表面活性劑復配體系修復芘污染土壤實驗

李薇，王信粉，時利香，宋瑤，張杰，杜顯元

（1華北電力大學教育部資源與環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化重點實驗室，北京102206；2中石油管道有限責任公司西部分公司，新疆烏魯木齊830013；3中國石油集團安全環(huán)保技術研究院有限公司石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室，北京102206）

多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是廣泛存在于環(huán)境中的有毒、有害、持久性有機污染物，煉焦工藝排放的化學物、石油泄漏和石化企業(yè)的加工及制造過程都會產生大量的PAHs[1]。PAHs具有疏水性、化學穩(wěn)定性及生物利用率低等特性，易在生物體內和脂類物質中富集，對土壤和地下水造成嚴重污染[2-5]，進而對人類健康構成嚴重威脅。多數(shù)PAHs具有致癌、致畸、致突變效應，能引發(fā)人體細胞癌變甚至人體基因突變[6-7]。有研究表明[7]，當環(huán)境中苯并芘的濃度每提高0.1μg/100m3，肺癌死亡率將會提高約5%。

表面活性劑淋洗技術具有處理效率高、實施周期短、成本低、環(huán)境友好等特點，是一種具有廣泛應用前景的修復技術[8-9]。Edwards等[10]研究表明，當表面活性劑的濃度大于臨界膠束濃度（CMC）后，能有效降低有機物在土壤中的吸附能力，大幅度提高有機物在溶液中的溶解度，進而提高其去除率。由于單一表面活性劑的增溶效果有限，因此有研究人員對單一表面活性劑進行復配，結果發(fā)現(xiàn)，復配后的混合體系較單一表面活性劑具有更低的表面張力和臨界膠束濃度，極大地提高了表面活性劑對污染物的增溶能力[11]。Zhu等[12-13]進行了陰離子-非離子混合體系對PAHs的增溶實驗，發(fā)現(xiàn)復配體系對PAHs的增溶效果明顯強于單一體系，表明復配體系可以有效地提高表面活性劑的增溶性能。倪賀偉[14]研究了十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）-Tween80陰離子-非離子混合表面活性劑對土壤中菲和芘的去除效果，結果表明，質量比為2∶3的SDBS∶Tween80混合表面活性劑對菲和芘的洗脫率是單一表面活性劑Tween 80的1.79倍和1.45倍。

陰離子型表面活性劑具有較高的表面活性，但容易受到酸堿環(huán)境的影響，導致其應用范圍較窄；非離子表面活性劑在溶液中不會發(fā)生電離，穩(wěn)定性比較高，二者復配后，既可以保持混合表面活性劑體系較高的表面活性，又可以增加體系的應用范圍[15-16]。鼠李糖脂是一種陰離子生物表面活性劑，具有無毒、兩親等性質，濃度達到臨界膠束濃度時會對多環(huán)芳烴產生明顯的增溶作用，已經被廣泛用于處理土壤有機物及重金屬污染[17]，但鼠李糖脂的增溶效果易受到酸堿條件的影響，使得鼠李糖脂在環(huán)境污染治理中的應用受到一定限制。皂素是一種天然的非離子生物表面活性劑，具有環(huán)境友好、易生物降解等優(yōu)點，且相比于其他非離子化學表面活性劑有更好的增溶能力[18]。因此，本文選擇鼠李糖脂和皂素進行復配實驗，測定不同復配比下的表面張力，確定最佳的復配比。另外，利用單因素實驗研究pH、溫度、鹽度和洗脫次數(shù)等工藝因素對混合表面活性劑體系洗脫芘效果的影響，并利用響應曲面法研究各環(huán)境因素的交互作用，確定混合體系的最佳實驗條件。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗土壤樣品取自未被污染的校園土壤。經曬干、分揀雜物等粗略處理后過2mm篩，并放置在自然通風口進行風干。稱取適量芘充分溶解于丙酮中，然后倒入2kg風干土壤中，配置芘濃度為500mg/kg的污染土壤，攪拌均勻后置于通風櫥中，待有機溶劑揮發(fā)后置于4℃冰箱中備用。

使用的主要試劑為芘（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；鼠李糖脂（生物制劑，95%，陜西億康龍生物技術有限公司）；皂素（生物制劑，10%～25%，上海麥克林生化科技有限公司）；正己烷、乙腈（色譜純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氯化鈣、氯化鉀、氯化鎂（分析純，北京化工廠）。

1.2 實驗方法

1.2.1 表面活性劑復配實驗

按照復配比α配置一系列濃度為1000mg/L的鼠李糖脂-皂素混合溶液（α為單一組分占復配體系的質量分數(shù)）。利用表面張力儀測定混合溶液的表面張力，確定最佳復配比，具體設計見表1。

表1 表面活性劑復配體系設計

1.2.2 復配表面活性劑溶液洗脫芘的單因素實驗

通過控制變量法，分別對洗脫實驗中表面活性劑的濃度、pH和離子濃度（KCl、CaCl2、MgCl2）、洗脫液回收次數(shù)進行單因素分析，測定實驗條件的變化對芘洗脫效率的影響，設計梯度如表2。具體實驗操作如下，稱取1g污染土樣于50mL離心管中，加入10mL混合表面活性劑溶液并密封；之后在常溫條件下，超聲15min，取出后用離心機以5000r/min離心15min。將上層溶液倒出，剩余土壤進行干燥后，用高效液相色譜測定土壤中芘質量分數(shù)。

表2 影響因素的試驗梯度

1.2.3 響應曲面分析實驗

響應曲面法是用于工藝參數(shù)優(yōu)化、評價因素影響水平及交互作用的方法[19]。各因素對芘的效果產生的影響均不相同，這些因素在影響芘的洗脫過程中可能存在交互作用，從而產生積極的影響[20-22]。因此本試驗選取了表面活性劑的濃度、pH和Mg2+離子強度3個因素作為主要因子，采用Box-Behnken模型設計實驗，利用Design Expert.v8.0軟件對實驗結果進行擬合分析，以土壤中芘的洗脫率作為響應值得出多項式預測模型，實驗設計如表3所示。

表3 Box-Behnken法實驗設計

1.2.4 土壤中芘的測定

采用液相色譜法測定芘，芘的檢測波長為240nm。儀器分析條件設置為進樣量10μL，流速調至1.0mL/min，流動相分別為乙腈和水，配置濃度為0.05μg/mL、0.1μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、5.00μg/mL的芘標準使用液，存儲于棕色容量瓶中，之后設置如表4所示的程序進行測樣。由低濃度到高濃度依次對系列標準溶液進樣，以芘濃度為橫坐標，以峰面積為縱坐標建立標準曲線，所得標準曲線相關系數(shù)為0.99999，芘標準曲線見圖1。

圖1 芘標準曲線圖

表4 梯度洗脫程序表

干燥后的土壤樣品以正己烷為萃取劑對芘進行萃取，萃取液經無水硫酸鈉與玻璃纖維濾膜處理，過濾至旋蒸瓶中，進行提取、濃縮、凈化，之后轉移至濃縮瓶，加入乙腈定容，待測。樣品按照與繪制標準曲線相同的儀器分析條件進行測定，并利用標準曲線計算得到樣品中的芘含量。芘的洗脫率計算見式(1)。

式中，E為對芘的洗脫效率，%；c0為1g土壤中芘的初始質量，mg；c1為洗脫后的1g土壤中芘的剩余質量，mg。

2 結果與分析

2.1 表面活性劑的復配比例

由圖2可知，復配體系溶液的表面張力與復配比α緊密相關，隨著復配比α增大，表面張力整體上表現(xiàn)出先降低再升高的趨勢。單一皂素溶液的表面張力為35mN/m，單一鼠李糖脂溶液的表面張力為30mN/m。當復配比為0＜α＜1時，混合體系的表面張力基本低于單一表面活性劑，且表面張力最低可以達到28mN/m，說明復配后的表面活性劑體系具有更高的表面活性。當復配比為0.2時，表面張力最低。因此，鼠李糖脂-皂素混合溶液的最佳復配比為0.2。

圖2 表面張力隨復配比α的變化

2.2 影響復合表面活性劑對芘洗脫作用的因素

2.2.1 表面活性劑濃度

不同濃度梯度的復配表面活性劑對芘污染土壤的洗脫效果如圖3，從圖3中可以看出洗脫率與表面活性劑濃度基本上呈正相關。當復配表面活性劑濃度從200mg/L增加到1800mg/L時，芘洗脫率從57.61%提高到71.14%。此后隨著濃度繼續(xù)升高，洗脫率沒有明顯變化，說明在濃度為1800mg/L時，復配藥劑對芘的洗脫率達到飽和。有研究表明，高濃度的表面活性劑具有更多可利用的膠團分子，根據(jù)相似相溶原理，則有更多的芘從土壤中解吸[23]。此外，土壤會吸附部分表面活性劑，使得土壤所含有機質膨脹，界面張力因而降低，PAHs解吸力度增大，洗脫效率升高[24]。還有研究發(fā)現(xiàn)，在土-油系統(tǒng)中，土壤中殘留的油相類似于立體彈性聚合體，表面活性劑通過提高PAHs在土-油系統(tǒng)中的擴散來提高其遷移能力[25]。

圖3 混合體系濃度對洗脫效果的影響

2.2.2 pH

復配表面活性劑在酸堿條件下的洗脫效果如圖4。由圖4可知，pH在2～8時洗脫效果較好，在pH為8時洗脫率達到最高，為80.44%，而在pH為9～12范圍內洗脫率較差，說明該藥劑更適用于偏酸性或弱堿性的污染土壤；但是在pH為10、12時，洗脫率達到了60%以上，證明該復配藥劑具有較好的耐堿性，適用于絕大多數(shù)的污染土壤修復體系。根據(jù)田丹妮等[26]的研究，表面活性劑對其他PAHs，如萘、菲等也具有相同的規(guī)律。隨著pH逐漸升高，鼠李糖脂的增溶效率下降，而在7～8范圍內卻又達到部分回升，之后便持續(xù)下降。這可能是由于pH增加使得溶液中OH-變多，分子負電荷增多，從而使得分子之間的排斥力增加、膠團的聚集數(shù)量減少、膠團的體積變小，從而降低了多環(huán)芳烴的增溶量。楊娟娟等[27]研究了pH對皂素增溶性的影響，結果發(fā)現(xiàn)溶液pH的增加降低了皂素對芘的增溶作用。這是由于皂素含有羥基、羧基等酸性分子結構，隨著pH上升，這些基團發(fā)生電離，皂素溶液中帶電離子的濃度逐漸增大。在靜電力的作用下，使得分子間排斥力加大，從而導致皂素溶液的CMC變大，溶液中膠束濃度降低。同時，膠束內部的極性減弱，降低了芘在膠束中的分配作用，從而降低皂素對芘的增溶性能。

圖4 pH對洗脫效果的影響

2.2.3 無機鹽離子濃度

無機鹽電解產生的金屬陽離子會與表面活性劑復配體系中親水基產生相互作用，進而影響表面活性劑復配體系的界面性質，因此無機鹽的濃度及種類均會對表面活性劑復配體系的增溶作用產生較大影響[28]。通過實驗測定三種鹽離子K+、Ca2+、Mg2+分別在濃度為低濃度0.01mmol/L、0.05mmol/L、0.1mmol/L、0.2mmol/L、0.3mmol/L及 高 濃 度10mmol/L、50mmol/L、100mmol/L、200mmol/L、300mmol/L條件下對復配表面活性劑洗脫芘的影響。從圖5(a)中可以看出，在低濃度條件下，隨著鹽離子濃度的增加，洗脫率呈先上升后下降的趨勢，這說明低濃度的無機鹽離子可以提高表面活性劑的表面活性，且這三種金屬離子對洗脫效果的影響大小依次為Mg2+＞Ca2+＞K+。而洗脫率與無機鹽濃度呈正相關的原因在于，金屬陽離子可以壓縮表面活性劑的極性基，使得兩者在油水界面上的排布更為緊密，增強界面活性。此外，無機鹽可以增強表面活性劑極性基與水分子之間的相互作用，表面活性劑復配體系的親水性更強，油水界面張力更低，進而使界面活性更好[29]。在鼠李糖脂-皂素復配體系中，當Mg2+濃度為0.1mmol/L時，洗脫率達到最高，為79.68%，因此在后續(xù)實驗中選擇MgCl2作為影響洗脫率的鹽離子。

圖5 鹽濃度對洗脫效果的影響

為了研究混合表面活性劑的耐鹽性能，同時在高鹽離子濃度下進行了洗脫實驗，如圖5(b)，當離子濃度大于10mmol/L后，K+對洗脫效率的提高已經達到飽和，但相比低濃度下仍然提高了將近3%，而其余二價離子對芘的洗脫明顯產生了抑制作用。先前有學者針對高濃度鹽離子對增溶作用的影響進行了相關研究[30]，結果發(fā)現(xiàn)，在Ca2+濃度超過200mmol/L后，表面活性劑與其發(fā)生反應生成了沉淀，且由于二價陽離子在高濃度下所帶正電荷過多，將會抑制膠束的形成，從而降低增溶劑的表面活性，導致洗脫效率降低。但從圖中還可以看出，在鹽濃度達到200mmol/L時，混合表面活性劑對芘的洗脫效率仍高于55%，因此該鼠李糖脂-皂素具有良好的耐鹽性。

2.2.4 洗脫劑回收次數(shù)

洗脫過程需要耗費大量的表面活性劑，不僅會造成資金浪費，若洗脫液不經處理還會產生二次污染。從圖6可知，回收之后的洗脫液的洗脫效率較未使用過的均有不同程度的降低，但總體而言，回收的洗脫液仍對芘有一定洗脫效果。隨著回收次數(shù)的增加，洗脫液中未被利用的活性部分逐漸減少至極限，且經過洗脫之后的溶劑不免含有不易清理的土壤雜質，導致洗脫效果下降。對于高濃度的洗脫液（表面活性劑濃度＞1800mg/L）回收效率較高，回收一次時去除率可以達到60%，在回收三次之后仍可以達到50%；而對于低濃度（200～1800mg/L）的洗脫液，在回收一次時仍可以達到50%以上。這說明復配藥劑的回收性能較好，在實際工程中也可采用回收洗脫劑的方法節(jié)約資源。

圖6 回收次數(shù)對洗脫效果的影響

2.3 響應曲面法優(yōu)化實驗

響應曲面分析的實驗結果如圖7所示。利用Design Expert.v8.0軟件對實驗結果進行的擬合分析如表5所示。以芘的去除率為響應值，以表面活性劑濃度、pH、Mg2+為自變量建立響應曲面二次多項式，該模型符合式(2)。

表5 誤差分析表

圖7 響應曲面設計下的芘脫率

式中，Y表示芘的洗脫率；A、B、C分別表示實驗實際操作中的表面活性劑濃度、pH和Mg2+強度。

誤差分析可以幫助檢驗預測模型的準確性[31]。由表5可知，模型的F為9.57，模型顯著性檢驗P=0.0035＜0.05，表明該模型是極顯著的，可信度很高，只有0.35%的不準確性；失擬值的F為5.97，P為0.0585＞0.05，說明整個模型僅有5.85%的失擬幾率；且因素A、B、AB、A2、B2的P均小于0.05，說明這幾個因素為該模型的顯著因素；R2=0.9445＞0.8，說明建立的回歸模型擬合度良好，實驗誤差小。綜上，該模型預測值的可靠性很高，可以用來預測不同實驗條件下二元復合體系對芘的洗脫效果。

主效應分析如圖8所示。當pH從4增加到12，芘的洗脫率先升高后顯著降低。而當鹽濃度增加時，芘的洗脫率也相應增高。根據(jù)三個因子的斜率可知，顯著性影響從大到小依次為pH＞表面活性劑濃度＞Mg2+濃度，可見復配表面活性劑對芘的洗脫實驗需嚴格控制反應體系的pH，這是確保生物表面活性劑保持活性的關鍵。

圖8 單因子影響分析

交互效應分析如圖9所示，單因子的兩水平對響應值的曲線均存在相交部分。這意味著兩因子對芘洗脫率的影響存在一定的交互作用，而相交程度越大，交點越清晰，則證明兩因子間的交互作用越明顯，因此從圖中可以得到，三種因子兩兩交互作用大小為AB＞AC＞BC，即濃度與pH對芘的洗脫產生較大的交互影響，而pH與鹽度的交互作用最微弱。

兩因素水平變化產生的斜率可以體現(xiàn)出因子對響應值的影響程度，斜率越大，表明影響程度越大。從圖9(a)中可以看出，B因子的兩種水平對響應值的影響隨A因子的變化均發(fā)生明顯改變。其中，在B因子與A因子均處于低水平時，其對芘的洗脫率僅有60%左右。而隨著A因子水平的升高，低水平的B因子對響應值的影響慢慢升高至85%。相反的，B因子處于高水平時，其對響應值的影響隨A因子水平的升高逐漸降低，由67%降至57%；對比之下，低水平具有更高的斜率，其對響應值的影響程度更大，因此與A因子交互作用更明顯，此外在兩者交互影響下，響應值達到了更高的層級，所以在高表面活性劑濃度低pH條件下，可以得到更好的洗脫效率。同理，復合體系對芘的洗脫在低pH、高鹽濃度或中等表面活性劑濃度、高鹽濃度的條件下可以達到較好的效果。

圖9 雙因子交互影響

響應曲面坡度越陡，則實驗因素對增溶效果的影響越顯著。圖10中可以看出，AB的響應曲面坡度最陡，BC的響應曲面坡度最平緩，得出實驗因素的顯著性與上述結果相一致。如圖10(a)，pH從4增至8時的響應曲面較8～12時更為陡峭，因此實驗pH應控制在中性偏酸范圍內；圖10(b)中可以看出，濃度從1400mg/L增至2000mg/L的響應面要比800mg/L至1400mg/L的響應面更為陡峭，因此表面活性劑濃度需控制在1400～2000mg/L；圖10(c)顯示，鹽度從0.1mmol/L增至0.3mmol/L時，響應曲面呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，所以鹽濃度應選取0.2mmol/L左右最為合適。

圖10 3D響應曲面圖

對模型方程求一階導數(shù)得到最佳條件：表面活性劑濃度為1966.63mg/L、pH為4.44、Mg2+濃度為0.22mmol/L，取整得表面活性劑濃度為1900mg/L、pH為5、鹽濃度為0.2mmol/L。在此優(yōu)化方案下，復配藥劑對芘的洗脫率可以達到更高，為87.45%（見圖11）。通過多次實驗驗證，發(fā)現(xiàn)根據(jù)此預測模型作出的優(yōu)化方案，其洗脫率可以達到89.25%，與預測值僅有2.06%的偏差，該模型具有一定的指導意義。

圖11 Box-Behnken模型優(yōu)化方案

3 結論

本文測定了表面活性劑濃度、pH、三種鹽離子（KCl、MgCl2、CaCl2）及洗脫液回收次數(shù)4種因素對鼠李糖脂-皂素混合體系洗脫土壤中多環(huán)芳烴芘的影響，并篩選出3種影響效果較為顯著的因素進行響應曲面分析，優(yōu)化得到最佳的洗脫方案，得出以下結論。

（1）鼠李糖脂和皂素復配后可以有效地降低溶液的表面張力，當混合表面活性劑的復配比介于0和1之間時，混合溶液的表面張力均低于單一表面活性劑，且當復配比為0.2時達到最佳效果。

（2）隨著表面活性劑濃度的升高，洗脫效率明顯增強，在混合溶液濃度為1800mg/L時達到最高，為71.14%；pH對芘洗脫率的影響呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，在pH為8時達到最高，為80.44%，而且在強酸強堿性條件下洗脫率也達到60%以上，說明鼠李糖脂-皂素復配后具有良好的耐酸耐堿性；3種鹽離子對復配表面活性劑的表面活性影響大小為Mg2+＞Ca2+＞K+，因此最適宜作為添加劑提高表面活性劑洗脫效果的為MgCl2，其在0.1mmol/L時達到最大洗脫率79.68%。此外，在高濃度鹽離子條件下，復配表面活性劑依然保持良好的活性，說明其具有良好的抗鹽性。對于高濃度的洗脫液（表面活性劑濃度＞1800mg/L），在回收3次之后去除率仍可以達到50%，具有較高的回收性。

（3）響應曲面實驗表明，3種因素對洗脫效果的顯著性影響從大到小依次為pH＞表面活性劑濃度＞Mg2+濃度，在對兩兩交互作用的分析中，3種因素兩兩交互作用從大到小為表面活性劑濃度與pH的交互作用＞表面活性劑濃度與鹽度的交互作用＞pH與鹽度的交互作用，這說明pH對表面活性劑的活性具有較大的影響。

（4）經過Box-Behnken模型優(yōu)化，得到最佳洗脫實驗條件，混合表面活性劑濃度為1900mg/L、pH為5、Mg2+的濃度為0.2mmol/L，在此優(yōu)化方案下，復配藥劑對芘的洗脫率達到最高，為89.25%。