阴-非离子表面活性剂复配修复石油污染的土壤

2014-07-24 05:51张伟娜殷永泉冉德钦崔兆杰
关键词:消极影响活性剂去除率

张伟娜,殷永泉,冉德钦,崔兆杰

(山东大学 环境科学与工程学院,山东 济南 250100)

土壤是重要的环境要素之一,是一切生物赖以生存的基础.近年来,随着石油勘探开发以及石油加工等一系列过程的迅速发展,石油污染土壤问题日益凸显[1-3].石油类污染物进入土壤后,不仅会破坏土壤结构,降低土壤质量,还会通过迁移转化、地表迳流以及食物链等途径对大气、水环境、食品安全和人身健康构成严重威胁.石油污染已经引起世界各国的普遍关注,成为环境领域重要的社会和环境问题.因此,对石油污染土壤进行修复迫在眉睫[4].在众多石油污染土壤的修复方法中,淋洗修复是少数几个可以彻底去除污染物的方法之一,也是研究较多的方法[5-8].

表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)是一种常用的阴离子表面活性剂,其与非离子表面活性剂复配淋洗研究较多,Urum[9]等研究了SDS淋洗修复的卷缩机理,冉德钦[5]等研究了SDS和吐温-80(TW-80)复配淋洗修复石油污染土壤.有关烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)淋洗研究较少.OP-10具有很好的乳化、润湿、匀染和扩散等性能,耐酸、碱、硬水,可与各类表面活性剂复配使用.本文分别在振荡和超声2种条件下采用SDS与OP-10复配淋洗修复石油污染的土壤,探讨了各实验条件对土壤中石油去除率的影响,为表面活性剂淋洗修复石油污染土壤提供一定的技术支持.

1 实验部分

1.1 实验土壤

本实验所用土壤取自孤岛油区,将土壤混合均匀,室温条件下自然风干,除去残根、石块等杂物,研磨,过0.180mm 筛,然后将土样储于棕色的广口瓶内备用.供试土壤的理化参数见表1.

表1 所用土壤的理化参数Tab.1 Physical and chemical parameters of soil

1.2 实验方法

称土样2.5g于100mL具塞锥形瓶中,加入SDS和OP-10复配质量比为50:1的表面活性剂淋洗液,置于恒温振荡器或超声清洗器上淋洗一定时间.静置后,弃去上清液,将土壤在105 ℃时干燥1h.冷却后,用二氯甲烷超声萃取,用紫外分光光度法测石油含量,测定波长为254mm,计算石油去除率.

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂质量浓度对石油去除率的影响

在表面活性剂修复淋洗石油污染土壤过程中,表面活性剂的质量浓度影响石油去除率,实验结果见图1.SDS和OP-10复配淋洗时,超声淋洗比振荡淋洗去除率高.超声淋洗时产生的辐射压和声微流对锥形瓶中各物质起到搅拌作用,引起土壤颗粒之间的摩擦,导致表面活性剂吸附量较少[10-11].当表面活性剂质量浓度较低时,石油去除率随质量浓度的增加成线性增长,当质量浓度达到5g/L 时,土壤中易解吸的石油组分已被去除,去除率趋于稳定,不再随质量浓度增加而增加.当表面活性剂质量浓度过高时,不仅会造成药剂浪费和土壤二次污染,还会导致絮凝物质的产生,与土壤结合形成乳状物[12-13].这些乳状物既会降低表面活性剂的可利用性,又会阻塞土壤空隙,降低污染物和表面活性剂的流动性,影响淋洗效果.本实验从经济和环保的角度考虑,选用表面活性剂的质量浓度是5g/L.

2.2 pH 对石油去除率的影响

pH 是表面活性剂淋洗石油的一个重要参数,对石油淋洗效果的影响结果见图2.SDS和OP-10复合淋洗时,超声淋洗比振荡淋洗去除率高.石油的去除率随pH 值的升高而升高.当pH 值较低时,阴离子表面活性剂会吸附到土壤表面[14],降低了表面活性剂的利用率.随着pH 值的增加,土壤颗粒表面的负电荷增加,表面活性剂分子与土壤颗粒之间的吸附作用降低,排斥作用增加,且固液相之间的界面张力降低[15],利于提高石油去除率.

图1 表面活性剂浓度对石油去除率的影响Fig.1 Crude oil removal as function of concentration of surfactant solution

图2 pH 对石油去除率的影响Fig.2 Crude oil removal as function of pH

2.3 液固比对石油去除率的影响

液固比是表面活性剂淋洗液体积与待修复土壤的质量比例,液固比对石油淋洗效果的影响见图3.SDS和OP-10复合淋洗时,超声淋洗比振荡淋洗去除率高.当液固比小于10mL/g时,随液固比增加去除率增加较快,液固比为10~20mL/g时,去除率增加相对较慢,当液固比大于20mL/g时,去除率趋于平稳.当液固比过小时,易发生乳化作用,减弱石油的流动性,不利于搅拌[16].随着液固比的增加,表面活性剂胶体粒子量随之增加,胶体与土壤的接触机会增加,石油去除率升高[17].液固比过大会造成药剂和能量浪费[1].为了保证去除效果并节约淋洗液用量,实验选取的液固比为20mL/g.

2.4 温度对石油去除率的影响

温度对表面活性剂的活性、吸附性和溶解度有很大影响,淋洗温度对石油去除率的影响见图4.SDS和OP-10复配淋洗时,超声淋洗比振荡淋洗去除率高.石油去除率随温度升高而升高.温度小于20 ℃或大于30 ℃时,去除率幅度变化较大,当温度在20~30 ℃之间时,去除率幅度变化较小.温度较低时,石油污染物吸附在土壤表面,淋洗效果较差.而随着温度的升高,石油的吸附性降低,表面活性剂的CMC 降低,使得胶体数量增加,增溶效果提高,去除率升高[15,18].当温度过高时,不仅会造成能耗增加,还会使OP-10的表面活性和溶解度降低,此外高温会使水分蒸发,影响淋洗效果.

图3 液固比对石油去除率的影响Fig.3 Crude oil removal as function of the ratio of liquid to solid

图4 淋洗温度对石油去除率的影响Fig.4 Crude oil removal as function of washing temperature

2.5 淋洗时间对石油去除率的影响

淋洗时间也是一个重要的淋洗条件,其对石油去除率的影响见图5.SDS和OP-10复合淋洗时,超声淋洗比振荡淋洗去除率高,超声淋洗可以大幅度缩短淋洗时间.石油的去除率随淋洗时间的延长而升高.振荡淋洗时,时间小于2h,去除率随时间变化相对较快,超过2h时,去除率基本趋于平稳;超声淋洗时,时间小于30min,去除率随时间变化相对较快,超过30min时,去除率基本趋于平稳.当淋洗时间不足时,淋洗不完全,去除率较低.在一定时间范围内,随着淋洗时间延长,表面活性剂和污染物的接触角增加,使得固相中的污染物向液相中移动,从而提高淋洗效率[17],当移动达到平衡时淋洗率不再提高.

2.6 无机盐离子对石油去除率的影响

在表面活性剂溶液中加入某些无机盐离子作为助剂,对土壤的淋洗修复效率也有影响,见图6.CaCl2,KCl和NH4Cl对SDS和OP-10的复配淋洗有消极影响,可称这3种盐为消极助剂.CaCl2对去除率的消极影响最大,NH4Cl的消极影响最小.随着CaCl2和KCl添加量的增加,去除率变化不大.而随着NH4Cl添加量的增加,去除率变化较大.Na2CO3,和Na2SiO3对淋洗有积极影响,称这2种盐为积极助剂.NaCl对去除率影响较小,可视为对淋洗没有影响.

图5 淋洗时间对石油去除率的影响Fig.5 Crude oil removal as function of washing time

图6 无机盐对石油去除率的影响Fig.6 Crude oil removal as function of salt

钙离子既可增加水的硬度,又能和SDS电离出的阴离子反应降低淋洗去除率[5],所以CaCl2对去除率的消极影响较大.钠离子和钾离子既能增加离子胶束的扩散双电层,提高表面活性剂活性[5],对淋洗产生积极影响;又能从土壤中交换出钙离子,减少SDS的有效作用物质的量,破坏复配体系,对淋洗产生消极影响.钠离子的这2种能力相当,所以对淋洗影响不大,而钾离子对淋洗产生的消极影响大于积极影响,导致KCl对淋洗产生消极影响.NH4Cl为强酸弱碱盐,水解使溶液酸性增强,导致去除率相对较低.Na2CO3和Na2SiO3为强碱弱酸盐,水解使表面活性剂溶液碱性增强,且其电离产生的阴离子可与溶液中存在的钙离子产生沉淀,有利于提高石油去除率.Na2SiO3及其水解产物还能吸附到土壤颗粒表面,形成一层保护膜,防止解吸出的石油再次被土壤吸附[19].

3 结论

SDS/OP-10复配淋洗在超声条件下淋洗去除率比振荡时去除率高.淋洗效果与表面活性剂溶液浓度、pH、液固比、温度和淋洗时间成正相关,淋洗的最佳条件是:SDS和OP-10复配溶液(复配质量比为50:1)质量浓度为5g/L,pH 为7,液固比为20mL/g.温度为25℃,超声淋洗30min,或者振荡淋洗2h,无机盐离子对去除率也有影响.CaCl2,KCl和NH4Cl对SDS/OP-10 溶液的复配淋洗有消极影响,Na2CO3和Na2SiO3对淋洗有积极影响,而NaCl对淋洗影响不大.

[1] MEGHARAJ M,RAMAKRISHNAN B,VENKATESWARLU K,et al.Bioremediation approaches for organic pollutants:A critical perspective[J].Environ Int,2011,37(8):1362-1375.

[2] ZHAO Dongfeng,LIU Chunshuang,LIU Lihong,et al.Selection of functional consortium for crude oil-contaminated soil remediation[J].Int Biodeterior Biodegrad,2011,65(8):1244-1248.

[3] WANG Hao,CHEN Jiajun.Enhanced flushing of polychlorinated biphenyls contaminated sands using surfactant foam:Effect of partition coefficient and sweep efficiency[J].Journal of Environmental Sciences,2012,24(7):1270-1277.

[4] LóPEZ-VIZCAíNO R,SáEZ C,CANIZARES P,et al.The use of a combined process of surfactant-aided soil washing and coagulation for PAH-contaminated soils treatment[J].Sep Purif Technol,2012,88(22):46-51.

[5] 冉德钦.异位淋洗法修复石油污染土壤[D].山东大学,2012.RAN Deqin.Remediation of petroleum-contaminated soil by ex-situ washing[D].Shandong University,2012.

[6] ZHANG Ming Zhang,ZHU Lizhong.Effect of SDBS-Tween 80mixed surfactants on the distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil-water system[J].J Soils and Sediments,2010,10(6):1123-1130.

[7] MOLDES A,PARADELO R,RUBINOS D,et al.Ex Situ treatment of hydrocarbon-contaminated soil using biosurfactants from lactobacillus pentosus[J].J Agric Food Chem,2011,59(17):9443-9447.

[8] FRUTOS FJG,PéREZ R,ESCOLANO O,et al.Remediation trials for hydrocarbon-contaminated sludge from a soil washing process:Evaluation of bioremediation technologies[J].J Hazard Mater,2012,199-200(15):262-271.

[9] URUM K,PEKDEMIR T.Evaluation of biosurfactants for crude oil contaminated soil washing[J].Chemosphere,2004,57(9):1139-1150.

[10]JI Guodong,ZHOU Cui,ZHOU Guohui.Ultrasound enhanced gradient elution of super heavy oil from weathered soils using TX100/SBDS mixed salt micellar solutions[J].Ultrason.Sonochem.2011,18,506-512.

[11]SON Y,NAM S,ASHOKKUMAR M,KHIM J,et al.Comparison of energy consumptions between ultrasonic,mechanical,and combined soil washing processes[J].Ultrason.Sonochem.2012,19,395-398.

[12]CLIFFORD S.Removal of organic contamination from Buffalo River sediment by froth flotation[J].Miner Metall Process,1993,10(4):195-199.

[13]SOMASUNDARAN P,ZHANG L,ZHENG J,et al.Removal of nonvolatile hydrophobic compounds from soils by flotation I.Laboratory investigation using a mechanically agitated machine[J].Adv Environ Res,1997,1:157-165.

[14]URUM K,PEKDEMIR T,ROSS D,et al.Crude Oil Contaminated Soil Washing in Air Sparging Assisted Stirred Tank Reactor Using Biosurfactants[J].Chemosphere,2005,60(3):334-343.

[15]ZHU Kun,HART W,YANG Jiantao.Remediation of Petroleum-Contaminated Loess Soil by Surfactant-Enhanced Flushing Technique[J].J Environ Sci Health,Part A:Toxic/Hazard Subst Environ Eng,2005,40(10):1877-1893.

[16]PARIA S.Surfactant-enhanced remediation of organic contaminated soil and water[J].Adv.Colloid Interface Sci,2008,138(1):24-58.

[17]周波.表面活性剂[M].北京:化学工业出版社,2006.

[18]高建,李鑫钢,曹宏斌.土壤治理中的胶态气泡悬浮液清洗技术[J].环境污染治理技术与设备,2000,1(1):16-19.GAO Jian,LI Xingang,CAO Huibin.Washing Wasted Soil by Colloidal Gas Aphron Suspensions Technology[J].Tech Equip Environ Pollut Control,2000,12(1):16-19.

[19]刘程,李江华,刘博,等.表面活性剂应用手册[M].3版.北京:化学工业出版社,2004.

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