去污泡沫稳定性研究

邓少刚，郭丽潇，梁宇，郭奇，梁栋

(中国辐射防护研究院，山西 太原 030006)

随着我国核能的快速发展，大量的核设施在长期运行期间及退役过程中不可避免会受到放射性污染。通过去污可有效降低放射性水平，减少工作人员受照剂量，保护公众和环境，使设备、材料等可再利用[1-2]。

与传统化学去污相比，泡沫去污技术产生的二次废液量少，渗透性强，是对内部结构复杂的空腔结构进行去污的有效技术之一[3-7]。由于烷基糖苷(APG)在酸、碱性溶液中呈现出优良的稳定性和表面活性，可作为去污泡沫的主要发泡剂组分[8-9]。不同碳链长度的APG所产生泡沫的稳定性不同，直接影响着后续去污效率的高低。因此，本文旨在通过对以APG为主要发泡剂的去污泡沫稳定性进行研究，提高去污泡沫的稳定性，从而进一步提高去污泡沫去污效率。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

不同碳链长度的烷基糖苷(APG)，购自山西日用化工研究院，对应的性能参数见表1；黄原胶，纯度为99%；超纯水。

表1 不同碳链长度APG的主要性能参数

FM S-FMP泡沫扫描分析仪。

1.2 实验方法

本实验采用泡沫扫描分析仪进行研究。该仪器利用光学方法，通过独特的系列电极，可以测量不同高度泡沫内携带液体的百分含量。该仪器的简要流程图见图1。实验过程中，将去污泡沫液(40 mL)通过进样系统加入发泡柱底部，通过泡沫柱底部的多孔曝气盘，以60 mL/min的速度吹氮气产生泡沫，当泡沫高度达到160 mL后，停止发泡。过程中，用CCD摄像机对泡沫的形貌进行观察。实验过程中，水浴温度设置为25 ℃。

实验过程中重点考察去污泡沫的泡沫体积变化及持液半衰期。其中持液半衰期是指停止发泡时泡沫携带的液体回流一般所用的时间。

图1 泡沫扫描分析仪流程图

Fig.1 Schematic diagram of a foam scan instrument

2 结果与讨论

2.1 不同碳链长度APG的泡沫稳定性分析

将质量浓度相同(质量分数1%)的不同碳链长度的APG按照1.2节所述方法进行实验，结果见图2、图3。

图3 不同碳链长度APG的泡沫携液量变化图

图2反应了不同时间下泡沫体积的变化过程。实验条件下，不同碳链长度APG的发泡速率基本相同，即达到160 mL泡沫体积所需的发泡时间基本相同。当停止发泡后，泡沫体积逐渐减小然后趋于平稳。不同碳链长度的APG泡沫体积减小速率不同，同一时间内C12-14APG和C8-14APG泡沫体积相近，大于C8-10APG。

图3为泡沫中所携带液体含量随时间的变化关系。去污泡沫的持液半衰期直接决定了去污剂与污染表面的作用时间，对去污效率有着重要影响。由图3可知，达到相同泡沫体积，不同碳链长度APG最大持液量大小关系为C12-14APG>C8-14APG>C8-10APG，即碳链越长，最大携液量越大。泡沫携液量随泡沫的缓慢消亡而逐渐减少，碳链越长，泡沫的持液半衰期越长。

从以上分析可知，碳链越长，泡沫体积衰减越小，泡沫持液半衰期越长。这是因为随着疏水碳链的增长，表面活性剂分子在气液界面的堆积密度越来越大，形成致密的表面膜，导致液膜表面强度增加，临近液膜的排液受阻，从而延缓了液膜破裂时间，减缓了泡沫的歧化凝并效果，因此泡沫的稳定性较好[6]。泡沫气液界面表面活性剂分布示意图见图4。

图4 不同碳链长度APG在气液界面分布示意图Fig.4 Schematic illustration of molecular arrangement at the air-water interface for APGs with different carbon chain length a.短碳链APG；b.长碳链APG

进一步对不同时间、不同碳链长度APG所形成泡沫的形貌进行研究，结果见图5。当t=100 s时，泡沫细小致密，C12-14APG中泡沫粒径相比较大。当t=1 000 s时，C8-10APG的泡沫液膜明显变薄，泡沫大小不一，形状不规则，泡沫的歧化现象严重。C12-14APG和C8-14APG仍存在一定厚度的液膜，但C12-14APG产生的泡沫粒径分布范围较大，这也可由表2中泡沫个数及泡沫面积分布中看出。

表2 不同碳链长度APG单位面积所含泡沫个数Table 2 The foam number in per unit area of APGs with different carbon chain length

图5 不同碳链长度APG不同时间内泡沫形貌图

对于去污来讲，均匀、细密、规则性好的泡沫更有利于去污，因为其在内部结构复杂的设备中渗透性更好，能够减少较大泡沫的破裂对去污泡沫稳定性的影响[10]。且结合表1，C12-14APG粘度明显高于C8-14APG，这不利于去污泡沫的二次废液处理。因此，推荐选取C8-14APG作为去污泡沫的发泡剂组分。

2.2 黄原胶对泡沫稳定性的影响

实际的去污过程中，去污泡沫往往需要较长的持液半衰期，以使载带液体充分与污染表面作用，但单一的表面活性剂无法满足需求，需要添加一定量的稳泡剂进一步提升APG泡沫的稳定性[11]。实验过程中，选取相同质量浓度的C8-14APG，添加不同质量浓度的黄原胶进行实验，结果见图6、图7。

由图6可知，添加不同质量浓度的黄原胶，泡沫的发泡速率基本相同。黄原胶的加入，泡沫体积衰减明显减小。由图7可知，加入黄原胶可提升泡沫的最大携液量及携液半衰期。这是由于黄原胶的加入，进一步的提升了体系的粘度，增加了泡沫液膜的厚度，减缓了泡沫歧化凝并的作用，提升了泡沫的稳定性[12]。当黄原胶的添加量为2 g/L时，最大携液量及持液半衰期达到最大。值得注意的是，添加黄原胶的情况下，停止发泡后，泡沫在短时间(200～230 s)内存在体积和携液量减小的现象，之后趋于稳定，结合图8泡沫形貌图可发现，黄原胶的加入一方面提升了泡沫的稳定性，另一方面，过高的粘度使得发泡过程中，气体在液体中分布不均匀，出现“大泡”现象，较大的气泡在随后的泡沫消亡过程中快速坍塌，造成了短时间内泡沫体积减小和携液量迅速减少[13]。这也是黄原胶添加量为2 g/L时优于3 g/L 的原因，过大的粘度不利于泡沫的稳定性及二次废液的处理。

图6 不同黄原胶添加量下泡沫体积变化图

图7 不同黄原胶添加量下泡沫携液量变化图

图8 不同黄原胶添加量不同时间内泡沫形貌图

3 结论

本文借助泡沫扫描分析仪对以APG为发泡剂主要组分的去污泡沫稳定性进行了研究，研究结果表明：①碳链越长，去污泡沫的体积衰减减小，持液半衰期变长，结合泡沫的形貌及去污泡沫二次废液处理问题，推荐C8-14APG用于去污泡沫；②添加黄原胶可有效提升泡沫稳定性，过高的添加量由于导致体系粘度过大，气体分散不均而不利于去污泡沫的稳定性，且二次废液难处理，黄原胶的添加量不宜超过2 g/L。