CN104826863A

CN104826863A - 利用超声波和表面活性剂去除土壤中苯并[a]芘的方法

Info

Publication number: CN104826863A
Application number: CN201510267392.2A
Authority: CN
Inventors: 肖鹏飞; 吴德东
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2015-08-12

Abstract

本发明公开了一种利用超声波和表面活性剂去除土壤中苯并[a]芘的方法，其步骤如下：一、采集苯并[a]芘污染土壤后去除杂质，风干后研磨并过筛；二、将淋洗液与步骤一中的污染土壤倒入离心管中，并进行充分搅拌、混合，得到均匀的土壤浆体；三、将离心管置于超声波清洗器中超声处理；四、超声处理后，将离心管放入离心机中进行离心、过滤去除上清液；五、将土壤用去离子水替换淋洗剂在相同条件下超声处理，以去除残留在土壤中的淋洗液成分；六、通过离心、过滤将泥水分离，得到干净土壤，将土壤自然风干后用于污染场地的回填。该土壤修复方法简单易行，对设备要求不高，能耗少，操作方便。

Description

利用超声波和表面活性剂去除土壤中苯并[a]芘的方法

技术领域

本发明属于污染土壤修复技术领域，涉及一种利用超声波和表面活性剂协同修复苯并[a]芘污染土壤的方法。

背景技术

近年来伴随着化石燃料的使用及能源消耗的加剧，大量的多环芳烃通过各种途径排放到环境中。据预测，我国目前多环芳烃的年排放量在10000t以上，大气、土壤、水体甚至食品中都检测到该类污染物的存在。其中，具有5个芳香环结构的苯并[a]芘危害最大，已被证明具有很强的“三致效应”，其致癌毒性占多环芳烃总致癌性的50％以上。苯并[a]芘极不易溶于水，难降解性强，在土壤中可长期残留。因此，及时开发高效、快速的苯并[a]芘污染土壤的修复治理技术十分必要。苯并[a]芘的生物降解研究已有开展，但疏水性的苯并[a]芘在土壤中极易被土壤颗粒物牢固吸附，生物可利用性差，微生物难以降解，成为限制修复效率的主要因素之一。如何促使苯并[a]芘从土壤上解吸下来，提高其在土壤液相中的溶解度，成为提高苯并[a]芘污染土壤修复效率的关键因素。

超声波萃取作为一种新型的分离萃取技术，该方法操作简单，处理时间短，反应条件温和，已经应用于污染土壤的修复研究。超声波具有波动与能量双重属性，使物质形成很多空穴，这些小空穴瞬间生成、生长、崩溃，能够产生高温、高压、强烈的冲击波和微射流，即产生空化效应。空化效应使界面扩散层上分子扩散加剧，加快污染物的渗出速度，提高提取率，从而在物理上达到解吸附的作用。超声波还能通过释放强的高频声波，使土壤颗粒振动、微裂，从而增加土壤与淋洗液的接触面积。同时，淋洗液的选择同样被认为是影响污染物解吸去除效率的关键因素之一。近年来，利用表面活性剂的增溶特性解吸土壤中疏水性有机污染物得到国内外广泛的关注。表面活性剂分子具有亲水和亲油的双重特性，可形成胶束以增加疏水性有机物的溶解度，进而促进土壤颗粒吸附的有机物从土壤向液相释放，该技术能短时间内快速、高效净化高浓度的土壤污染，而且处理费用较为低廉，被认为是最有潜力的土壤修复技术之一。将超声波的空化效应与表面活性剂的增溶作用联合进行土壤修复，在利用表面活性剂的增溶能力提高超声波对污染物的解吸效果的同时，超声波也会大幅度降低表面活性剂在土壤上的吸附，稳定表面活性剂的有效浓度，有望可以达到比单一修复技术更佳的土壤修复效率。目前国内鲜见利用两种技术共同修复有机污染土壤的研究，因此开发超声波和表面活性剂联合处理有机污染土壤的技术具有重要的理论意义和应用前景。

发明内容

针对现有土壤修复技术的不足，本发明提供了一种利用超声波和表面活性剂去除污染土壤中苯并[a]芘方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用超声波和表面活性剂去除土壤中苯并[a]芘的方法，包括如下步骤：

一、采集苯并[a]芘污染土壤后去除石块、根茎等杂质，风干后研磨并通过20～80目的土壤筛；

二、将淋洗液与步骤一中的污染土壤按照体积(ml)重量(g)比10～15:1的比例倒入离心管中，并进行充分搅拌、混合，得到均匀的土壤浆体；

三、将离心管置于超声波清洗器中，调节超声输出频率在20～80KHz之间，超声输出功率在200～800W之间，将水温控制在15～30℃，处理时间设为30～60min；

四、超声处理后，将离心管放入离心机中进行离心、过滤去除上清液，对于苯并[a]芘污染时间长、浓度较高的土壤，经水土分离后的土壤可重复步骤二～三1～2次；

五、将土壤用去离子水替换淋洗剂在与步骤二、三相同条件下超声处理5～10min，以去除残留在土壤中的表面活性剂等淋洗液成分；

六、通过离心、过滤将泥水分离，得到干净土壤，将土壤自然风干后用于污染场地的回填。

本发明中，所述的淋洗液由非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、无机盐和溶剂组成，具体组成如下：非离子表面活性剂Tween80和阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的质量比为3～4：1，Tween80和SDS在洗脱液中的总浓度为4.0～10.0g/L，无机盐为K₂SiO₃或K₂CO₃，浓度为0.5～1.0g/L，溶剂为水。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明中使用的土壤淋洗液中所采用的Tween80和SDS增溶能力强、洗脱效果好，而且均已经商品化生产，使用成本低。本发明采用Tween80和SDS组合作为淋洗液主要成分，其中Tween80可降低SDS的Krafft点，提高抗硬水能力，减少在土壤中的沉淀损失；而SDS又能减少Tween80在土壤矿物上的吸附损失，增加其有效浓度。

2、本发明利用超声波的空化效应与表面活性剂的增溶作用共同处理污染土壤，可产生协同修复的效果。比如，一定浓度的表面活性剂通过产生大量胶束可以大幅度提升超声波对污染物的解吸效果，而超声处理对污染物解吸的同时，也避免了传统淋洗方法中常出现的表面活性剂在土壤中的吸附损失，保证了表面活性剂的有效浓度，从而提高了土壤中苯并[a]芘的去除效果。

3、该土壤洗脱剂中的K₂SiO₃或K₂CO₃可以通过与表面活性剂的相互作用降低疏水性有机物在液相中的界面张力，提高有机物向水相的迁移扩散能力；还能通过水解产生的大量离子压缩表面活性剂离子头的离子氛厚度，促进胶束形成，提高表面活性剂的增溶解吸能力。

4、苯并[a]芘的解吸动力学实验表明，该方法在处理30～60min内的苯并[a]芘去除效果即可达到平衡。相比于表面活性剂洗脱修复方法往往要处理12h甚至更长时间，该方法大大节省了土壤处理时间。

5、本发明中最后用去离子水替换淋洗液洗脱土壤，目的在于洗掉残留在土壤中的表面活性剂及无机盐等，避免了淋洗液成分进入到修复后的土壤，不会导致土壤残留及二次污染。

6、该土壤修复方法简单易行，对设备要求不高，能耗少，操作方便。

7、本发明不仅适用于苯并[a]芘污染土壤的洗脱修复，同时对土壤中的其他多环芳烃等有机污染物也具有很好的洗脱去除效果，应用范围较广。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

将一定量的苯并[a]芘溶于二氯甲烷溶剂中使其充分溶解，并将其均匀喷洒到灭菌土壤中，自然风干使有机溶剂挥发，将其放置于无菌黑暗环境中老化1个月，制得浓度为30mg/kg的苯并[a]芘模拟污染土壤。准确称取3.0g的苯并[a]芘污染土壤放入50ml的塑料离心管中，加入30ml已配制好的土壤淋洗液(3.0g/LTween80、1.0g/LSDS、1.0g/LK₂SiO₃、溶剂为水)并充分混匀成泥浆状(固液比1：10)，盖上盖子后将离心管置于槽式超声波清洗器中，超声频率为60KHz，超声输出功率为500W，30℃条件下处理30min。处理后的样品经过离心(3000r/min，5min)处理后过滤，将土壤用去离子水超声处理10min，过滤后得到修复后的土壤。利用气相色谱仪测定土壤中残余苯并[a]芘的浓度，得出该条件下土壤中苯并[a]芘的去除率为62.31％。

实施例2

本实施例所用苯并[a]芘污染土壤同实施例1，将淋洗液中Tween80的浓度提高为8.0g/L，SDS的浓度提高为2.0g/L，其它处理条件不变，经处理后土壤中苯并[a]芘的去除率为72.68％。

实施例3

本实施例所用苯并[a]芘污染土壤同实施例1，将淋洗液中K₂SiO₃替换为相同浓度的K₂CO₃，其它处理条件不变，经处理后土壤中苯并[a]芘的去除率为59.87％。

实施例4

本实施例所用苯并[a]芘污染土壤同实施例1，称取2g土壤加入离心管，使固液比为1：15，其它处理条件不变，经处理后土壤中苯并[a]芘的去除率为67.81％。

实施例5

本实施例所用苯并[a]芘污染土壤同实施例1，超声频率分别设置为20、40和80KHz，其它处理条件不变，经处理后土壤中苯并[a]芘的去除率分别为58.61％、63.84％和64.13％。

实施例6

本实施例所用苯并[a]芘污染土壤同实施例1，超声输出功率分别设置为200、400、600和800W，其它处理条件不变，经处理后土壤中苯并[a]芘的去除率分别为29.15％、46.58％、71.98％和76.69％。

实施例7

本实施例所用苯并[a]芘污染土壤同实施例1，超声处理时间为40、50和60min，其它处理条件不变，经处理后土壤中苯并[a]芘的去除率分别为66.37％、69.32％和71.35％。

实施例8

所用苯并[a]芘污染土壤及处理方法同实施例1，更换新淋洗液反复超声处理2次和3次后，土壤中苯并[a]芘的去除率分别为76.87％和85.81％。

Claims

1.一种利用超声波和表面活性剂去除土壤中苯并[a]芘的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、采集苯并[a]芘污染土壤后去除杂质，风干后研磨并过筛；

二、将淋洗液与步骤一中的污染土壤按照体积重量比10～15:1的比例倒入离心管中，并进行充分搅拌、混合，得到均匀的土壤浆体；

四、超声处理后，将离心管放入离心机中进行离心、过滤去除上清液；

五、将土壤用去离子水替换淋洗剂在与步骤二、三相同条件下超声处理5～10min，以去除残留在土壤中的淋洗液成分；

2.根据权利要求1所述的利用超声波和表面活性剂去除土壤中苯并[a]芘的方法，其特征在于所述苯并[a]芘污染土壤过20～80目的土壤筛。

3.根据权利要求1所述的利用超声波和表面活性剂去除土壤中苯并[a]芘的方法，其特征在于所述淋洗液由非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、无机盐和溶剂组成，具体组成如下：非离子表面活性剂Tween80和阴离子表面活性剂SDS的质量比为3～4：1，Tween80和SDS在洗脱液中的总浓度为4.0～10.0g/L，无机盐为K₂SiO₃或K₂CO₃，浓度为0.5～1.0g/L，溶剂为水。

4.根据权利要求1所述的利用超声波和表面活性剂去除土壤中苯并[a]芘的方法，其特征在于所述步骤四中，对于苯并[a]芘污染时间长、浓度较高的土壤，经水土分离后的土壤可重复步骤二～三1～2次。