去污泡沫性能的影響因素初步研究

劉志輝，張濤革，魏方欣，李小龍，徐春艷,*

1.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心, 北京 100082；2.中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006

去污泡沫性能的影響因素初步研究

劉志輝1，張濤革2，魏方欣1，李小龍1，徐春艷1,*

1.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心, 北京 100082；
2.中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006

泡沫去污是將含有去污成分的發(fā)泡劑與氣相混合，產(chǎn)生的泡沫作用于待去污表面，從而實現(xiàn)將放射性污染物去除的目的。通過充泡或鼓泡法，研究穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑濃度、氣流量等對去污泡沫性能的影響。初步研究結(jié)果表明：穩(wěn)定劑濃度是泡沫持液性能的主要影響因素，建議其加入量為2 g/L左右，不宜超過3 g/L；發(fā)泡劑濃度和氣流量是去污泡沫性能的次要影響因素，推薦適宜的發(fā)泡劑質(zhì)量濃度和氣流量分別為8 g/L和7.0 m3/h。建議優(yōu)化設(shè)計，以期獲取最佳結(jié)果。

去污泡沫；性能；影響因素

泡沫去污是將去污劑和濕潤劑加壓噴涂在待去污物體的表面，形成泡沫層，使去污劑與污染表面維持一定的接觸時間，后用水漂洗或噴淋，除去泡沫實現(xiàn)表面去污[1]。由于泡沫中空氣占有90%的體積，因此該技術(shù)用水量及去污劑用量很少，廢物產(chǎn)量僅為一般化學(xué)去污的10%[2]。針對核設(shè)施退役過程中產(chǎn)生的大體積空腔類和結(jié)構(gòu)復(fù)雜部件的去污，該方法具有操作簡便、去污效果較好、二次廢物產(chǎn)生量少等優(yōu)勢[3]。國際上，1960年Ayres首次將泡沫去污技術(shù)應(yīng)用于HAPO水冷反應(yīng)堆系統(tǒng)的去污[4]。

近年來，美國能源部下屬的薩凡納河工廠采用硝酸泡沫清洗金屬墻和閥門，并將該技術(shù)作為廢物最小化手段，可減少多達(dá)70%的廢物[5]；法國原子能委員會采用泡沫技術(shù)對污染面積為1 000 m2的冷卻器進(jìn)行去污，主要污染物為60Co、137Cs，去污系數(shù)高達(dá)190，清洗后殘余放射性核素量低于1 Bq/cm2[6]；羅克韋爾國際能源系統(tǒng)集團(tuán)采用優(yōu)選的泡沫系統(tǒng)對無孔表面的去污非常有效，清洗高放射性物質(zhì)工作屏蔽室和手套操作箱的效率可達(dá)63%～92%，碳鋼表面的去污效率可達(dá)75%～90%[7]。泡沫去污技術(shù)經(jīng)過近幾十年的開發(fā)和研究,目前在工程上的應(yīng)用已日漸成熟,最具代表性的是英、法聯(lián)合研發(fā)的兩步法泡沫去污技術(shù)[3]。同時，Experowa等[8]開發(fā)一種無水泡沫，可用于核工廠精密設(shè)備核沾染物的清除。Sphany等[9]采用無水泡沫消除金屬墻的放射性污染，并采用真空吸塵器吸收反應(yīng)后的泡沫，將廢物量降低到其它化學(xué)去污法的5%，提高了放射性核素的回收和富集。

在國內(nèi)，泡沫去污技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代[3]，并于近年從法國引進(jìn)了噴涂法泡沫去污技術(shù)[10]，在自主研發(fā)基礎(chǔ)上，結(jié)合引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，取得了可喜的成果，如泡沫去污劑性能研究[11]、擋板射流式泡沫發(fā)生裝置的研制[12]、模擬后處理廠污染樣品的泡沫去污技術(shù)研究[3]和去污廢液的處理研究[13]等工作。當(dāng)前，期望在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)和完善，最終實現(xiàn)工程應(yīng)用，為我國核設(shè)施退役工程的實施提供技術(shù)支持。本工作擬采用單因素法研究泡沫性能的影響因素，為泡沫去污技術(shù)的深入研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1儀器設(shè)備

泡沫容器：材質(zhì)為有機玻璃，外形尺寸為800 mm×600 mm×1 400 mm，底端設(shè)兩個手孔(接泡沫發(fā)生器)和一個排液孔，側(cè)面距底邊50 mm和100 mm處設(shè)有兩個與曝氣管連接供氣管，自加工。

泡沫發(fā)生器：外形尺寸為φ65 mm×500 mm，爆氣管工作面積為0.8～1.5 m2/m，空氣流量為3～10 m3/(m·h)，山東依維優(yōu)環(huán)境工程設(shè)備制造有限公司制造。

RS30180型空壓機，壓力范圍為0.5～0.8 MPa，排氣量為1.8 m3/min，廈門東亞機械有限公司制造。

HT50/R1/M2/JS/air型流量計，瞬時流量為0.01 m3/h，累積流量為1 m3/h，量程為5～100 m3/h，承德市匯通化工裝備有限公司制造。

1.2材料試劑

0810型發(fā)泡劑，分析純，中國日用化學(xué)工業(yè)研究院；泡沫穩(wěn)定劑，工業(yè)級，山東阜豐發(fā)酵有限公司；氫氧化鈉，分析純，山西華源電化有限責(zé)任公司；檸檬酸，工業(yè)級，山西省芮城黃河化工有限公司；草酸鈉，工業(yè)級，山西原平市化工有限責(zé)任公司；去污用試片，材質(zhì)為鋁，規(guī)格為40 mm×70 mm，厚度為3 mm，自加工。

1.3實驗方法

泡沫性能的研究方法分為靜態(tài)法和動態(tài)法。靜態(tài)法，是先通過充泡或鼓泡裝置將泡沫充滿泡沫容器，觀察研究泡沫的持液量、穩(wěn)定性和泡沫粒徑等。動態(tài)法，是在充泡或鼓泡過程中，分析研究泡沫的持液能力、發(fā)泡比、去污效果等。泡沫液配方和泡沫的基本性能研究中通常采用靜態(tài)法；泡沫去污技術(shù)工程應(yīng)用研究中多采用動態(tài)法，以更好反映泡沫的真實性能，為實際應(yīng)用提供支持。

1.4實驗內(nèi)容

去污泡沫的性能指標(biāo)包括泡沫的持液能力、發(fā)泡比、去污效果等。持液能力和發(fā)泡比的影響因素包括穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑濃度、氣流量等。采用單因素法，研究穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑濃度、氣流量對泡沫持液能力和發(fā)泡比的影響，以確定主要影響因素和適宜的工藝參數(shù)。泡沫的去污能力影響因素，除穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、氣流量外，還包括掛片高度，為此，在上述實驗基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究同一氣流量條件下，掛片位置、穩(wěn)定劑用量不同對去污效果的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1泡沫持液性能影響因素研究

持液半衰期是表征泡沫持液能力的參數(shù)之一，一定程度上反映出泡沫穩(wěn)定性的優(yōu)劣，指停止鼓氣時泡沫攜帶的液體回流一半所用的時間。

2.1.1穩(wěn)定劑濃度的影響 在同一發(fā)泡劑濃度(如8 g/L)情況下，實驗研究不同氣流量和穩(wěn)定劑濃度變化對泡沫持液半衰期的影響。氣流量分別為7.0、10.0、13.0 m3/h，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度變化范圍為1～3 g/L，實驗結(jié)果示于圖1。圖1結(jié)果表明，泡沫持液半衰期隨穩(wěn)定劑濃度的增加而延長，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度由2 g/L提高至3 g/L時，持液半衰期(t)可達(dá)380 min。實驗中發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定劑加入量超過3 g/L時，出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，導(dǎo)致穩(wěn)定劑的溶解性能降低。安凱媛等[11]的研究結(jié)果表明，持液半衰期一般控制在40～60 min，持液半衰期太低不利于去污，太高又不利于操作。為此，推薦穩(wěn)定劑的加入量為2 g/L左右，不宜超過3 g/L。針對氣流量為7.0 m3/h、穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為3 g/L時，泡沫持液半衰期突然增大的原因以及實驗中的結(jié)塊現(xiàn)象有待深入研究。同時，從圖1可以看出，氣流量變化對持液半衰期的影響不明顯。

◆——7.0 m3/h，■——10.0 m3/h，▲——13.0 m3/h

2.1.2發(fā)泡劑濃度的影響 在相同條件下，實驗研究發(fā)泡劑濃度對持液半衰期的影響情況。穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為2 g/L，氣流量分別為7.0、10.0、13.0 m3/h，發(fā)泡劑質(zhì)量濃度為6～15 g/L，實驗結(jié)果示于圖2。圖2結(jié)果表明：發(fā)泡劑濃度的增加對持液半衰期的影響不顯著；不同氣流量下，持液半衰期有一定的差別，氣流量增大，泡沫持液時間呈現(xiàn)縮短的趨勢。結(jié)合工程應(yīng)用需要，去污泡沫的持液半衰期應(yīng)大于30 min，為此推薦發(fā)泡劑質(zhì)量濃度為8 g/L左右。

◆——7.0 m3/h，■——10.0 m3/h，▲——13.0 m3/h

2.1.3氣流量的影響 氣流量在一定范圍內(nèi)變化，是實驗研究穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑濃度對持液半衰期影響的前提。前期實驗研究中注意到，氣流量變化范圍較小(如1.0 m3/h)時，其變化對持液半衰期的影響不顯著，同時，受實驗用流量計控制精度的影響，最終確定氣流量的實驗間隔為3.0 m3/h。由圖1得出，氣流量由7.0 m3/h提高至13.0 m3/h時，不同濃度的穩(wěn)定劑對持液半衰期影響較??；但是，圖2的實驗結(jié)果表明，發(fā)泡劑質(zhì)量濃度在6～15 g/L之間變化時，高氣流量條件下(如13.0 m3/h)，泡沫液的持液半衰期較低流量(如7.0 m3/h)時縮短了33 min?；诖耍醪降贸?.0 m3/h氣流量較為適宜。

2.2泡沫發(fā)泡性能影響因素研究

發(fā)泡比是表征泡沫液發(fā)泡能力的參數(shù)之一，是指停止鼓氣時泡沫體積與所消耗液體的比值。

2.2.1穩(wěn)定劑濃度的影響 在上述研究推薦的發(fā)泡劑質(zhì)量濃度(8 g/L)基礎(chǔ)上，設(shè)定氣流量分別為7.0、10.0、13.0 m3/h，實驗研究了穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為1～3 g/L時對泡沫液發(fā)泡能力的影響，實驗結(jié)果示于圖3。圖3結(jié)果表明，穩(wěn)定劑濃度變化對發(fā)泡比的影響較小，質(zhì)量濃度由1 g/L提高至3 g/L時，發(fā)泡比在6～10之間變化?；诎矂P媛等[11]的研究結(jié)果，發(fā)泡比是體現(xiàn)泡沫去污區(qū)別于其它化學(xué)去污方式(如酸、堿液去污)的重要方面，發(fā)泡比太大，泡沫含液量少去污力差。結(jié)合本研究的結(jié)果，如穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為1 g/L時，發(fā)泡比較大，但持液時間短(見圖1結(jié)果，為11 min)，不利于實際應(yīng)用；穩(wěn)定劑為3 g/L時，雖然持液時間顯著延長(380 min)、發(fā)泡比大，但泡沫的粒徑較大、泡沫分散，去污能力差[11]；而穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為2 g/L時，雖然泡沫液的發(fā)泡比最小，但持液時間適宜(50 min左右)，便于操作?；诖?，推薦穩(wěn)定劑的質(zhì)量濃度為2 g/L左右。

◆——7.0 m3/h，■——10.0 m3/h，▲——13.0 m3/h

◆——7.0 m3/h，■——10.0 m3/h，▲——13.0 m3/h

2.2.2發(fā)泡劑濃度的影響 在穩(wěn)定劑濃度對發(fā)泡能力影響的研究基礎(chǔ)上，實驗研究發(fā)泡劑濃度變化對泡沫液發(fā)泡能力的影響。氣流量分別為7.0、10.0、13.0 m3/h，發(fā)泡劑質(zhì)量濃度變化范圍為6～15 g/L，實驗結(jié)果示于圖4。圖4結(jié)果表明，發(fā)泡劑濃度變化對發(fā)泡比影響不顯著，發(fā)泡劑質(zhì)量濃度由6 g/L提高至15 g/L時，發(fā)泡比在6～9之間變化。為此，工程應(yīng)用時，可依據(jù)實際去污需求，在保持一定發(fā)泡比的情況下，盡量降低發(fā)泡劑的加入量，以減少二次廢物的產(chǎn)生量。由圖4得出，不同氣流量下，泡沫液的發(fā)泡比有一定的差別，呈現(xiàn)氣流量增大、發(fā)泡比增加的趨勢。

2.2.3氣流量的影響 分析圖3和圖4的結(jié)果得出，氣量流變化對發(fā)泡比有一定的影響，發(fā)泡比隨氣流量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，氣流量為7.0 m3/h和13.0 m3/h時，發(fā)泡比分別為6和10左右；該結(jié)果與氣流量對持液半衰期影響結(jié)果(圖1和圖2)相反。鑒于發(fā)泡比大，可導(dǎo)致泡沫去污能力降低，低氣流量可提高泡沫的持液能力，進(jìn)而增加泡沫與待去污表面的接觸時間，提高去污效果，基于此，推薦工程應(yīng)用時氣流量為7.0 m3/h左右。

2.3泡沫去污性能的影響因素研究

腐蝕深度是泡沫去污性能的表征參數(shù)之一。采用差量法計算試片的腐蝕失重量，即利用天平稱量金屬試片腐蝕前后的質(zhì)量差，進(jìn)而通過試片的表面積和密度常數(shù)計算得到平均腐蝕深度。平均腐蝕深度d(μm)的計算公式[10]如下：

d=Δm/ρ·S

其中：Δm為試片的腐蝕失重量，g；ρ為密度，g/cm3；S為試片表面積，cm2。

綜合穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑濃度變化對泡沫持液能力和發(fā)泡性能的研究結(jié)果得出，穩(wěn)定劑濃度對持液半衰期的影響顯著，是泡沫持液能力和發(fā)泡比的主要影響因素?；诖?，實驗研究穩(wěn)定劑濃度變化和鋁試片掛放位置不同對泡沫去污性能的影響情況，發(fā)泡劑質(zhì)量濃度為8 g/L，氣流量為7.0 m3/h，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度變化范圍為1～3 g/L，鋁試片掛放位置距泡沫容器底部的高度(掛片高度)(h)范圍為30～120 cm，實驗結(jié)果示于圖5。圖5結(jié)果表明，掛片高度是影響腐蝕深度的主要影響因素，穩(wěn)定劑濃度對泡沫去污性能的影響不顯著。腐蝕深度隨掛片高度的增加而降低，30 cm時，最大腐蝕深度可達(dá)9.3 μm。經(jīng)分析，其可能原因是底部掛片與泡沫接觸時間長，該現(xiàn)象有待深入研究接觸時間與腐蝕深度的關(guān)系加以證實。由圖5得出，穩(wěn)定劑濃度為2 g/L時，腐蝕深度為6.9 μm；穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度由1 g/L增大至3 g/L時，30 cm處掛片的腐蝕深度由6.2 μm增加為9.3 μm，均值約為7.5 μm。為此，結(jié)合穩(wěn)定劑濃度對泡沫持液性能和發(fā)泡能力的影響結(jié)果，建議穩(wěn)定劑加入量為2 g/L左右，不宜超過3 g/L。

◆——1 g/L，■——2 g/L，▲——3 g/L

3 結(jié) 論

影響去污泡沫性能的因素包括穩(wěn)定劑濃度、發(fā)泡劑濃度、氣流量和掛片高度。初步研究結(jié)果表明，穩(wěn)定劑濃度是泡沫持液性能的主要影響因素，建議其加入量為2 g/L左右，不宜超過3 g/L，但有待優(yōu)化設(shè)計深入研究，以獲取最佳加入量；發(fā)泡劑濃度和氣流量是去污泡沫性能的次要影響因素，綜合其對持液半衰期和發(fā)泡比的影響，推薦適宜的發(fā)泡劑濃度和氣流量分別為8 g/L和7.0 m3/h，在保證一定發(fā)泡比的情況下，盡量減少發(fā)泡劑的加入量和降低氣流量，以減少二次廢物的產(chǎn)生量和降低能耗；掛片高度是泡沫去污性能的主要影響因素，其機理有待深入研究證實。

[1]羅上庚,張振濤,張華.核設(shè)施與輻射設(shè)施的退役[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2010:87.

[2]唐金庫,李軍,吳文宏,等.泡沫清洗在核設(shè)備去污中的應(yīng)用[J].艦船防化,2011(3):16-19.

[3]鄔強,任憲文,謝建勛,等.模擬后處理廠污染樣品的泡沫去污技術(shù)研究[J].輻射防護(hù),2001,21(4): 250-254.

[4]Milind S P, Kartic C K. Stability of aqueous foams with poly additives[J]. J Colloid Interface Sci, 1994, 168: 333.

[5]Guthrie W S. Foam technology as a decontamination/waste minimization tool[C]. Augusta, GA(United States):Department of Energy Environmental Remediation Conference, 1993.

[6]Boissonnet G, Faury M, Fournel B. Decontamination of nuclear components through the use of foams[J]. Foams and Emulsions, 1995, 21: 323.

[7]Harris J M, Miller J R, Frazier R S, et al. A foam process for application of decontamination agents[C]. Niagara Falls, Canada: Decontamination of Nuclear Facilities: International Joint Topical Meeting ANS-CAN, 1982.

[8]Experowa D, Kolarov T. Interaction forces in thin liquid films stabilized by hydrophobically modified insulin polymeric surfactant[J]. Langmuir, 2006, 22: 5013.

[9]Sphany T, Dallas K. High stability foams for long time suppression of hydrocarbon vapors: US 5296164[P]. 1994.

[10]劉志輝,王永仙,蔣婧.凝膠去污實驗[J].核化學(xué)與放射化學(xué)，2013,35(5):317-320.

[11]安凱媛,游國強,梁宇.去污泡沫粒徑分析[J].輻射防護(hù)通訊,2013，33(2)：18-22.

[12]梁宇,程理,王旭東.擋板射流式泡沫發(fā)生裝置的研制[J].輻射防護(hù)通訊，2010，30(4)：31-33.

[13]鄔強,馮聲濤,崔慧玲,等.泡沫去污廢液水泥固化研究[J].輻射防護(hù)通訊,2001,21(5):31-34.

APreliminaryStudyonInfluenceFactors
forPropertyofDecontaminationFoam

LIU Zhi-hui1, ZHANG Tao-ge2, WEI Fang-xin1, LI Xiao-long1, XU Chun-yan1,*

1.Nuclear and Radiation Safety Center of Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China；
2.China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China

Decontamination using foam means mixing air and foaming agent containing decontamination agent to form foam, which can be applied to the contaminated surface, so that the radionuclides are eliminated. By spraying or bubbling, the experiment studied the influence of stability agent and foaming agent concentration and air flow rate, etc. on the property of decontamination foam. The preliminary results show, the stability agent concentration is the main factor influencing hold-up time of foam, so the added mass concentration is suggested to be about 2 g/L, less than 3 g/L. Foaming agent concentration and air flow are the secondary influence factors, so the foaming agent mass concentration and air flow rate are suggested to be 8 g/L and 7.0 m3/h respectively. Optimization design is recommended, in order to obtain the best results.

decontamination foam; property; influence factor

2014-03-03；

2014-04-22

劉志輝(1976—)，男，河北蠡縣人，碩士，副研究員，主要從事放射性廢物管理研究及審評工作

*通信聯(lián)系人：徐春艷(1980—)，女，湖南長沙人，碩士，高級工程師，主要從事放射性廢物管理研究及審評工作，E-mail: flyaz@163.com

TL944

A

0253-9950(2014)06-0374-05

10.7538/hhx.2014.36.06.0374