基于Plackett-Burman設(shè)計的鉛污染土壤淋洗劑的篩選*

鄭 琰，呂迎春，蘇成西，黃竹珺

(普洱學(xué)院，云南 普洱 665000)

近年來，隨著各行業(yè)的發(fā)展迅猛，土壤重金屬污染的問題也日益嚴(yán)峻。據(jù)調(diào)查可知，中國土壤重金屬總含量超標(biāo)17%，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1]。云南省因其獨特的地理位置和氣候條件，礦產(chǎn)資源豐富多樣，開采冶煉礦物質(zhì)過程使礦區(qū)周邊土壤中重金屬元素高度富集，加劇了礦區(qū)周邊土壤重金屬的污染[2-4]。如何快速有效的修復(fù)老礦區(qū)周邊土壤重金屬污染是目前急需解決的一個重要環(huán)境問題。

在土壤修復(fù)技術(shù)中，化學(xué)淋洗技術(shù)是一種快速有效的修復(fù)方法，因其能夠?qū)崿F(xiàn)污染物質(zhì)與土壤的分離，達(dá)到污染物體積減少的目的而成為土壤修復(fù)技術(shù)研究者所關(guān)注的熱點之一[5-6]。土壤淋洗修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵點在于洗脫液的篩選，土壤淋洗劑既要兼顧重金屬高效的去除率，還應(yīng)考慮二次污染問題以及修復(fù)的成本等[7-8]。重金屬污染土壤常用的淋洗劑主要包括無機(jī)化合物、螯合劑、表面活性劑、低分子有機(jī)酸等[9-10]。眾多學(xué)者對污染土壤的化學(xué)淋洗劑選擇進(jìn)行了大量研究。Hu P等[11]的研究表明EDTA對于重度污染土壤中的Pb有較高的去除效率，效率高達(dá)69%；于兵等[12]人在用檸檬酸溶液、醋酸溶液、水對重金屬污染的土壤進(jìn)行淋洗修復(fù)，結(jié)果表明：對Cu、Cd、Pb污染修復(fù)時，檸檬酸溶液是最好的淋洗液，其最好的濃度分別為1.00、0.40、0.70 mol/L。潘杰等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在相同的濃度下，檸檬酸、酒石酸和草酸對Pb進(jìn)行淋洗時，檸檬酸效果最好，其次是酒石酸，草酸的淋洗效果最弱。

Plackett-Burman(PB)試驗設(shè)計基于不完全平衡塊的原理，用最少的實驗來估計因子的主要影響，可從眾多研究因素中快速有效地選擇最重要的因素，并以響應(yīng)值變化的梯度方向為爬坡方向，設(shè)計最陡爬坡實驗，快速確定響應(yīng)值最大的響應(yīng)區(qū)域[14-15]。Plackett-Burman法目前主要被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生物工藝優(yōu)化研究中，而其在土壤淋洗技術(shù)方面的報道還不多見。

本文以滇南老礦區(qū)鉛污染土壤為研究對象，選取對鉛有淋洗修復(fù)效果的5種酸(EDTA、檸檬酸、蘋果酸、酒石酸和磷酸)進(jìn)行研究，并利用Plackett-Burman試驗設(shè)計篩選適合于鉛污染土壤的最佳淋洗劑，為鉛污染土壤淋洗技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供實踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 供試土壤

實驗用土壤采自滇南某礦區(qū)周邊的土壤，深度范圍為0～15 cm，將風(fēng)干土壤過20目標(biāo)準(zhǔn)篩，用塑料封口袋貯存?zhèn)溆谩２捎脴?biāo)準(zhǔn)方法[16]測定土壤的相關(guān)理化性質(zhì)和土壤中鉛的總含量，結(jié)果見表1。

表1 土壤的理化性質(zhì)和土壤鉛總含量

1.2 儀器與試劑

AA-7000火焰原子吸收分光光度計(日本島津有限公司)；低速離心機(jī)(SC-3616安徽科大中佳科學(xué)儀器有限公司)；KQ-500D型超聲波清洗器(長沙市秋龍儀器設(shè)備有限公司)ABY-1001-U型超純水器(長沙市秋龍儀器設(shè)備有限公司)；HH-W420數(shù)顯三用恒溫水箱(金壇市大地自動化儀器廠)；ZHWY-1102雙層培養(yǎng)振蕩器(上海創(chuàng)奕科教設(shè)備有限公司)；FA3204B分析天平(廣州瀘瑞明儀器有限公司)。

乙二胺四乙酸二鈉鹽(分析純)；檸檬酸(分析純)；D-酒石酸(分析純)；蘋果酸(分析純)；磷酸(優(yōu)級純)；硝酸(優(yōu)級純)；鉛標(biāo)準(zhǔn)貯備液(1 000 mg/L，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)；實驗用水均為超純水。

1.3 實驗方法

1.3.1 鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確配制溶液質(zhì)量濃度分別為0.00 μg/mL、1.00 μg/mL、2.00 μg/mL、5.00 μg/mL、10.00 μg/mL、25.00 μg/mL的鉛標(biāo)準(zhǔn)使用液，用火焰原子吸收分光光度計測定吸光度，繪制鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.2 土壤鉛的淋洗方法

試供土壤樣品通過20目篩，準(zhǔn)確稱取(0.500 0±0.000 2)g樣品置于聚乙烯塑料離心管中。加入淋洗劑后，搖勻放入恒溫振蕩器內(nèi)以250 r/min轉(zhuǎn)速振蕩一定時間后，于低速離心機(jī)上以3 500 r/min轉(zhuǎn)速離心15 min，取一定體積上清液，用超純水稀釋定容至25 mL，平行測定3次，樣液于火焰原子吸收分光光度計測定其鉛含量。

1.3.3 鉛去除率的計算

根據(jù)線性回歸方程及下式計算淋洗液中鉛的去除率：

式中：y為鉛去除率，%;C為樣液質(zhì)量濃度，μg/mL;V為淋洗液體積，mL；N為樣品稀釋倍數(shù)；m為樣品質(zhì)量，g。

1.3.4 淋洗劑濃度對鉛去除率的影響

分別配制濃度為0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 mol/L的EDTA溶液；0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80 mol/L的檸檬酸溶液；0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70 mol/L的酒石酸溶液；0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 mol/L的蘋果酸溶液；0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70 mol/L的磷酸溶液；按照1.3.2的方法探究淋洗劑濃度對鉛去除效果的影響。

1.3.5 Plackett-Burman試驗設(shè)計

基于單因素實驗探究，設(shè)計Plackett-Burman試驗的因素和水平條件，以土壤鉛的去除率作為實驗的響應(yīng)值，對鉛污染土壤五種淋洗劑進(jìn)行因素考察，每個因素取高、低兩水平，對鉛污染土壤復(fù)合淋洗劑進(jìn)行篩選。

表2 Plackett-Burman設(shè)計的因素和水平 C/mol·L-1

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

以鉛溶液質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制鉛的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。線性回歸方程為y=0.012 9x+0.002 4，R2=0.999 6。鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度在0.00～25.00 μg/mL范圍內(nèi)線性良好。

圖1 鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 單因素實驗

2.2.1 EDTA濃度對鉛去除率的影響

從圖2看出，當(dāng)濃度范圍在0.02～0.08 mol/L時，EDTA濃度在慢慢增加，鉛去除率也在隨之增加。當(dāng)EDTA濃度達(dá)到0.08 mol/L時，鉛去除率為50.32%，濃度繼續(xù)增加，鉛去除率隨之降低。這是因為EDTA通過螯合作用來吸附鉛，隨著EDTA濃度增加，其吸附率增加，當(dāng)EDTA濃度大于0.08 mol/L時，螯合作用降低，鉛的去除率反而降低。故選擇淋洗劑EDTA的最適濃度為0.08 mol/L。

圖2 EDTA濃度對鉛去除率的影響

2.2.2 檸檬酸濃度對鉛去除率的影響

從圖3可見，當(dāng)檸檬酸濃度在0.20～0.60 mol/L時，其對土壤重金屬鉛的去除率隨檸檬酸濃度的增加而呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢；在0.60～0.80 mol/L范圍內(nèi)，土壤中Pb的去除率隨著檸檬酸濃度的增加而減小，最后在濃度為0.60 mol/L時達(dá)到最大去除率47.67%，故本文選擇淋洗劑檸檬酸濃度的最佳值為0.60 mol/L。

圖3 檸檬酸濃度對鉛去除率的影響

2.2.3 酒石酸濃度對鉛去除率的影響

從圖4中看出，當(dāng)酒石酸濃度變化在0.10～0.40 mol/L時，酒石酸濃度在增加，土壤中鉛的去除率增加，最大值為30.59%；當(dāng)濃度范圍在0.40～0.70 mol/L時，鉛的去除率呈現(xiàn)下降趨勢，去除率在減少，故本文淋洗劑酒石酸的最佳濃度為0.40 mol/L。

圖4 酒石酸濃度對鉛去除率的影響

2.2.4 蘋果酸濃度對鉛去除率的影響

從圖5可見，當(dāng)蘋果酸濃度在0.05～0.25 mol/L范圍內(nèi)時，其對土壤中重金屬鉛的去除率隨檸檬酸濃度的增加而呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢;在0.25～0.35 mol/L 范圍內(nèi)，土壤中Pb的去除率隨著檸檬酸濃度的增加而減小，最后在濃度為0.25 mol/L時達(dá)到最大去除率48.88%，故本文選擇淋洗劑蘋果酸濃度的最佳值為0.25 mol/L。

圖5 蘋果酸濃度對鉛去除率的影響

2.2.5 磷酸濃度對鉛去除率的影響

由圖6看出，當(dāng)磷酸濃度范圍在0.1～0.6 mol/L時，隨著磷酸濃度的增加，土壤中鉛的去除率增加，0.6 mol/L時達(dá)到最大值為38.75%；當(dāng)濃度范圍在0.6～0.7 mol/L時，鉛的去除率隨磷酸濃度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，故本文淋洗劑磷酸的最佳濃度為0.6 mol/L。

圖6 磷酸濃度對鉛去除率的影響

綜上所述，以EDTA濃度為0.08 mol/L、檸檬酸濃度為0.60 mol/L、酒石酸濃度為0.40 mol/L、蘋果酸濃度為0.25 mol/L、磷酸濃度為0.60 mol/L，固液比為 1∶20、振蕩時間6 h為實驗條件，對復(fù)合淋洗劑去除鉛的效果進(jìn)行研究，平行測定三次，得到鉛去除率為53.72%。

2.3 Plackett-Burman設(shè)計

2.3.1 Plackett-Burman試驗設(shè)計和測定結(jié)果

以此五種淋洗劑作為自變量，土壤鉛的去除率作為響應(yīng)值，進(jìn)行Plackett-Burman試驗設(shè)計，根據(jù)試驗設(shè)計測定土壤中鉛的去除率，結(jié)果見表3。

表3 Plackett-Burman試驗設(shè)計及測定結(jié)果

2.3.2 Plackett-Burman試驗分析

根據(jù)試驗設(shè)定的水平因素，以EDTA、磷酸、酒石酸、檸檬酸、蘋果酸的濃度為自變量，土壤重金屬鉛的去除率(Y)為因變量，按表3完成12組實驗，得到土壤重鉛的去除率(Y)。通過軟件分享得到回歸方程為：Y=51.92+11.56A-3.67B-0.21C+4.73D-4.31E。其中，Y為土壤鉛去除率，A、B、C、D、E分別為EDTA、磷酸、酒石酸、檸檬酸、蘋果酸5個因素變量的水平。

表4 Plackett-Burman試驗因素顯著性表

表5 各因素水平方差分析

根據(jù)Prob>F值獲得各因素對響應(yīng)值影響的柏拉圖，見圖2。

對砷去除效果最佳的五個因素的中對響應(yīng)值影響的顯著性(Prob>F，偏回歸系數(shù))順序為：EDTA(0.000 1，11.56)>檸檬酸(0.012 7，4.73)>蘋果酸(0.018 8，-4.31)>磷酸(0.031 6，-3.76)>酒石酸(0.883 3，-0.21)。從表5及圖7可知，EDTA、檸檬酸、蘋果酸三個因素的Prob>F均小于0.01，對鉛的去除率的影響顯著，而酒石酸的Prob>F值均大于0.05，為不顯著因素。因此，通過Plackett-Burman試驗分析，篩選出EDTA、檸檬酸、蘋果酸為影響鉛去除率的關(guān)鍵因素。

圖7 Pareto Chart分析圖

2.3.3 最陡爬坡試驗設(shè)計

由上述設(shè)計結(jié)果，選擇了對鉛去除率有顯著影響的三個關(guān)鍵因素：EDTA，檸檬酸和蘋果酸進(jìn)行效應(yīng)分析，根據(jù)3個因素的偏回歸系數(shù)得到各因素對鉛去除率的效應(yīng)估計圖，結(jié)果見圖8，EDTA和檸檬酸均為正效應(yīng)，蘋果酸為負(fù)效應(yīng)。通過最陡爬坡試驗進(jìn)一步尋找中心點值，應(yīng)考慮增加正效應(yīng)因素EDTA和檸檬酸的水平，減小呈負(fù)效應(yīng)因素蘋果酸的水平，設(shè)計5組實驗進(jìn)行探究，結(jié)果見表6。由最陡爬坡試驗可知，當(dāng)EDTA濃度為0.14 mol/L、檸檬酸濃度為0.66 mol/L、蘋果酸濃度為0.22 mol/L時，重金屬鉛的去除率達(dá)到最大值76.37%，因此，以編號4為中心點。

圖8 效應(yīng)分析圖

表6 最陡爬坡試驗設(shè)計及結(jié)果

2.3.4 驗證試驗

對編號4進(jìn)行驗證試驗，平行測定3次，得到鉛的去除率為76.33%，與最陡爬坡試驗結(jié)果接近。比較分析不同實驗條件下土壤鉛的去除效果，將Plackett-Burman試驗篩選得到的淋洗劑組合與未篩選(單因素實驗)的實驗結(jié)果進(jìn)行對比，可知，Plackett-Burman試驗篩選得到的淋洗劑組合對鉛的去除率(76.33%)要明顯優(yōu)于未篩選時的結(jié)果(53.72%)，說明利用Plackett-Burman試驗篩選最佳的鉛淋洗劑組合能夠有效地提高鉛的去除效率，且篩選后的淋洗劑組合只需要3種淋洗劑便能獲得較高的去除率，相對于篩選前的5種淋洗劑更加環(huán)保和經(jīng)濟(jì)，為鉛污染土壤淋洗技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供實踐指導(dǎo)。

3 結(jié)論

本文以滇南老礦區(qū)周邊的土壤為研究對象，通過單因素Plackett-Burman試驗設(shè)計篩選適合于礦區(qū)鉛污染土壤的最佳淋洗劑。在固液比為1∶20，振蕩時間為6 h的條件下，篩選得出鉛污染土壤的最佳復(fù)合淋洗劑為EDTA、檸檬酸、蘋果酸，其濃度分別為0.14 mol/L、0.66 mol/L、0.22 mol/L，在此條件下得到鉛的最佳去除率為76.37%，較篩選優(yōu)化前淋洗劑種類減小，鉛除去率顯著提高。Plackett-Burman試驗設(shè)計模型可靠，用于土壤鉛污染土壤復(fù)合淋洗劑的篩選優(yōu)化具有一定的可行性。