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表面活性剂在柴油污染土壤洗涤中的应用 ① 吕璠璠, 陈泉源 (东华大学 环境科学与工程学院 国家环境保护纺织污染防治工程技术中心, 上海 201620) 摘 要 采用表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(LAS)、辛基酚聚氧乙烯醚(TX-100)和聚氧乙烯失水山梨醇单油 酸酯(Tween-80)洗涤柴油污染土壤,研究了表面活性剂浓度、pH 值、助剂硅酸钠浓度、液固比、洗涤时间、搅拌强度和温度对污染土壤 洗涤效果的影响。 研究结果表明,SDS、LAS、TX-100 和 Tween-80 最佳浓度分别为 3,4,0.8 和 0.06 g/ L;助剂硅酸钠浓度对阴离子表面 活性剂(SDS、LAS)洗涤基本没有影响,但较高的硅酸钠浓度(大于 5 g/ L)对非离子表面活性剂(TX-100、Tween-80)洗涤有强化作用; 在 pH>6、搅拌强度 200 r/ min、液固比 20∶1、常温搅拌 30 min 条件下,LAS 的洗涤效果显著,柴油去除率可达 90%以上。 关键词 土壤洗涤;表面活性剂;柴油;洗涤效率 中图分类号 X53文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.02.023 文章编号 0253-6099(2015)02-0094-05 Application of Surfactants in Washing of Diesel⁃oil⁃contaminated Soil L Fan⁃fan, CHEN Quan⁃yuan (School of Environmental Science and Engineering, State Environmental Protection Textile Pollution Control Engineering Technology Center, Donghua University, Shanghai 201620, China) Abstract Surfactants including SDS, LAS, TX-100 and Tween-80 were used as detergents for washing diesel⁃oil⁃ contaminated soil. The influences of surfactant concentration, pH value, sodium silicate concentration, liquid/ solid ratio, washing time, stirring speed and temperature on the washing effect were studied. It was demonstrated that the optimum surfactant concentration was 3 g/ L, 4 g/ L, 0.8 g/ L and 0.06 g/ L for SDS, LAS, TX-100 and Tween-80, respectively. Sodium silicate exhibited no effect on the washing performance of anion surfactants (SDS or LAS), but relatively higher concentration of sodium silicate (>5 g/ L) enhanced the washing effects of non⁃ionic surfactants (TX-100 or Tween-80) on diesel⁃oil⁃contaminated soil. Under the conditions of pH>6, stirring speed at 200 r/ min, liquid/ solid ratio as 20∶1, washing at room temperature for 30 min showed an evident washing efficiency of LAS, resulting in removing rate of diesel oil up to 90%. Key words soil washing; surfactants; diesel oil; washing efficiency 每年全世界约有 800 万吨石油经跑、冒、滴、漏等 途径进入环境,污染土壤、地下水、河流和海洋[1]。 受 到石油污染的土壤,结构和功能受到破坏,理化性质发 生改变,被石油污染严重的土壤,植物、微生物难以存 活,限制了生物修复的应用[2]。 石油类污染物多为疏 水性有机物(hydrophobic organic contaminants, HOC), 能长时间存在于土壤基质中,释放非常缓慢[3-4],主要 取决于毛细力的大小,而毛细力与油水界面张力、接触 角和孔隙大小有关,因此降低界面张力,进而降低毛细 压力有利于去除土壤中的残留油[5]。 土壤洗涤(soil⁃washing)技术是将污染土壤经过预 处理后与洗涤液在反应器中混合,在一定条件下,借助 搅拌等外力的辅助,使污染土壤和洗涤液发生作用,待 土壤中大部分污染物转移至液相后,进行固液分离。 洗涤后的土壤回填,洗涤液经处理后排放或回用[6-7]。 该技术修复效果显著,得到了广泛应用[8]。 本研究选取常见而易得的 4 种表面活性剂 SDS、 LAS、TX-100 和 Tween-80 洗涤柴油污染土壤,研究了 主要参数对洗涤效果的影响,分析了各种影响因子在 洗涤过程中的作用。 ①收稿日期 2014-10-25 基金项目 国家自然科学基金项目(21277023) 作者简介 吕璠璠(1988-),女,河南新乡人,硕士研究生,主要从事石油污染土壤修复方面研究。 通讯作者 陈泉源(1962-),男,湖北应城人,博士研究生导师,教授,主要从事环境污染控制工程研究。 第 35 卷第 2 期 2015 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №2 April 2015 1 实验材料与方法 1.1 实验材料 实验所用土壤采自上海市松江区东华大学校园,距 离地表 0.5~20 cm 的未污染土壤,经室内自然风干、去 除枯叶和碎石等杂质、破碎研磨,过 20 目(0.85 mm)筛 后备用。 经测定,该土壤属于粘土质地,含水率 2.5%, pH 值 8.2(水土质量比为 5 ∶1),有机碳含量(以干重 计)0.73%。 实验所用目标污染物是密度为 0.841 g/ cm3的 0# 柴油。 采用均匀混合的方法制备初始含油量为 10% 的污染土样,即称取 0#柴油 20 g,溶解于 250 mL 丙酮 溶液后,边搅拌边加入到 200 g 清洁土壤中,常温避光 条件下自然风干老化,每日搅拌 2 次,待丙酮挥发完全 后继续自然老化 10 d 后密封储存备用。 1.2 试剂与仪器 试剂(均为分析纯)十二烷基硫酸钠(SDS),十二 烷基苯磺酸钠(LAS),辛基酚聚氧乙烯醚(TX-100), 聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯(Tween-80),0#柴油, 石油醚(60~90 ℃),丙酮,无水乙醇,单宁酸,98%浓 硫酸。 表面活性剂性质见表 1[2,9]。 表 1 表面活性剂的性质 名称分子式类型 相对分子 质量 CMC / (mgL -1 ) HLB SDS C12H25SO4Na 阴离子288.381 58651.4 LASC18H29SO3Na阴离子348.48940.4810.6 TX-100 C34H62O11 非离子646.86155.8318.7 Tween-80C64H124O26非离子1 309.7058.9315.0 仪器Thermo 高速冷冻离心机,KQ-250DB 型数 控超声波清洗器,T6 新世纪紫外可见分光光度计, DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器,FA2004B 惠普 电子天平,雷磁 PHS-3D pH 计,DZG-6050 型真空干 燥箱。 1.3 实验方法 洗涤实验中,准确称取 2 g 污染土样和一定浓度 的表面活性剂溶液,在200 r/ min 下搅拌30 min。 搅拌 结束后在转速 7 000 r/ min 下离心 10 min,准确量取上 清液 20 mL 测定柴油质量浓度。 1.4 测试方法 采用石油醚超声萃取⁃紫外分光光度法测定洗涤 废液中柴油的质量浓度[10-14]。 测定条件为用石油醚 超声萃取2 次,每次加入20 mL 石油醚,超声功率100 W, 频率 40 kHz,超声萃取时间 15 min,合并 2 次萃取液, 以石油醚为参比用25 mL 比色管,在波长 225 nm 下测定 溶液吸光度。 每个实验均设 2 组平行样,最后的数值 取算术平均值。 洗涤废液是水、油、微量土壤悬浮细颗粒及表面活 性剂的混合体系,在石油醚萃取过程中会出现乳化现 象,干扰测定[9],因此,对于含有阴离子表面活性剂 (SDS、LAS)的洗脱液[15],加入 10 mL 体积分数为 50% 的 H2SO4破乳,若有泡沫则加入几滴乙醇消除;对于 含有非离子表面活性剂(TX-100、Tween-80)的洗脱 液,加入约 0.1 g 的单宁酸破乳并生成絮状沉淀[16],静 置 30 min 后进行测定。 2 实验结果与讨论 2.1 表面活性剂浓度对洗涤效果的影响 液固比为 20∶1,搅拌强度为 150 r/ min,在常温下 搅拌 30 min,表面活性剂浓度对洗涤效果的影响如图 1 所示。 柴油去除率的大小顺序为LAS>SDS>TX-100> Tween-80。 LAS、TX-100、Tween-80 对柴油的洗涤效 果随浓度增大而增大;LAS 洗涤作用较强,对土壤中柴 油去除率可达 95.2%,而 Tween-80 仅为 24.2%,洗涤 作用弱。 TX-100 洗涤效果优于 Tween-80,在浓度为 0.8 g/ L 时去除率为 58.2%。 表面活性剂 SDS 在浓度 为 3 g/ L 时,洗涤效果较好,去除率达到 56.3%。 实验 中选取的最佳浓度分别为SDS 3 g/ L,LAS 4 g/ L, TX-100 0.8 g/ L,Tween-80 0.06 g/ L。 图 1 表面活性剂浓度对洗涤效果的影响 表面活性剂可降低油类物质与土壤颗粒接触处的 界面张力,使油类物质从土壤表面卷离,这一作用在低 于临界胶束浓度时就能发生[17];当浓度达到或大于临 界胶束浓度时,表面活性剂在溶液中形成胶束,对难溶 的柴油物质发生增溶作用,从土壤上解吸下来分配到 水相中,增大柴油的去除率[18-19]。 阴离子表面活性剂 与土壤颗粒同呈负电性,在混合液中不易被吸附到土 壤颗粒上,使得溶液中表面活性剂剂量变化小,增加颗 粒的分散性[20],增溶作用较好;非离子表面活性剂易 59第 2 期吕璠璠等 表面活性剂在柴油污染土壤洗涤中的应用 与土壤颗粒表面形成氢键而发生吸附作用,甚至深入 颗粒内部,使液体中表面活性剂浓度减小,减弱了非离 子表面活性剂的去污效果[21]。 2.2 pH 值对洗涤效果的影响 取表面活性剂 SDS、LAS、TX-100 和 Tween-80 的 浓度分别为 3,4,0.8 和 0.06 g/ L,搅拌强度 200 r/ min, 在常温下搅拌 30 min,液固比为 20 ∶1,pH 值对洗涤效 果的 影 响 如 图 2 所 示, 表 面 活 性 剂 SDS、 LAS 和 TX-100 在清洗过程中的洗涤作用随着 pH 值增大而 增大,在 pH 值为 8 以上时趋向平稳。 pH 值的改变对 非离子 Tween-80 洗涤效果影响不大,pH 值为 6 时洗 涤效果较好。 洗涤作用顺序为LAS>TX-100>SDS> Tween-80。 图 2 pH 值对洗涤效果的影响 在强酸性条件下,洗涤搅拌结束后,土壤颗粒迅速 沉降下来,液相部分较为澄清;在碱性条件下,溶液呈 悬浊液,固体相较难沉降。 pH 值增大,表面活性剂分 子所带负电荷增多,分子间排斥力增大,使胶团结构变 小[22]。 pH 值对油水界面张力有一定影响,增强碱性 的过程中,碱类物质和土壤表面发生相互作用,改变了 土壤的表面结构及电性质,同时碱类物质与有机酸和 酸性组分发生作用,生成表面活性物质,有利于油类物 质在溶液中的洗脱和分散作用[23]。 2.3 助剂硅酸钠浓度对洗涤效果的影响 取表面活性剂 SDS、LAS、TX-100 和 Tween-80 的 浓度分别为 3,4,0.8 和 0.06 g/ L,搅拌强度 200 r/ min, 常温下搅拌 30 min,液固比为 20 ∶1,加入体积比为 1∶20 的助剂硅酸钠,助剂质量浓度对洗涤效果的影响 如图 3 所示。 硅酸钠的加入对阴离子表面活性剂 SDS 和 LAS 的影响较小,柴油洗脱率分别达到 56.4%和 89.1%,但对非离子表面活性剂 TX-100 和 Tween-80 有显著影响,随着浓度增加,洗涤作用显著增大,并在 质量浓度为 5 g/ L 时开始趋于平稳;硅酸钠投加量分 别为 12 g/ L 和 15 g/ L 时,柴油去除率分别为 62.1%和 51%,洗涤效果较好。 图 3 助剂硅酸钠浓度对洗涤效果的影响 硅酸钠影响溶液的 pH 值,能与油类物质中的酸 性组分反应生成盐,增加油的水溶性[24];硅酸钠作为 一种电解质加入溶液中,可压缩胶团的双电层,增加表 面活性剂分子之间的接触,使更多的离子进入胶团 中[25],胶团聚集数增加且稳定,形成的新胶束临界浓 度下降,表面活性剂的溶解性增加,溶液的增溶作用 增强。 2.4 液固比对洗涤效果的影响 取 SDS、LAS、TX-100 和 Tween-80 表面活性剂浓 度分别为 3,4,0.8 和 0.06 g/ L,搅拌强度 200 r/ min,在 常温下搅拌 30 min,液固比对洗涤效果的影响如图 4 所示。 随着液固比增加,4 种表面活性剂去除污染物的 效果显著增大,总体去除效果阴离子表面活性剂优于非 离子表面活性剂,即 LAS>SDS>TX-100>Tween-80。 液 固比为20∶1时,柴油洗涤率分别为51.8%,89.4%,56.8% 和 21.3%。 实验选择液固比为 20∶1进行研究。 图 4 液固比对洗涤效果的影响 液固比过小不利于搅拌,表面活性剂与土壤形成 泥状物质,使颗粒难以与液相充分接触,油类物质很难 从固相转移至液相胶束内部,造成洗涤效率低下。 液 固比增大,颗粒接触液相面积增加,增溶效果就好,土 壤中油类物质残留量减少[8]。 然而,过大的液固比洗 涤所产生的废液量越多,除了增加后续处理费用,也增 69矿 冶 工 程第 35 卷 加了表面活性剂的消耗量,提高了成本。 综合来看,液 固比在 8∶1~20∶1之间较合适。 2.5 洗涤时间对洗涤效果的影响 选取 SDS、LAS、TX-100 和 Tween-80 浓度分别为 3,4,0.8 和0.06 g/ L,液固比20∶1,在常温下搅拌,搅拌 强度 200 r/ min,洗涤时间对洗涤效果的影响如图 5 所 示。 SDS、LAS、TX-100 和 Tween-80 在洗涤时间分别 为 30,60,90,60 min 时洗脱效率达到 58%,92.2%, 57 8%和 29.2%。 LAS 的洗涤效果优于其他 3 种表面 活性剂。 图 5 洗涤时间对洗涤效果的影响 洗涤搅拌时间过短,表面活性剂不能与污染物充 分接触,洗涤作用较弱;当洗涤时间达到一定值后,易 溶的污染物大部分进入表面活性剂溶液中;继续增加 洗涤时间,一方面可使已从土壤颗粒表面解吸出来的 油滴或表面活性剂又吸附到颗粒表面,另一方面油水 混合液可能形成乳化液,在增加洗涤费用的同时加大 了后续洗涤液的处理难度[6]。 因此适宜洗涤时间为 30 min。 2.6 搅拌强度对洗涤效果的影响 表面活性剂 LAS 4 g/ L,液固比为 20 ∶1,在一定搅 拌速度下常温搅拌 30 min,洗涤效果如图 6 所示。 随 着搅拌强度增加,土壤中柴油去除率增加。 提高搅拌 强度一方面能增强土壤颗粒表面之间的摩擦作用,通 图 6 搅拌强度对洗涤效果的影响 过颗粒间的相互碰撞降低土壤表面对油的吸附力,使 油滴逐渐卷缩脱离土壤表面;另一方面能通过外力作 用促进表面活性剂溶液与土壤颗粒、油滴的充分接 触[17]。 在转速为 200 r/ min 时可达到 90%的去除率。 搅拌强度过大,除增加能耗外,还可能形成油水乳化 液[6],不利于后续废液的处理及回用。 适宜搅拌强度 为 200 r/ min。 2.7 温度对洗涤效果的影响 表面活性剂 LAS 4 g/ L,液固比为 20 ∶1,搅拌强度 为 200 r/ min,搅拌时间为 30 min,温度对洗涤效果的 影响如图 7 所示。 随着温度升高,柴油洗脱效率增加。 温度为 70 ℃时洗涤效果较好,由于差别不大,选择常 温下搅拌即可。 图 7 温度对洗涤效果的影响 一般来说,温度影响油在土壤表面的吸附与解吸 过程,升高温度既可提高表面活性剂洗涤污染物的效 率,又可降低油的粘度,增加油的流动性,增加液相和 固相表面分子碰撞接触的次数,促使洗涤液与污染物 充分作用[26]。 3 结 论 1) 考察了表面活性剂浓度、pH 值、助剂硅酸钠浓 度、液固比、洗涤时间、搅拌强度及温度 7 个影响因素 对柴油污染土壤的洗涤效果影响。 表面活性剂浓度、 液固比、pH 值和助剂硅酸钠对柴油污染土壤的洗脱有 较大影响,而洗涤时间、搅拌强度和温度的影响较小。 2) 4 种表面活性剂 SDS、LAS、TX-100、Tween-80 的浓度分别为 3,4,0.8 和 0.06 g/ L 时洗涤效果较好; TX-100和 Tween-80 在助剂硅酸钠浓度大于 5 g/ L 时,洗涤效果改善;SDS、TX-100、 LAS 和 Tween-80 的 最佳洗涤时间分别为 30,90,60 和 60 min。 3) 阴离子表面活性剂 LAS 洗涤效率大于 90%; 其他 3 种表面活性剂在最佳洗涤条件下洗涤效率可达 到 50%左右。 79第 2 期吕璠璠等 表面活性剂在柴油污染土壤洗涤中的应用 参考文献 [1] 李永涛,吴启堂. 土壤污染治理方法研究[J]. 农业环境保护, 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