076543210765432102015105 ZnSO4 concentration/(mol?L-1)Xanthan gum amount/
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