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        基于Plackett-Burman設(shè)計的鉛污染土壤淋洗劑的篩選*

        2021-05-06 02:06:02呂迎春蘇成西黃竹珺
        云南化工 2021年2期
        關(guān)鍵詞:污染

        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(dú)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(diǎn)之一[5-6]。土壤淋洗修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)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(yàn)設(shè)計基于不完全平衡塊的原理,用最少的實(shí)驗(yàn)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?yàn)榕榔路较颍O(shè)計最陡爬坡實(shí)驗(yàn),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(yàn)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(shí)踐指導(dǎo)。

        1 材料和方法

        1.1 供試土壤

        實(shí)驗(yàn)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?。采用?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(shí)驗(yàn)用水均為超純水。

        1.3 實(shí)驗(yàn)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(yàn)設(shè)計

        基于單因素實(shí)驗(yàn)探究,設(shè)計Plackett-Burman試驗(yàn)的因素和水平條件,以土壤鉛的去除率作為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

        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?yàn)镋DTA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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)設(shè)計,根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計及測定結(jié)果

        2.3.2 Plackett-Burman試驗(yàn)分析

        根據(jù)試驗(yàn)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(shí)驗(yàn),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(yàn)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?yàn)椋篍DTA(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(yàn)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(yàn)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(yàn)進(jìn)一步尋找中心點(diǎn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究,結(jié)果見表6。由最陡爬坡試驗(yàn)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(diǎn)。

        圖8 效應(yīng)分析圖

        表6 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果

        2.3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

        對編號4進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),平行測定3次,得到鉛的去除率為76.33%,與最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果接近。比較分析不同實(shí)驗(yàn)條件下土壤鉛的去除效果,將Plackett-Burman試驗(yàn)篩選得到的淋洗劑組合與未篩選(單因素實(shí)驗(yàn))的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,可知,Plackett-Burman試驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(yàn)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。

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