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表面活性剂在污染土壤修复中的应用

北极星环保网来源:湖南农业大学学报 张永2018/5/8 10:52:22我要投稿

北极星环保网讯:化学淋洗技术是指借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移作用的溶剂,通过压力将其注入到被污染土层中,然后把含有污染物的液体从土层中抽提出来,进行污水处理而分离污染物的技术.

淋洗剂可以是清水,也可以是包含冲洗助剂的溶液.淋洗剂可以循环再生或多次注入地下水来活化剩余的污染物[1].由于化学淋洗过程的主要技术手段在于向污染土壤中注射溶剂或化学助剂,因此提高污染土壤中污染物的溶解性和它们在液相中的可迁移性是实施该技术的关键.这种溶剂或化学助剂应该具有增溶、乳化效果,或能改变污染物化学性质.近年来研究人员围绕表面活性剂做了大量工作,利用表面活性剂增效修复(surfactant-enhancedremediation,SER)去除地下含水层中的非水相液体以及土壤颗粒物上污染物的研究,已经成为环境和土壤化学领域中的研究热点.该技术正是利用了表面活性剂对污染物环境行为的作用.

1表面活性剂

表面活性剂是指少量加入就能显著降低溶剂表(界)面张力,并具有亲水、亲油和特殊吸附等特性的物质.表面活性剂分子的结构中含有极性的亲水基和非极性的亲油基两部分.表面活性剂分子的亲油基一般由烷基构成,而亲水基则是由各种极性基团组成,种类繁多.

因此,表面活性剂在性质上的差异,除与烷基的大小和形状有关外,主要与亲水基团的类型有关.亲水基团在种类和结构上的改变远比亲油基团的改变对表面活性剂的影响要大,所以表面活性剂一般以亲水基团的结构为依据来分类.按亲水基是否带电荷将表面活性剂分为离子型和非离子型两大类.

离子型表面活性剂在水中能够电离,形成带正电荷、负电荷或同时带正电荷和负电荷的离子.带正电荷的称为阳离子表面活性剂,带负电荷的称为阴离子表面活性剂,同时带有正电荷和负电荷的则称为两性表面活性剂.非离子型表面活性剂分子在水中不电离,呈电中性[2-3].

表面活性剂的亲水基与水分子作用,使表面活性剂引入水相,而亲油基与水分子相排斥,与非极性或弱极性分子作用,使表面活性剂分子引入油相(溶剂).通常用亲水亲油平衡系数(hyhile-lipophilebalance,HLB)来表示表面活性剂的亲水性.

表面活性剂溶于水后,在低浓度时它是以单分子状态分散在水中或吸附在界面上的,当其浓度增加时,由于界面已被表面活性剂占满,为保持在水中的稳定,表面活性剂开始靠分子间引力而相互聚集,逐渐形成类似球状的聚集体,这种聚集体称为胶束.表面活性剂在溶液中形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度(criticalmicelleconcentration,CMC).

溶液中表面活性剂胶束和单体对有机物具有增溶作用,提高有机污染物在溶液中的溶解度,进而影响有机物在水体表面的挥发及其在土壤、沉积物、悬浮颗粒物上的吸附,其络合特性将使重金属在土壤(沉积物)上的形态、迁移规律发生变化.这些性质将影响到有机污染物和重金属污染物的环境化学行为和生物有效性.

2表面活性剂在有机污染土壤修复中的应用

2.1表面活性剂的增溶洗脱作用

有机污染物的水溶性是其在环境中迁移转化的一个重要影响因素.有些有机污染物是微溶于水的,习惯上称其为非水相液体(non-aqueousphaseliquids,NAPLs),又分为轻非水相液体(LNAPLs)、重非水相液体(DNAPLs).NAPLs在迁移过程中通过滞留、溶解、挥发等过程污染土壤、水体和空气.NAPLs在地下的运移和分布受很多因素控制,如NAPLs本身的物理化学性质、土壤的性质、NAPLs的渗漏条件等.尤其是DNAPLs污染的修复非常困难,如三氯乙烯(TCE)、多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)等,而这些物质常常和重金属或放射性物质并存,使得问题更加复杂[4].

增溶作用是指表面活性剂的存在能使NAPLs的溶解度显著增大的现象.表面活性剂的增溶作用是其影响有机污染物在环境中迁移转化的重要特性.由于表面活性剂增溶作用具有应用于有机污染土壤和地下水修复的良好前景,国内外对表面活性剂增溶难溶有机物进行了大量研究.

陈宝梁等[5]研究发现,在浓度低于CMC时,对苊的增溶,TritonX-100与SDS相当,都大于CTMAB;浓度高于CMC时,SDS增溶与TritonX-100相当,都低于CTMAB.Doong等[6]研究表明非离子表面活性剂TritonX-100

对苯乙烯的溶解度几乎没有影响,而阴离子表面活性剂SDS使苯乙烯的溶解度提高了20%~43%.Zhu等[7]研究发现,混合表面活性剂对PAHs的增溶能力比单一表面活性剂强.由此可见,表面活性剂的种类和浓度、胶束的结构、有机物(被增溶物)的性质等都会对表面活性剂的增溶作用产生影响.

由于表面活性剂能大大提高有机污染物在水中的溶解度,其在土壤及地下水有机污染修复中的应用已引起广泛关注.表面活性剂的使用不仅大大提高洗脱效率,还缩短了修复所需时间.不同表面活性剂对有机污染物的洗脱效果不同.有研究表明,当表面活性剂浓度低于CMC时,SDS仅仅能增强高有机质含量土壤上莠去津的洗脱去除作用,而当表面活性剂浓度高于CMC时,所有土壤中莠去津脱附作用都有所增强,其增强幅度取决于土壤有机质含量的大小[8].

Park等[9]研究发现,五氯苯酚(PCP)在土壤中的含量为200mg/kg时,5g/L的非离子表面活性剂DNP10溶液能洗脱71%~79%的PCP,而不用表面活性剂只能洗脱0.7%~2%.而Mulligan等[10]的研究结果表明,PCP在土壤中含量为1000mg/kg时,TritonX-100能洗脱85%的PCP,而鼠李糖脂只能洗脱61%.Juan等[11]研究发现,表面活性剂的量接近土壤饱和量时会增强对杀虫剂的洗脱作用,而当表面活性剂的量远远低于土壤饱和量时,表面活性剂将被土壤所吸附,其疏水性增强,则对杀虫剂的脱附减弱,即增强了土壤对杀虫剂的吸附.Chu等[12]研究发现,丙酮等有机溶剂的存在能提高表面活性剂对污染物的洗脱效果.

2.2表面活性剂的增强吸附固定作用

2.2.1固定—微生物降解相结合方法

研究表明,截留于吸附态表面活性剂中的有机污染物可直接被微生物利用降解,因此用表面活性剂增强截留有机污染物,同时投加微生物菌种降解有机污染物,是非常有潜力的土壤和地下水有机污染修复技术之一[13-14].利用土壤和蓄水层物质中含有的粘土,在现场注入阳离子表面活性剂,使其形成有机粘土矿物,用来截留和固定有机污染物,防止地下水进一步污染,并配合生物降解等手段,永久地消除地下水污染[15].

2.2.2固定—洗脱相结合方法

将阳离子表面活性剂注入到地下水层中,形成可渗透的截留区域固定有机污染物,再结合有机污染物的去除过程,是可行的土壤及地下水污染修复方式.增强固定—洗脱修复方法是将阳离子表面活性剂注入到地下水层中,形成可渗透的截留区域固定有机污染物,再利用非离子表面活性剂或阴离子表面活性剂增溶作用,洗脱吸附在阳离子表面活性剂上的有机污染物,并将表面活性剂增溶的有机污染物从地下抽到地面进行处理.Hayworth等研究了用非离子表面活性剂CO730洗脱在HDTMA有机粘土上的1,2,3-三氯苯(TCB),结果表明,当用质量浓度为50g/L,用量为12倍柱体积的CO730洗脱,能完全去除吸附态的TCB,主要是由于HDTMA有机粘土上少量的HDTMA与CO730形成混合表面活性剂,使CO730的临界胶束浓度降低了17倍,提高了CO730的洗脱能力[16].

延伸阅读:

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