一种用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料及其制备和应用方法技术

本发明专利技术公开了一种用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料及其制备和应用方法，属于环境工程技术领域。复合增溶材料以合成的阴非离子型聚氧乙烯磺酸基双子表面活性剂(GEO3S

【技术实现步骤摘要】
一种用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料及其制备和应用方法


[0001]本专利技术属于环境工程
，具体涉及一种用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料及其制备和应用方法。

技术介绍

[0002]氯代烃是一类常见的有机氯溶剂，在社会生产生活中被广泛应用作金属脱脂剂、干洗剂和制冷剂等，但常因处置不当或不合理排放而泄漏，进而迁移下渗到地下含水层中造成地下水污染，进而严重威胁人类健康。氯代烃污染地下水在全世界范围内广泛存在，统计显示，美国国防部的3000多个场址和约80％受污染地下水的超级基金场址中都发现了氯代烃污染。同时，大多数氯代烃不易自然降解，对人体肝脏、中枢神经、皮肤、消化系统均会造成伤害，而且其分解产物同样具有生物毒性，因此氯代烃已被广泛认定为需优先管控的有害有机污染物。多数氯代烃属于DNAPL，具有密度高于水和低溶解度的特点，加之其较高的O/W界面张力，易于滞留在介质孔隙中难以去除，因此导致地含水层氯代烃污染修复耗时长、效率低、费用高等问题。表面活性剂强化含水层修复(surfactant enhanced aquifer remediation，SEAR)技术可以有效缩短抽取
‑
处理时间，其主要利用表面活性剂即增溶材料对疏水性有机物的增溶作用来提高氯代烃在水中的溶解度和流动性，使污染物随水相抽出，并在一定程度上降低“拖尾”、“反弹”作用的影响，因此SEAR技术是一种有效的修复氯代烃污染场地的实用技术。而含水层的特殊环境如介质、低温和高盐往往使增溶材料产生吸附和沉淀损失，降低修复效率并产生二次污染，因此优化增溶材料使其保持增溶能力的同时适应地下环境条件是很有必要的。
[0003]目前常用的降低增溶材料损失的方法主要有材料的对比筛选和复配，增溶材料的对比筛选是根据使用的环境条件从而将增溶材料的某一特性当做筛选指标进而忽视其它方面的缺点优选出想要的材料，大多数增溶材料在不同特性上有各自的优缺点，如常用于场地修复的阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)具有介质吸量低的优点，但容易发生盐析或低温析出；非离子表面活性剂Tween80具有耐低温的优点，但由于形成的胶束不带电而会大量吸附在含水层介质上，因此通过材料对比筛选的到的表面活性剂并不能完全达到各方面特性均适用于地下环境。增溶材料的复配是向主体表面活性剂中加入与其性质互补的其它表面活性剂或者短链醇形成复合材料，使表面活性材料保持主体表面活性剂优势的同时改善和补充其短板，但额外添醇类会增加二次污染风险，并且此方法下表面活性剂的本质并没有改变。因此从分子结构出发研发自身增溶能力优异、不易被介质吸附并且耐地下低温和高盐环境的新型增溶材料具有重要意义。
[0004]双子表面活性剂是一类结构特殊的增溶材料，其以化学键连接两对双亲分子，即每两个表面活性剂分子通过连接基团“两两成组”，形成一个新的表面活性剂单体。传统的表面活性剂分子由于同性基团之间相互排斥，使得其在界面或团聚体中得排列不是很紧密，因此降低表面张力的能力有限。双子表面活性剂分子中同组间两个单体相互靠近，两个
单体分子间的斥力被削弱，使得该类分子无论是以单体形式排列在表面还是成束聚集时都能保证同组两个单链互相靠近，从而获得更紧密的排列，因此双子表面活性剂相比于传统单链表面活性剂具有更高的表面活性和增溶潜力。此外，在阴离子表活分子结构中加入非离子基团能改变表活的Krafft点使其在具有低介质吸附损失的同时有耐低温性能，从本质上优化增溶材料的性能。因此从分子层面上将具有不同性质和功能的官能团组合到一个分子中并控制其结构为双子型设计合成一类新的增溶材料对于推动SEAR技术增溶修复氯代烃污染含水层有重大意义。
[0005]除增溶材料自身的增溶有效性外，其在实际工程中的原位应用参数如材料注入流速、介质粒径和污染物残余饱和度会通过改变增溶材料中具有增溶作用的胶束与污染物的接触面积与时间进而影响增溶效率，但这些因素对增溶效率的影响以及因素与增溶效率之间的具体关系尚不清楚，从而不能为实际工程提供可靠依据。因此设计并制备一类适应含水层低温高盐条件的增溶材料用于去除含水层氯代烃，同时厘清材料注入流速、介质粒径和污染物残余饱和度三因素对增溶效率影响并建立三因素与增溶效率的数学模型，对SEAR技术修复含水层氯代烃污染具有重大的参考价值。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料，以克服现有增溶材料在含水层中易被介质吸附并且不耐低温和高盐从而降低增溶效率的缺点。还提供一种用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料的制备和应用方法，复合增溶材料为阴非离子型聚氧乙烯磺酸基双子表面活性剂(GEO3S
‑
12)、氯化钙(CaCl2)或氯化镁(MgCl2)和水按照一定比例混合的胶束溶液，形成的大粒径胶束为氯代烃提供增溶位点，提高氯代烃在水中的溶解度，进而将复合增溶材料注入含水层提高氯代烃的增溶修复效率；材料的最佳原位注入流速根据原位参数(注入流速、介质粒径、污染物残余饱和度)与氯代烃增溶量的数学模型计算得出，从而获得最佳氯代烃增溶去除量。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料由以下组分构成：GEO
n
S
‑
m，无机盐，水。
[0009]所述GEO
n
S
‑
m为阴非离子型聚氧乙烯磺酸基双子表面活性剂，结构式为：
[0010]n＝3，5，7；m＝10，12。
[0011]上述用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]A、阴非离子型聚氧乙烯磺酸基双子表面活性剂(GEO
n
S
‑
m，n＝3，5，7；m＝10，12)的合成：
①
乙二醇和顺丁烯二酸酐在丙酮溶剂和氮气条件下使用对甲苯磺酸催化生成单酯化产物，其中乙二醇和顺丁烯二酸酐摩尔比为1∶2，对甲苯磺酸质量为反应物总质量的1％，反应温度70℃，反应时间1小时。
②
向单酯化产物中加入脂肪醇聚氧乙烯醚(AEOnL
‑
m，n＝3，5，7；m＝10，12)，在真空和氮气条件下使用对甲苯磺酸催化生成双酯化产物，AEOnL
‑
m与顺丁烯二酸酐摩尔比为1∶1.15，对甲苯磺酸质量为反应物总质量的1％，反应温度120℃，反应时间3小时。
③
向双酯化产物中加入氢氧化钠溶液中和催化剂，再加入亚硫酸氢钠溶液反应生
成粗产物溶液，烘干得到粗产物，氢氧化钠与对甲苯磺酸摩尔比为1∶1，氢氧化钠溶液质量浓度为10％，亚硫酸氢钠与顺丁烯二酸酐摩尔比为1∶1.05，亚硫酸氢钠溶液质量浓度为35％，反应温度110℃，反应时间16小时，烘干温度105℃。
④
使用无水乙醇溶解粗产物，过滤不溶物(未反应和反应中生成的盐类)，减压旋蒸出溶剂乙醇得到最终产物黄色粘稠液体GEO
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料，其特征在于，由以下组分构成：GEO
n
S
‑
m，无机盐，水。所述GEO
n
S
‑
m为阴非离子型聚氧乙烯磺酸基双子表面活性剂，结构式为：n＝3，5，7；m＝10，12。2.根据权利要求1所述的一种用于修复含水层中氯代烃污染的复合增溶材料的制备方法，其特征在于，包括以下A和B两个步骤：A、阴非离子型聚氧乙烯磺酸基双子表面活性剂(GEO
n
S
‑
m，n＝3，5，7；m＝10，12)的合成：
①
乙二醇和顺丁烯二酸酐在丙酮溶剂和氮气条件下使用对甲苯磺酸催化生成单酯化产物，其中乙二醇和顺丁烯二酸酐摩尔比为1∶2，对甲苯磺酸质量为反应物总质量的1％，反应温度70℃，反应时间1小时。
②
向单酯化产物中加入脂肪醇聚氧乙烯醚(AEOnL
‑
m，n＝3，5，7；m＝10，12)，在真空和氮气条件下使用对甲苯磺酸催化生成双酯化产物，AEOnL
‑
m与顺丁烯二酸酐摩尔比为1∶1.15，对甲苯磺酸质量为反应物总质量的1％，反应温度120℃，反应时间3小时。
③
向双酯化产物中加入氢氧化钠溶液中和催化剂，再加入亚硫酸氢钠溶液反应生成粗产物溶液，烘干得到粗产物，氢氧化钠与对甲苯磺酸摩尔比为1∶1，氢氧化钠溶液质量浓度为10％，亚硫酸氢钠与顺丁烯二酸酐摩尔比为1∶1.05，亚硫酸氢钠溶液质量浓度为35％，反应温度110℃，反应时间16小时，烘干温度105℃。
④
使用无水乙醇溶解粗产物，过滤不溶物(未反应和反应中生成的盐类)，减压旋蒸出溶剂乙醇得到最终产物黄色粘稠液体GEO
n
S
‑
m，无水乙醇与粗产物质量比为15∶1，...

【专利技术属性】
技术研发人员：董军，梁雪，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：