挥发性有机物泡沫阻隔技术研究

武 陈，王 岽，郦和生

（1.中国石化 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）

挥发性有机物（VOCs）是化工行业常见的污染物［1-2］，成分复杂多样，对人身健康和生态环境危害较大。国内外对VOCs 污染防控都非常重视，泄漏检测与修复技术的应用使化工企业各类物料泄漏对环境造成污染的风险大大减低［3-5］。针对受到VOCs 污染的水源、土壤和地下水，有吹脱、吸附/脱附、抽提、淋洗等多种技术实施治理［6-11］。但对于面源场景下（化工物料或废水事故性泄漏至场地表面、异位修复过程中土壤的清挖、装卸和临时堆放等）的VOCs 污染应急治理，还没有完备的解决方案。

受采用水基泡沫覆盖抑制原油蒸发方法的启发［12］，泡沫阻隔技术作为一种新颖的技术在VOCs和粉尘抑制、危险品处置、消防等领域得到了广泛应用［13-19］。使用合适的泡沫代替传统的覆盖介质，施工更方便，成本较低，环境危害小。泡沫的主要研究方向在于提高泡沫的稳定性和刚性［20-23］，使其能长时间进行覆盖而不消泡，并能应对一定的风力和雨水。早期的发泡剂以阴离子表面活性剂为主，阴离子表面活性剂具有发泡量大、造价低廉等优点，但稳定性差。近年来，蛋白类发泡剂的研究发展迅速［24-28］，蛋白类发泡剂具有良好的泡沫稳定性，环保无毒害，生物降解性好，但价格较高，发泡量一般。美国RUSMAR 公司先后公开了两种不同主体配方的泡沫组合物［29-34］，分别是阴离子表面活性剂体系和水解角蛋白体系，对发泡液的黏度和泡沫稳定性关系进行了系统研究，两种泡沫都具有较长的寿命。

本工作对多种发泡剂和稳泡剂进行筛选，确定了一种能长时间阻隔VOCs 的泡沫配方，将泡沫覆盖在VOCs 污染介质（土壤或水）表面，考察了泡沫对VOCs 的阻隔效果及稳定性。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

发泡剂（α-烯烃磺酸钠（AOS））：工业品，山东优索化工公司；软脂酸钾、水解角蛋白、皂素、十二烷基硫酸钠（K12）、豆蔻酸钠、松香酸钠、月桂酸钠、卡拉胶、海藻酸钠、瓜尔豆胶：分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；大豆分离蛋白（SPI）、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠（AEC9-Na）、稳泡剂（明胶、琼脂、阿拉伯胶）：分析纯，北京伊诺凯科技有限公司；P 型消防泡沫液（6%（w））：工业品，扬州江亚消防药剂股份有限公司；模拟目标污染物（甲苯）：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

QC-1S 型大气采样仪：北京市科安劳保新技术公司；Mini RAE 3000 型VOCs 检测仪：美国华瑞集团。

1.2 实验方法

1.2.1 泡沫的配方的确定

称取一定量的发泡剂、稳泡剂和其他助剂放入烧杯中，加入去离子水至总质量为100 g。在搅拌状态下，加热至70～80 ℃，使所有固体完全溶解得到发泡液，然后向发泡液中持续鼓气至发泡液全部形成泡沫。

1.2.2 泡沫稳定性表征

称取一定质量的泡沫配方放入具有小孔玻璃板的抽滤漏斗中，漏斗下方放置干净烧杯。泡沫破碎后形成液体，顺着漏斗下端流入烧杯中，每隔一段时间记录烧杯中的液体的质量。当液体质量达到起始泡沫质量的25%时经历的时间，称为25%析液时间。泡沫的稳定性使用25%析液时间来表征。25%析液时间越长，则泡沫的寿命越长，稳定性越好。

1.2.3 泡沫阻隔效果评价

在带盖广口瓶中加入100 g 干净的土壤，再依次加入10 mL 去离子和50 μL 甲苯，搅拌混合均匀，用检测仪测量介质上方的VOCs 含量，然后将制备好的泡沫覆盖在土壤上方，泡沫高度为10 cm，每隔一段时间测量泡沫上方的VOCs 含量。多次重复上述实验。

在带盖干燥器中，加入取自某石化企业的VOCs 污染废水500 mL。将制备好的泡沫覆盖在废水上方，泡沫高度为20 cm，每隔一段时间测量泡沫上方的VOCs 含量。多次重复上述实验。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂的筛选

选取几种常见的发泡剂，类别包括阴离子表面活性剂、蛋白类发泡剂及消防泡沫液，与一种常见稳泡剂阿拉伯胶复配后得到泡沫液［25］，其中，发泡剂和阿拉伯胶的质量分数分别为2.0%和0.2%。向泡沫液中连续鼓气形成泡沫，测定泡沫的体积和25%析液时间，结果见表1。

表1 发泡剂筛选实验结果Table 1 Screening of foaming agents

由表1 可看出，皂素、松香酸钠、月桂酸钠、K12 和AEC9-Na 均具有很好的发泡能力，但泡沫稳定性较差，25%析液时间均小于200 min；而豆蔻酸钠和P 型消防泡沫液所形成的泡沫稳定性相对较好，25%析液时间达420 min 以上，但它们的发泡体积一般；软脂酸钾具有较好的发泡能力和非常优秀的稳定性，由软脂酸钾制备的泡沫25%析液时间能达到1 200 min，远好于其他发泡剂。因此，选取软脂酸钾为发泡剂配方的主剂。

2.2 发泡剂的复配

为了进一步提高发泡剂的发泡倍数和泡沫稳定性，尝试将软脂酸钾与另外一种发泡剂进行复配使用。选取植物蛋白类发泡剂SPI、动物蛋白类发泡剂水解角蛋白和阴离子表面活性剂AOS 三种复配发泡剂，按质量比1∶1 与软脂酸钾混合，再加入阿拉伯胶形成泡沫。其中，两种发泡剂和阿拉伯胶在发泡液中的质量分数分别为2.0%，2.0%，0.2%，泡沫体积和25%析液时间见表2。从表2可看出，虽然SPI 和水解角蛋白具有不错的发泡能力，但它们与软脂酸钾复配后，对泡沫的稳定性没有明显的提升。而AOS 的引入，将泡沫的25%析液时间由1 200 min 延长至2 150 min，显著提高了泡沫的稳定性，且该泡沫在长时间静置后仍然致密连续湿润。

表2 发泡剂复配实验结果Table 2 Combination of foaming agents

2.3 稳泡剂的筛选

比较了不同的稳泡剂及用量对泡沫稳定性的影响，结果见表3。从表3 可看出，泡沫稳定性随阿拉伯胶用量的增加而提高，但发泡体积会略微减小，当阿拉伯胶质量分数增加至0.5%时，泡沫25%析液时间将延长至3 500 min，反之阿拉伯胶的用量减少会导致泡沫稳定性下降；在用量相同的情况下，琼脂、卡拉胶、明胶和海藻酸钠的稳泡性能不如阿拉伯胶。需要关注的是，如果将明胶的使用量分别增至质量分数为1%和2%时，则泡沫的25%析液时间能延长至1 380 min 和6 140 min；瓜尔豆胶的稳泡性比阿拉伯胶更好，能将泡沫的25%析液时间提高至3 300 min。综合考虑，选取质量分数为2%的软脂酸钾、2%的AOS 和0.5%的阿拉伯胶为最佳泡沫配方。

表3 稳泡剂筛选实验结果Table 3 Screening of foam stabilizers

2.4 泡沫阻隔效果

将甲苯混合于干净土壤中，用于模拟VOCs 污染土壤。采用最佳配方制备泡沫，通过比较泡沫覆盖前后土壤上方的VOCs 含量评价泡沫对土壤表面VOCs 的阻隔效果，重复3 次实验，结果见表4。从表4 可知，泡沫覆盖在土壤表面之后，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。这说明泡沫可将土壤中的VOCs完全阻隔，使其无法向空气中逸散。

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

取某石化企业VOCs 污染废水进行泡沫阻隔实验。采用最佳配方制备泡沫，通过观察泡沫表观变化和比较泡沫覆盖前后干燥器上方的VOCs含量评价泡沫对废水表面VOCs 的阻隔效果，结果见图1。从图1 可看出，泡沫覆盖在废水表面上之后，VOCs 含量即降低至1 mL/m3以下；24 h后泡沫量略有减少，泡沫上方VOCs 含量仍维持在1 mL/m3以下。这说明泡沫覆盖对废水VOCs有好的阻隔效果，有望应用于VOCs 物料泄漏的应急处理。

图1 泡沫阻隔废水表面VOCs 扩散Fig.1 Foam blocking VOCs diffusion above wastewater surface.

3 结论

1）筛选了一种发泡能力和泡沫稳定性兼备的发泡剂软脂酸钾，将软脂酸钾与其他发泡剂进行复配，并加入稳泡剂，开发了多种25%析液时间超过2 000 min 的泡沫组合物。

2）当发泡液中软脂酸钾、AOS 和阿拉伯胶的质量分数分别为2%，2%，0.5%时，所制备的泡沫25%析液时间达到3 500 min，且泡沫致密连续，为最佳配方。

3）将采用最佳配方制备的泡沫覆盖于VOCs污染介质上方，可迅速阻断VOCs 向空气中的扩散，并能保持24 h 以上，在VOCs 物料泄漏应急处理和土壤VOCs 污染快速阻隔方面具有广阔的应用前景。