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        針對混合石油烴污染土壤快速修復(fù)方法的比較研究與應(yīng)用

        2019-12-03 03:13:18陳果殷鐘意劉安平鄭旭煦
        應(yīng)用化工 2019年11期
        關(guān)鍵詞:烴類固液石油醚

        陳果,殷鐘意,劉安平,鄭旭煦

        (1.重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,重慶 400067;2.重慶大學(xué) 環(huán)境物理研究所,重慶 400067)

        土壤是一個國家的根本,是最關(guān)乎人民生活的物質(zhì)。但據(jù)全國土壤污染調(diào)查公報顯示,全國土壤污染總超標(biāo)率為16.1%[1]。工業(yè)及制造業(yè)設(shè)備都有使用常規(guī)機械油的要求,因此由石油烴類物質(zhì)造成的土壤污染已成為國內(nèi)典型場地污染之一。而此類污染場地中,95%進入環(huán)境的污染源自于潤滑油[2]。直接暴露于此類污染環(huán)境,會對人體的皮膚及臟器造成傷害[3-4],此類油成分中的長鏈部分比重大,乳化性能低,在土壤中有很強的滯留性,嚴(yán)重影響土壤結(jié)構(gòu)與微生物群落[5-7],其特定的組分能富集于植物中[8]不僅會引起植物病變,甚至進入食物鏈,直接對人們的健康造成威脅。

        目前,國內(nèi)外對石油烴類物質(zhì)污染場地的處理研究大多集中在如何提高去除率上,而忽略了處理手段是否會對土壤本身造成的影響。筆者認(rèn)為,對土壤修復(fù)的目的應(yīng)該歸結(jié)到恢復(fù)土壤的原始質(zhì)量上,不能僅僅是單一的提升去除率。因此,本研究不僅通過工藝比較篩選出高效的石油烴去除方法,而且通過比較土壤有機質(zhì)在處理前后的變化以及對植株種植的影響,來評價溶劑提取方法對土壤的修復(fù)作用。

        1 實驗部分

        1.1 原料與儀器

        原始土樣,來源于重慶市九龍坡區(qū)某裝配廠儲油車間中收集池龜裂處右側(cè)地表以下70~100 mm的深褐色土壤。樣品采出時,石油烴氣味明顯,其原始含量由第三方檢測機構(gòu)江蘇格林勒斯檢測科技有限公司進行分析,見表1。土壤樣品采集后,用自封袋密封保存,帶到實驗室后置于通風(fēng)櫥內(nèi)風(fēng)干處理72 h,隨后挑出雜質(zhì)、石頭顆粒等并研磨成粉,過40目篩后,盛裝于試劑瓶中;二氯甲烷、三氯甲烷、石油醚(60~90 ℃)、正己烷、無水碳酸鈉、丙酮、重鉻酸鉀、鄰菲咯啉(1,10-菲咯啉)、硫酸、硫酸亞鐵均為分析純。

        表1 污染土壤的總石油烴含量及部分農(nóng)業(yè)指標(biāo)Table 1 Total petroleum hydrocarbon content ofcontaminated soil and partly agricultural indicators

        RE-3000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀;Chem Vac真空泵;Sartorius分析天平(萬分之一);KQ5200DA超聲波清洗器;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器;SU1510掃描電子顯微鏡;TQ8040氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)。

        1.2 模擬污染土壤的配制

        在工藝優(yōu)化實驗中,采用模擬污染土進行實驗工藝優(yōu)化研究,目的是減少集中堆放場地對自然土壤環(huán)境里,石油烴污染物質(zhì)分布不均造成的影響。此模擬污染土壤的土壤部分來源于同污染土裝配廠,取樣自檢測達標(biāo)地塊,根據(jù)采樣檢測報告測定的污染物種類及濃度,按照齒輪油∶廢液壓油∶柴油為5∶3∶2質(zhì)量比配制模擬污染土壤。三種污染物先用石油醚混合后加入土壤中,再移至通風(fēng)櫥內(nèi)進行石油醚揮發(fā)回收處理;使配制的模擬污染土壤含油率符合原始的10%左右,濃度(100±20)mg/g。放入試劑瓶中,陰涼處保存。

        1.3 兩種提取方法

        1.3.1 傳統(tǒng)浸泡提取法 充分混勻待實驗的土壤,精確稱取10 g土壤,放至150 mL離心瓶中,加入適量提取劑,靜止放置一段時間;然后在4 000 r/min下離心10 min,移取上清液于烘至恒重的燒瓶中,于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中蒸發(fā)至恒重,稱重,計算提取率。

        1.3.2 超聲提取法 土壤的前處理與檢測同1.3.1節(jié),加入適量提取劑,采用功率為40 kHz的超聲波清洗器超聲提取一段時間。

        1.4 土壤有機質(zhì)的測定

        以重鉻酸鉀法檢測有機質(zhì)含量,設(shè)3組對照,2個空白組以灼燒浮石粉代替土樣。

        1.5 土壤微觀結(jié)構(gòu)表征

        取1.0 g土壤于燒杯中并加入100 mL無水乙醇,隨后使用超聲使其分散均勻,吸取少量懸濁液滴至5 mm×5 mm單晶硅片上,待乙醇揮發(fā)后進行噴金處理,置于SEM中觀察。

        1.6 植株種植質(zhì)量的評估

        取紫花苜蓿凈籽于燒杯中,先以3%過氧化氫溶液浸泡除菌后,以去離子水浸泡8 h,取出放置于浸潤后的濾紙上,待發(fā)芽后每組播撒50粒種,周期45 d(以實際成株情況而定)。本實驗分室內(nèi)培養(yǎng)與室外培養(yǎng)兩個階段,室內(nèi)階段10 d(以實際生長情況而定),以此鞏固植株根系對土壤環(huán)境的適應(yīng),對植株進行定期澆灌,確定正常生長后移至室外自然環(huán)境,進行生長情況與整株發(fā)育情況的放置觀察。在完成飽和澆灌后,僅進行必要補水,不再定期澆灌。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 提取劑的選擇

        采用石油醚、正己烷、二氯甲苯和三氯甲苯等4種有機溶劑各50 mL,分別浸泡提取12 h和超聲提取20 min;同時分別設(shè)置三組平行實驗,四種提取劑下的提取情況見表2、圖1和圖2。

        表2 不同提取劑對提取液狀態(tài)的影響Table 2 Effect of different extracting agents on theextraction solution state

        由表2可知,不論是浸泡提取還是超聲提取,石油醚和正己烷提取液中的石油烴純度較高,對土壤中的石油烴類物質(zhì)提取效果較好;而二氯甲烷和三氯甲烷提取液中除了含有石油烴外,還含有一些雜質(zhì)。這是由于二氯甲烷和三氯甲烷自身極性較大,對土壤中的一些極性物質(zhì)也有提取作用,造成提取液渾濁、易分層,并含有懸浮物質(zhì)。

        圖1 不同提取劑和提取方法對提取率的影響Fig.1 Effect of different extractants and extraction methods on extraction rate

        由圖1可知,浸泡提取時,四種提取劑的提取率高低順序為三氯甲烷>石油醚>正己烷>二氯甲烷;超聲提取時,四種提取劑的提取率高低順序為三氯甲烷>石油醚>二氯甲烷>正己烷。即無論是浸泡提取還是超聲提取,都是三氯甲烷的提取率最高,石油醚的提取率次之。

        圖2 不同提取劑和提取方法對土壤有機質(zhì)含量的影響Fig.2 Effect of different extractants and extraction methods on soil organic matter content

        由圖2可知,提取之后的土壤有機質(zhì)含量均呈現(xiàn)石油醚>正己烷>二氯甲烷>三氯甲烷,表明極性溶劑造成土壤有機質(zhì)的損失高于非極性溶劑。對比圖2中的浸泡提取和超聲提取結(jié)果可知,超聲提取對土壤中有機質(zhì)的損失更小一些??赡艿脑蚴浅曁崛〉臅r間遠遠少于浸泡提取的時間。

        綜合表2、圖1和圖2的實驗結(jié)果,鑒于三氯甲烷和二氯甲烷提取了土壤中較多的極性物質(zhì),造成土壤中更多有機質(zhì)成分的損失,而石油醚不僅提取率相對較高,而且提取后土壤有機質(zhì)損失相對最少,所以實驗選取適宜的提取溶劑為石油醚。

        2.2 提取時間的影響

        在土樣與適宜提取劑的固液比為1∶5 g/mL、提取次數(shù)為1次的條件下,選取浸泡提取時間分別為2,6,12,24 h,超聲提取時間分別為5,10,15,20,25 min;同時分別設(shè)置三組平行實驗,浸泡提取和超聲提取時間對土壤中石油烴提取率的影響見圖3。

        圖3 浸泡提取(a)和超聲提取(b)時間對提取率的影響Fig.3 Effect of soaking extraction and ultrasonic extraction time on extraction rate

        由圖3可知,不論是浸泡提取還是超聲提取,石油烴提取率均先隨提取時間的增長而快速上升,然后分別在浸泡提取時間為12 h和超聲提取時間為20 min后逐漸放緩。這是因為在提取操作初期,固液間污染物濃度差很大,物質(zhì)傳遞速率大,提取率增幅大;隨著提取時間的延長,固液間污染物濃度趨近平衡,物質(zhì)傳遞速率很小,提取率增幅降低。而且,由于浸泡提取環(huán)境中的物質(zhì)傳遞速率很小,所以浸泡提取接近平衡所需時間很長;而超聲大大加快了污染物的溶出速率,所以超聲提取接近平衡所需時間很短。但在相同提取劑用量下,超聲提取率小于浸泡提取率,主要原因是超聲環(huán)境中的固液混合更加均勻,部分污染物重新被土壤吸附。因此,實驗選取浸泡提取時間為12 h,超聲提取時間為20 min。

        2.3 固液比的影響

        在浸泡提取時間為12 h和超聲時間為20 min、提取次數(shù)為1次的條件下,選取土樣與適宜提取劑的固液比為1∶1,1∶2.5,1∶5,1∶7.5,1∶10 g/mL;同時分別設(shè)置三組平行實驗,浸泡提取和超聲提取的固液比對土壤中石油烴提取率的影響見圖4。

        圖4 浸泡提取和超聲提取的固液比對提取率的影響Fig.4 Effect of soild-liquid ratio of soaking extraction and ultrasonic extraction on extraction rate

        由圖4可知,兩種提取方法的提取率均是先隨提取劑用量的增加(固液比的降低)而快速上升,并都在固液比為1∶5 g/mL后增幅放緩。這是由于在提取初期,固液間污染物濃度差大,提取速率隨著提取劑用量的增加而增大,所以提取率上升快;但在提取后期,固液間濃度差很小,物質(zhì)傳遞趨于平衡,提取速率不再隨著提取劑用量的增加而增大,所以提取率增幅放緩。因此,實驗選取浸泡提取和超聲提取兩種方法的固液比均為1∶5 g/mL。

        2.4 提取次數(shù)的影響

        在固液比為1∶5 g/mL、浸泡提取時間為12 h和超聲時間為20 min下,分別選取浸泡提取和超聲提取次數(shù)為1次、2次、3次;同時分別設(shè)置三組平行實驗,浸泡提取和超聲提取的提取次數(shù)對土壤中石油烴提取率的影響見圖5。

        圖5 浸泡提取與超聲提取的提取次數(shù)對提取率的影響Fig.5 The influence of extraction times of soaking extraction and ultrasonic extraction on extraction rate

        由圖5可知,兩種提取方法的提取率都是隨著提取次數(shù)的增多而增大,其中,浸泡提取3次提取差異不大;而超聲提取的第2次比第1次增幅較大(達7.59%),之后基本持平。這是由于單次浸泡提取所用提取時間很長,第1次浸泡提取后固液間的污染物濃度已接近平衡,即固體中污染物濃度很小,第2次提取時可提取出來的污染物量很少,累加后的提取率增幅不大;但在超聲提取中,第1次提取時因超聲的充分混合造成土壤重新吸附了部分污染物,即固體中污染物濃度較大,因此第2次提取時可提取出來的污染物量較多,累加后的提取率增幅較大。因此,實驗選取浸泡提取次數(shù)為1次,超聲提取次數(shù)為2次。

        綜上所述,利用石油醚浸泡提取土壤中的石油烴類物質(zhì),在固液比為1∶5 g/mL、提取時間為12 h、提取次數(shù)為1次的條件下,總石油烴的提取率達95.25%;利用石油醚超聲提取土壤中的石油烴類物質(zhì),在超聲功率為40 kHz、固液比為1∶5 g/mL、提取時間為20 min、提取次數(shù)為2次的條件下,總石油烴的提取率達96.85%。

        2.5 土壤處理前后的變化及其植株種植的情況對比

        鑒于超聲提取比浸泡提取的時間大大縮短,本文以采用石油醚為提取劑的超聲提取為例,對比考察原始污染土壤處理前后的變化及其植株種植情況。

        2.5.1 土壤石油烴含量的變化 超聲處理前后的土壤中石油烴含量的GC-MS測定結(jié)果見圖6。

        圖6 GC-MS檢測處理前后土壤中石油烴含量Fig.6 GC-MS detection of petroleum hydrocarbon content in soil before and after treatment

        由圖6可知,處理后的波峰強度和峰面積較處理前的整體大幅下降。即經(jīng)超聲提取2次(共40 min)后,土壤中的石油烴含量大幅降低,經(jīng)計算,去除石油烴污染物97.03%。

        2.5.2 土壤微觀結(jié)構(gòu)的變化 見圖7。

        圖7 處理前后土壤的SEM鏡檢圖Fig.7 SEM micrograph of soil before and after treatment

        由圖7可知,處理前的土壤團粒結(jié)構(gòu)較為致密,但仍有不規(guī)則與松散的現(xiàn)象,處理后的土壤更加平整,團粒結(jié)構(gòu)整體宛如一體,表面除少量殘余碎屑以外,幾乎沒有任何不規(guī)則的隆起與開裂現(xiàn)象。這是因為原始土壤團粒結(jié)構(gòu)因含有石油烴類物質(zhì)而形成,而此類團粒結(jié)構(gòu)顆粒之間結(jié)合較為緊密,形成土壤結(jié)塊,但正因為顆粒之間的結(jié)合因石油烴類物質(zhì)的存在,使得顆粒與顆粒之間存在間隙,團粒結(jié)構(gòu)受到了內(nèi)部石油烴物質(zhì)的影響,而相對脆弱不穩(wěn)定;而利用石油醚等溶劑提取土壤中石油烴類物質(zhì)的同時,也將損失土壤中的有機質(zhì)(見圖2),此類團粒結(jié)構(gòu)顆粒與顆粒之間沒有額外的物質(zhì)支撐,此時團粒結(jié)構(gòu)受內(nèi)部影響小,整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這與現(xiàn)有關(guān)于土壤容重以及有機質(zhì)含量與土壤板結(jié)現(xiàn)象發(fā)生的論述相符[8-10]。同時,與處理前由于疏水物質(zhì)存在導(dǎo)致土壤持水性降低不同,板結(jié)的土壤團粒,如圖7c、7d所示,接種之后使得土壤結(jié)構(gòu)緊實,降低了處理后的孔隙率,使得土壤團粒結(jié)構(gòu)更加粗糙平整,并削弱了土壤自身的團粒結(jié)構(gòu)持水性[11-13]。

        2.6 植株種植情況的比較

        植株室內(nèi)階段處理前后見圖8。

        圖8 植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤10 d(室內(nèi)階段)Fig.8 Plants are planted in soil before(a) and after(b) treatment for 10 d (indoor stage)

        由圖8可知,在室內(nèi)階段,植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤10 d,植株的生長狀況,除處理后土壤的植株更加茂密外,土壤處理前后的植株生長沒有太大的差異。植株正常生長后,移至室外自然環(huán)境,只進行必要補水,不再定期澆灌,但脫離室內(nèi)理想環(huán)境后,植株僅在48 h后就出現(xiàn)較大的差異,見圖9。

        由圖9a可知,生長于原始土壤中的植株出現(xiàn)大面積的倒伏與枯萎現(xiàn)象,而在圖9b中,除有輕微倒伏外,植株整體生長情況與室內(nèi)保持一致。處理前的植株雖在12 d 時,仍有新葉出芽,但整體體積偏小,在生長情況上與圖b存在明顯的滯后現(xiàn)象,這與Li[14]和Ravanbakhsh[15]關(guān)于石油烴對植物生長的抑制論述相符。

        圖9 植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤48 h(室外階段)Fig.9 Plants are planted in soil 48 h before(a) and after(b) treatment for 48 h (outdoor)

        圖10 植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤48 h后的發(fā)育情況(室外階段)Fig.10 The development of plants are planted in soil before(a) and after(b) treatment for 48 h (outdoor stage)

        由圖10的整株發(fā)育情況看,圖10a的植株主根短小,無側(cè)根出現(xiàn),根莖交匯處出現(xiàn)明顯膨脹腫塊結(jié)構(gòu),可能是土壤中的石油烴類物質(zhì)進入植物體造成的阻塞或病變;而圖10b中的植株迅速發(fā)育出側(cè)根以保證水的充足供給。而且通過繼續(xù)觀察,45 d后植株生長質(zhì)量與48 h相似(圖11)。

        圖11 植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤45 d后的發(fā)育情況(室外階段)Fig.11 The development of plants are planted in soil before(a) and after(b) treatment for 45 d (outdoor stage)

        由此可知,雖然利用石油醚提取土壤中的石油烴類污染物,損失了土壤的原始有機質(zhì),使土壤容易板結(jié),但植株種植研究發(fā)現(xiàn),處理后土壤的植株生長情況遠比有機質(zhì)含量高但受污染的原始土壤中更好。所以,本實驗利用石油醚提取土壤中的石油烴類污染物,具有實際意義的修復(fù)作用。

        3 結(jié)論

        (1)利用石油醚浸泡提取土壤中的石油烴類物質(zhì),在固液比為1∶5 g/mL、提取時間為12 h、提取時間為1次的條件下,總石油烴的提取率達95.25%。

        (2)利用石油醚超聲提取土壤中的石油烴類物質(zhì),在超聲功率為40 kHz、固液比為1∶5 g/mL、提取時間為20 min、提取次數(shù)為2次的條件下,總石油烴的提取率達96.85%。

        (3)盡管溶劑提取法修復(fù)總石油烴類污染場地將對土壤中的原始有機質(zhì)造成80%以上的損失,且隨著溶劑極性的增加而增加,土壤可持續(xù)性方面存在弊端,但是相對石油烴類污染物對土壤質(zhì)量及其植株種植質(zhì)量的損害而言,該方法短期內(nèi)仍具有修復(fù)作用。

        利用有機溶劑的修復(fù)方案是現(xiàn)今化學(xué)土壤修復(fù)主要技術(shù)手段之一,但在高效去除率的背后隱藏的是對土壤質(zhì)量的損害。土壤修復(fù)不僅僅是一個短期工程,而是關(guān)乎一個國家基礎(chǔ)長久延續(xù)的重點問題。以降低土壤使用壽命工程方案,與破壞土壤并無實質(zhì)性的區(qū)別,如何在保留土壤質(zhì)量的前提下,高效地去除污染物質(zhì),應(yīng)是今后科研成果轉(zhuǎn)化時應(yīng)該考慮的標(biāo)志。

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