揮發性有機物泡沫阻隔技術研究

武 陳，王 崠，酈和生

（1.中國石化 北京化工研究院，北京 100013；2.北京中石瑞柏新材料科技有限公司，北京 100013）

揮發性有機物（VOCs）是化工行業常見的污染物［1-2］，成分復雜多樣，對人身健康和生態環境危害較大。國內外對VOCs 污染防控都非常重視，泄漏檢測與修復技術的應用使化工企業各類物料泄漏對環境造成污染的風險大大減低［3-5］。針對受到VOCs 污染的水源、土壤和地下水，有吹脫、吸附/脫附、抽提、淋洗等多種技術實施治理［6-11］。但對于面源場景下（化工物料或廢水事故性泄漏至場地表面、異位修復過程中土壤的清挖、裝卸和臨時堆放等）的VOCs 污染應急治理，還沒有完備的解決方案。

受采用水基泡沫覆蓋抑制原油蒸發方法的啟發［12］，泡沫阻隔技術作為一種新穎的技術在VOCs和粉塵抑制、危險品處置、消防等領域得到了廣泛應用［13-19］。使用合適的泡沫代替傳統的覆蓋介質，施工更方便，成本較低，環境危害小。泡沫的主要研究方向在于提高泡沫的穩定性和剛性［20-23］，使其能長時間進行覆蓋而不消泡，并能應對一定的風力和雨水。早期的發泡劑以陰離子表面活性劑為主，陰離子表面活性劑具有發泡量大、造價低廉等優點，但穩定性差。近年來，蛋白類發泡劑的研究發展迅速［24-28］，蛋白類發泡劑具有良好的泡沫穩定性，環保無毒害，生物降解性好，但價格較高，發泡量一般。美國RUSMAR 公司先后公開了兩種不同主體配方的泡沫組合物［29-34］，分別是陰離子表面活性劑體系和水解角蛋白體系，對發泡液的黏度和泡沫穩定性關系進行了系統研究，兩種泡沫都具有較長的壽命。

本工作對多種發泡劑和穩泡劑進行篩選，確定了一種能長時間阻隔VOCs 的泡沫配方，將泡沫覆蓋在VOCs 污染介質（土壤或水）表面，考察了泡沫對VOCs 的阻隔效果及穩定性。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

發泡劑（α-烯烴磺酸鈉（AOS））：工業品，山東優索化工公司；軟脂酸鉀、水解角蛋白、皂素、十二烷基硫酸鈉（K12）、豆蔻酸鈉、松香酸鈉、月桂酸鈉、卡拉膠、海藻酸鈉、瓜爾豆膠：分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；大豆分離蛋白（SPI）、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鈉（AEC9-Na）、穩泡劑（明膠、瓊脂、阿拉伯膠）：分析純，北京伊諾凱科技有限公司；P 型消防泡沫液（6%（w））：工業品，揚州江亞消防藥劑股份有限公司；模擬目標污染物（甲苯）：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

QC-1S 型大氣采樣儀：北京市科安勞保新技術公司；Mini RAE 3000 型VOCs 檢測儀：美國華瑞集團。

1.2 實驗方法

1.2.1 泡沫的配方的確定

稱取一定量的發泡劑、穩泡劑和其他助劑放入燒杯中，加入去離子水至總質量為100 g。在攪拌狀態下，加熱至70～80 ℃，使所有固體完全溶解得到發泡液，然后向發泡液中持續鼓氣至發泡液全部形成泡沫。

1.2.2 泡沫穩定性表征

稱取一定質量的泡沫配方放入具有小孔玻璃板的抽濾漏斗中，漏斗下方放置干凈燒杯。泡沫破碎后形成液體，順著漏斗下端流入燒杯中，每隔一段時間記錄燒杯中的液體的質量。當液體質量達到起始泡沫質量的25%時經歷的時間，稱為25%析液時間。泡沫的穩定性使用25%析液時間來表征。25%析液時間越長，則泡沫的壽命越長，穩定性越好。

1.2.3 泡沫阻隔效果評價

在帶蓋廣口瓶中加入100 g 干凈的土壤，再依次加入10 mL 去離子和50 μL 甲苯，攪拌混合均勻，用檢測儀測量介質上方的VOCs 含量，然后將制備好的泡沫覆蓋在土壤上方，泡沫高度為10 cm，每隔一段時間測量泡沫上方的VOCs 含量。多次重復上述實驗。

在帶蓋干燥器中，加入取自某石化企業的VOCs 污染廢水500 mL。將制備好的泡沫覆蓋在廢水上方，泡沫高度為20 cm，每隔一段時間測量泡沫上方的VOCs 含量。多次重復上述實驗。

2 結果與討論

2.1 發泡劑的篩選

選取幾種常見的發泡劑，類別包括陰離子表面活性劑、蛋白類發泡劑及消防泡沫液，與一種常見穩泡劑阿拉伯膠復配后得到泡沫液［25］，其中，發泡劑和阿拉伯膠的質量分數分別為2.0%和0.2%。向泡沫液中連續鼓氣形成泡沫，測定泡沫的體積和25%析液時間，結果見表1。

表1 發泡劑篩選實驗結果Table 1 Screening of foaming agents

由表1 可看出，皂素、松香酸鈉、月桂酸鈉、K12 和AEC9-Na 均具有很好的發泡能力，但泡沫穩定性較差，25%析液時間均小于200 min；而豆蔻酸鈉和P 型消防泡沫液所形成的泡沫穩定性相對較好，25%析液時間達420 min 以上，但它們的發泡體積一般；軟脂酸鉀具有較好的發泡能力和非常優秀的穩定性，由軟脂酸鉀制備的泡沫25%析液時間能達到1 200 min，遠好于其他發泡劑。因此，選取軟脂酸鉀為發泡劑配方的主劑。

2.2 發泡劑的復配

為了進一步提高發泡劑的發泡倍數和泡沫穩定性，嘗試將軟脂酸鉀與另外一種發泡劑進行復配使用。選取植物蛋白類發泡劑SPI、動物蛋白類發泡劑水解角蛋白和陰離子表面活性劑AOS 三種復配發泡劑，按質量比1∶1 與軟脂酸鉀混合，再加入阿拉伯膠形成泡沫。其中，兩種發泡劑和阿拉伯膠在發泡液中的質量分數分別為2.0%，2.0%，0.2%，泡沫體積和25%析液時間見表2。從表2可看出，雖然SPI 和水解角蛋白具有不錯的發泡能力，但它們與軟脂酸鉀復配后，對泡沫的穩定性沒有明顯的提升。而AOS 的引入，將泡沫的25%析液時間由1 200 min 延長至2 150 min，顯著提高了泡沫的穩定性，且該泡沫在長時間靜置后仍然致密連續濕潤。

表2 發泡劑復配實驗結果Table 2 Combination of foaming agents

2.3 穩泡劑的篩選

比較了不同的穩泡劑及用量對泡沫穩定性的影響，結果見表3。從表3 可看出，泡沫穩定性隨阿拉伯膠用量的增加而提高，但發泡體積會略微減小，當阿拉伯膠質量分數增加至0.5%時，泡沫25%析液時間將延長至3 500 min，反之阿拉伯膠的用量減少會導致泡沫穩定性下降；在用量相同的情況下，瓊脂、卡拉膠、明膠和海藻酸鈉的穩泡性能不如阿拉伯膠。需要關注的是，如果將明膠的使用量分別增至質量分數為1%和2%時，則泡沫的25%析液時間能延長至1 380 min 和6 140 min；瓜爾豆膠的穩泡性比阿拉伯膠更好，能將泡沫的25%析液時間提高至3 300 min。綜合考慮，選取質量分數為2%的軟脂酸鉀、2%的AOS 和0.5%的阿拉伯膠為最佳泡沫配方。

表3 穩泡劑篩選實驗結果Table 3 Screening of foam stabilizers

2.4 泡沫阻隔效果

將甲苯混合于干凈土壤中，用于模擬VOCs 污染土壤。采用最佳配方制備泡沫，通過比較泡沫覆蓋前后土壤上方的VOCs 含量評價泡沫對土壤表面VOCs 的阻隔效果，重復3 次實驗，結果見表4。從表4 可知，泡沫覆蓋在土壤表面之后，VOCs 含量迅速降低至1 mL/m3左右，且在24 h 之后仍然保持在同等水平。這說明泡沫可將土壤中的VOCs完全阻隔，使其無法向空氣中逸散。

表4 土壤表面VOCs 的泡沫阻隔效果Table 4 Foam blocking effect of VOCs on soil surface

取某石化企業VOCs 污染廢水進行泡沫阻隔實驗。采用最佳配方制備泡沫，通過觀察泡沫表觀變化和比較泡沫覆蓋前后干燥器上方的VOCs含量評價泡沫對廢水表面VOCs 的阻隔效果，結果見圖1。從圖1 可看出，泡沫覆蓋在廢水表面上之后，VOCs 含量即降低至1 mL/m3以下；24 h后泡沫量略有減少，泡沫上方VOCs 含量仍維持在1 mL/m3以下。這說明泡沫覆蓋對廢水VOCs有好的阻隔效果，有望應用于VOCs 物料泄漏的應急處理。

圖1 泡沫阻隔廢水表面VOCs 擴散Fig.1 Foam blocking VOCs diffusion above wastewater surface.

3 結論

1）篩選了一種發泡能力和泡沫穩定性兼備的發泡劑軟脂酸鉀，將軟脂酸鉀與其他發泡劑進行復配，并加入穩泡劑，開發了多種25%析液時間超過2 000 min 的泡沫組合物。

2）當發泡液中軟脂酸鉀、AOS 和阿拉伯膠的質量分數分別為2%，2%，0.5%時，所制備的泡沫25%析液時間達到3 500 min，且泡沫致密連續，為最佳配方。

3）將采用最佳配方制備的泡沫覆蓋于VOCs污染介質上方，可迅速阻斷VOCs 向空氣中的擴散，并能保持24 h 以上，在VOCs 物料泄漏應急處理和土壤VOCs 污染快速阻隔方面具有廣闊的應用前景。