黑腐酸的改性及其对土壤中多环芳烃的洗脱作用

于红艳，徐 峰，陈红云，杨伟群，杨珍珍

（台州职业技术学院生物与化学工程系，浙江 台州 318000）

黑腐酸（HA）是一类呈黑色的无定形的大分子有机物质[1]，是既不溶于水或酸，也不溶于乙醇或丙酮，但能溶于碱的腐殖酸部分。HA广泛存在于土壤、湖泊、河流、海洋及泥炭、褐煤和风化煤中[2-3]，其分子中含有共扼双键、芳香环、醌基及半醌基等基团，是天然的土壤改良剂，具有界面活性、阳离子交换能力、络合能力及吸附分散能力等。

由于HA或其盐本身具有一定的表面活性，是一种天然的表面活性剂[4-5]，HA作为表面活性剂在淋洗修复污染土壤中的应用也有相关的报道[6-7]。但是，由于HA本身的疏水基团的强度与亲水基团的强度不能相匹配，从而使其本身的交换容量也较低，使 HA本身在修复污染土壤方面受到了一定的限制。作为一种良好的表面活性剂，不但应具有亲水性基团和亲油性基团，而且其本身的亲油强度与亲水强度应该相匹配[8-9]。随着HA研究的不断深入，向HA上引入新的官能团或接枝高分子组分的研究也有报道[10-11]，但HA改性后用于土壤修复尚未见披露。本文选用HA进行改性，是由于HA具有较大的相对分子质量，亲油性较好，具有一定的表面活性，是一种容易开发的天然的表面活性剂，对环境友好。但是由于HA本身的一些性质，其水溶性差，本文通过先对HA进行烷基化反应，然后再进行磺甲基化反应得到最终的改性黑腐酸（MHA），测试改性产品的表面性能，选择多环芳烃（PAHs）污染土壤作为研究对象，研究MHA对PAHs土壤中萘、菲、荧蒽、芘的洗脱作用，以期为PAHs污染土壤修复选择合适的淋洗剂提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

（1）黑腐酸 HA购买于上海臣枫化学科技有限公司。

（2）土壤样品采集与制备 土壤取自台州市某绿化区表层土，土壤类型为红壤，去除碎石等杂物，经冷冻干燥、研磨后过2.0 mm筛，经测定土壤总有机碳为12.48 g/kg，pH值为6.72。称取0.1 g萘、菲、荧蒽、芘，用丙酮溶解，将溶液倒入500 g洁净土壤中，待丙酮挥发后将处理土样充分混匀，置于恒温培养箱中避光培养15 d，即制得含萘、菲、荧蒽、芘各为200 mg/kg的PAHs污染土壤。

（3）试剂 碳酸钠、溴代十二烷、溴代十六烷、溴代十八烷、95%乙醇、甲醛、正己烷、丙酮、亚硫酸氢钠、苯、盐酸、氢氧化钠等，以上试剂均为分析纯；水为去离子水；甲醇为色谱纯；多环芳烃标准品由上海安谱科学仪器有限公司提供。

（4）仪器设备 THZ-82恒温水浴锅、RV10 数显型旋转蒸发仪、101C-1B不锈钢鼓风干燥箱、JJ2000型精密电子天平、自动电位滴定仪、WFJ7200分光光度计、FT-IR 200傅里叶红外光谱分析仪、岛津LC-10A高效液相色谱仪。

图1 改性黑腐酸的合成

1.2 改性黑腐酸的合成路线

HA的改性方法可以通过以上化学反应式表示，上述结构式中R、R1表示HA上的其它官能团，如甲氧基、醌基、羰基、胺基或烯醇基等[11]。在HA分子上引入一个或多个脂溶性强的烷烃基团，增加其疏水基强度对有机物具有更好的吸附、络合性能。接着在HA分子上引入一个或多个亲水性能强、水化膜较厚的负电荷基团-磺甲基，增加了苯环的活性，使水溶性更好。HA磺化后分子结构中引入强亲水基团（CH2SO3H），磺化度越高，水溶作用也会增加。经过改性后，HA可同时增加水溶性和脂溶性，使其亲油强度与亲水强度相匹配。

1.3 改性黑腐酸的合成方法

1.3.1 烷化黑腐酸的合成

在100 mL三口瓶中加入HA 5 g，用适量碳酸钠溶液溶解HA，使HA固含量为15%～35%，并控制溶液 pH值为 9～11，搅拌下通过分液漏斗向HA盐溶液中逐滴加入配制好的溴代烷烃的乙醇溶液，溴代烷烃和HA的质量比为1∶（3～10），65～85 ℃下搅拌反应6 h，冷却至室温，抽滤，将滤液放置于60 ℃干燥箱中干燥得到烷化HA。

1.3.2 磺甲基化反应

把一定量的甲醛（质量分数为36%～38%）、亚硫酸氢钠（甲醛和亚硫酸氢钠的质量比为 10∶1）和少量去离子水放入三口瓶中室温搅拌 30 min得到乳白色稠状的磺甲基化试剂。称取适量烷化 HA加入上述反应瓶中，磺甲基化试剂和烷化HA的质量比为1∶（4～10）。用碳酸钠调节混合液的pH在9～11，然后在搅拌的情况下用加热套进行加热至80～90 ℃，恒温搅拌反应4～6 h，调pH值为6.0～7.0，抽滤并减压蒸馏，将其放置在60 ℃下干燥箱中真空干燥48 h，即可得到磺甲基化并烷化的HA。经过改性后将溴代烷烃的烷烃为十二烷、十六烷或十八烷直链饱和烷基的黑腐酸改性物编号为MHA12、MHA16、MHA18。

1.4 改性HA土壤修复性能测定

1.4.1 表面性能的测定

在100 mL容量瓶中使用去离子水将待测样品配成范围在1～10 g/L的不同质量浓度的溶液，利用泡压法测量系列溶液的表面张力σ，以表面张力与溶液浓度的对数作σ-lgC曲线，曲线转折点对应的浓度即为临界胶团浓度CMC。

1.4.2 改性HA对PAHs污染土壤的洗脱修复

称取10 g人工制备PAHs污染土壤置于不同锥形瓶中，每瓶中分别加入0、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g改性黑腐酸MHA12、MHA16、MHA18，加入去离子水定容至100 mL，加塞后放入恒温振荡器中，25 ℃下振荡24 h，取出锥形瓶，将所有液体用1∶2的丙酮、正己烷混合液提取，再用超声波萃取 8h[12]，在旋转蒸发器中去除有机溶剂，用HPLC法测定[13]。各处理均重复3次。HPLC测定条件为：流动相为甲醇/水=85/15（体积比）；流速：1 mL/min；柱温为25 ℃；检测波长为254 nm；进样量为 20 μL。

2 结果与讨论

2.1 MHA红外光谱分析

图2 黑腐酸及改性物的傅里叶红外光谱

表1 黑腐酸及其改性物的主要红外吸收带和归属

图2是HA和MHA的FT-IR谱图。HA的谱图中，3411.06 cm−1处出现了缔合的—O—H伸缩振动宽峰，是 HA 酚羟基的特征峰；2357.60 cm−1和2349.31 cm−1处的吸收带是羧基的氢键缔合—OH伸展振动峰；在1611.06 cm−1和1586.12 cm−1处出现的吸收峰是芳香共轭双键，即C=C、C=O，羧基共轭双键，伸展振动峰；在1299.49 cm−1处出现的吸收峰是酚醚，或醇C—O伸展和C—OH振动。在MHA的FT-IR谱图中，除了HA的吸收峰外，在2925.81 cm−1和2847.00 cm−1处出现较强的吸收峰，显示脂肪族C—H拉伸，为烷基的振动峰，证明产物引入了烷烃集团。在1171.43 cm−1、1047.00 cm−1和 599.08 cm−1处的吸收峰显示了磺酸盐的S=O伸缩振动，证明产物引入了磺甲基集团。HA和MHA的FT-IR谱图差别表明了对HA进行烷化反应和磺甲基化反应实现了对HA的改性。

2.2 HA改性物表面性能的测定

经过改性后将卤代烷烃的烷烃为十二烷、十六烷或十八烷直链饱和烷基的 HA改性物，编号为MHA12、MHA16、MHA18，分别代表增加的碳链长度。以表面张力与溶液浓度的对数作σ-lgC曲线，曲线转折点对应的浓度即为临界胶团浓度（CMC）。见图3。

测定结果表明，在相同溶液浓度下，MHA的表面张力、临界胶团浓度均较低，说明其表面活性较高。从图3中可以看出，MHA12的临界胶团浓度为 3.12 g/L，最低表面张力值为 39.04 mN/m；MHA16的临界胶团浓度为2.78 g/L，最低表面张力值为 30.08 mN/m；MHA18的临界胶团浓度为2.70 g/L，最低表面张力值为29.54 mN/m。实验数据表明，在浓度相同下，MHA表面张力随着引入的碳链长度的增加而下降，其临界胶束浓度也下降。

2.3 改性黑腐酸对PAHs污染土壤的洗脱效果

图3 黑腐酸改性物的表面张力及临界胶团浓度的测定

图4 MHA对萘、菲、荧蒽、芘的溶出曲线

图4为不同浓度MHA对萘、菲、荧蒽、芘在污染土壤中的淋出率的影响。加入0、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g改性黑腐酸 MHA12、MHA16、MHA18至10 g人工制备PAHs污染土壤中，定容至100 mL后MHA的浓度分别为0、1.0 g/L、2.0 g/L、3.0 g/L、4.0 g/L、5.0 g/L、6.0 g/L。由图4可知，MHA12、MHA16和MHA18对萘、菲、荧蒽、芘都具有一定洗脱能力，当MHA含量超过临界胶团浓度时，对萘、菲、荧蒽、芘的洗脱能力明显增强。这是因为当溶液中MHA浓度增大到一定程度，形成表面活性剂胶束，有机污染物能够完全进入胶束内部，或吸附在胶束的疏水基上，使得污染物与MHA分子一同进入溶液中。在污染土壤中，MHA12、MHA16和MHA18对萘的最大溶出量分别为143.0 mg/kg、171.9 mg/kg、181.3 mg/kg，其中MHA18对萘的溶出率高达90.6%，这是因为萘是二环的 PAHs，溶解性和活性最强，故其溶出率非常高。MHA12、MHA16和MHA18对菲的最大溶出率分别为68.3%、82.0%、78.3%，对四环的荧蒽和芘的溶出率相对较低，但也有较强的溶出能力。由此可知，MHA即可以溶于土壤溶液中，又可以通过疏水作用、配位交换和氢键作用吸附PAHs污染物，对吸附于土壤中的PAHs具有较强的洗脱作用。

3 结 论

（1）以HA为原料，分别经过烷化反应和磺甲基化反应合成了目标产物，其结构经 IR 测定表明引入了烷化集团和磺甲基化基团。

（2）通过MHA表面性能测试，在相同溶液浓度下，改性的黑腐酸表面活性剂的表面张力、临界胶团浓度均较低，说明其表面活性较高。改性的黑腐酸表面活性剂 MHA12、MHA16、MHA18的临界胶团浓度分别为3.12 g/L、2.78 g/L、2.70 g/L。

（3）通过MHA对PAHs污染土壤洗脱试验，MHA12、MHA16和MHA18对萘、菲、荧蒽、芘都具有一定洗脱能力。当MHA含量超过临界胶团浓度时，对萘、菲、荧蒽、芘的洗脱能力明显增强。

（4）改性黑腐酸具有较好的水溶性和表面活性，同时，亲水基团和亲油基团的强度相匹配，得到的改性黑腐酸能用于多环芳烃污染土壤的修复。

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