離子液體-蘋果酸淋洗修復(fù)礦區(qū)鉛污染土壤的研究

鄭 琰，劉興元，張建強(qiáng)

(普洱學(xué)院 生物與化學(xué)學(xué)院，云南 普洱 665000)

0 引言

隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，土壤重金屬污染加劇，礦區(qū)周邊農(nóng)耕土壤重金屬污染也備受關(guān)注，如滇南耕地土壤由于受到其背景值和礦業(yè)發(fā)展的影響，屬于典型的重金屬?gòu)?fù)合污染礦區(qū)(主要含有Pb、As、Cd)，礦區(qū)及周邊農(nóng)田土壤的綜合污染程度較高，Nemero指數(shù)最高達(dá)到132[1]，嚴(yán)重威脅周邊居民生活健康。因此，有必要針對(duì)礦區(qū)周邊重金屬污染耕地土壤研發(fā)有效的修復(fù)技術(shù)。

土壤淋洗修復(fù)技術(shù)是通過(guò)將淋洗劑加入重金屬污染的土壤中，淋洗劑與重金屬在接觸過(guò)程中發(fā)生理化反應(yīng)，重金屬與土壤顆粒解吸，由固相轉(zhuǎn)移至液相中，增強(qiáng)重金屬的活性[2]。常用重金屬淋洗劑主要有無(wú)機(jī)淋洗劑、螯合劑以及表面活性劑[3]，其中，有機(jī)酸淋洗劑是通過(guò)酸的溶解作用，與土壤中重金屬形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，有利于難溶態(tài)的土壤重金屬發(fā)生溶解，從而提高重金屬向可交換態(tài)等形態(tài)的轉(zhuǎn)化速度，最終達(dá)到降低土壤顆粒對(duì)重金屬吸附的效果[4-5]。孫浩然[6]利用蘋果酸等有機(jī)酸對(duì)土壤重金屬的賦存形態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)蘋果酸因其對(duì)重金屬具有溶解、解吸及螯合的作用，可以將弱酸提取態(tài)、有機(jī)態(tài)的重金屬化合物從土壤中淋洗出來(lái)，有利于提高重金屬向可交換形態(tài)的轉(zhuǎn)變。蘋果酸作為天然有機(jī)酸，易生物降解，對(duì)環(huán)境友好，用于土壤淋洗修復(fù)不容易造成二次污染。

低共熔離子液體被認(rèn)為是一種綠色的溶劑，其制備過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境友好。采用離子液體來(lái)處理重金屬污染土壤近年來(lái)引起關(guān)注，劉友寶[7]等采用乙酰胺-檸檬酸低共熔離子液體去除土壤重金屬Cu2+，在最佳條件下銅的去除率可達(dá)99.51%。宣亮[8]等研究發(fā)現(xiàn)Cd2+與離子液體發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，其絡(luò)合產(chǎn)物較Cd2+本身在土壤上的親和力要低，進(jìn)而降低了Cd2+在土壤上的吸附?？梢?jiàn)，將離子液體用于提高土壤重金屬去除率有一定的研究意義。

本文以滇南老礦區(qū)周邊耕地鉛污染土壤為研究對(duì)象，合成低共熔離子液體，將其與蘋果酸結(jié)合，構(gòu)建適合于礦區(qū)鉛污染土壤的淋洗系統(tǒng)，并通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)土壤淋洗工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳淋洗工藝參數(shù)，為鉛污染礦區(qū)周邊的耕地土壤淋洗修復(fù)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試供土壤

試供土壤樣品采自滇南某礦區(qū)周邊耕地土壤，取表層土壤(1～20 cm)，土壤經(jīng)自然風(fēng)干并除去草根、石塊等雜物，混勻，過(guò)20目篩備用。采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 22105.3—2008)的方法來(lái)測(cè)定土壤的理化性質(zhì)和土壤總鉛量，結(jié)果如表1所示。

表1 土壤的理化性質(zhì)和土壤總鉛

1.2 儀器與試劑

AA-7000型火焰原子吸收分光光度計(jì)(日本島津公司)；SH220F型石墨消解儀(海能儀器)；NHWY-2102C型恒溫振蕩器(杭州艾普儀器設(shè)備有限公司)；SC-3616型低速離心機(jī)(安徽科大中佳科學(xué)儀器有限公司)；FA3204B型分析天平(廣州滬瑞明儀器有限公司)。

鉛標(biāo)準(zhǔn)品GSB 04-1742-2004，1 000 μg/mL；L(-)-Malic Aciad，90% (AR 阿達(dá)瑪斯試劑有限公司)；Choline Chloride，99% (AR 阿達(dá)瑪斯試劑有限公司)；尿素(AR 天津市福晨化學(xué)試劑廠)；丙三醇(AR 天津市大茂化學(xué)試劑廠)；乙二醇(AR天津市大茂化學(xué)試劑廠)；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)確配制濃度為0、1.00、2.00、5.00、10.00、25.00 μg/mL鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別于AA-7000型火焰原子吸光度計(jì)測(cè)定其吸光度，繪制鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.2 低共熔離子液體的制備

Abbott等[9-11]研究中發(fā)現(xiàn)：離子液體構(gòu)成為胺鹽(RN+·X-)與配位劑的結(jié)合，其中配位劑有尿素、乙二醇、丙三醇等有機(jī)物質(zhì)。按照摩爾比2∶1的比例將真空干燥后的尿素、乙二醇、丙三醇分別與氯化膽堿于100.0 ℃油浴中攪拌加熱0.5 h，冷卻封口得到澄清透明的無(wú)色粘稠狀液體，即為氯化膽堿-尿素離子液體、氯化膽堿-乙二醇離子液體和氯化膽堿-丙三醇離子液體。將制備好的離子液體用封口膜封口并置于干燥器中干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 土壤鉛的淋洗方法

準(zhǔn)確稱取0.500 0±0.000 2 g土壤樣品置于50 mL聚乙烯塑料離心管中。加入淋洗劑后，于恒溫振蕩器內(nèi)振蕩一定時(shí)間，過(guò)濾，取一定體積慮液，稀釋后得待測(cè)樣液，于AA-7000火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定其鉛含量。

1.3.4 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)蘋果酸濃度對(duì)鉛去除率的影響。按照1.3.3的實(shí)驗(yàn)方法，分別探討0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80 mol/L蘋果酸溶液對(duì)鉛去除率的影響。

(2)不同離子液體濃度對(duì)鉛去除率的影響。在最佳蘋果酸濃度條件下，探討不同濃度的氯化膽堿-尿素離子液體、氯化膽堿-乙二醇離子液體和氯化膽堿-丙三醇三種離子液體與蘋果酸結(jié)合的淋洗體系對(duì)鉛去除率的影響，按照1.3.3的實(shí)驗(yàn)方法，分別加入0.40、0.60、0.80、1.00、1.20、1.40 mL低共熔離子液體(即離子液體濃度為2%、3%、4%、5%、6%、7%)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，樣液于AA-7000火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定其鉛含量。

(3)振蕩時(shí)間對(duì)離子液體-蘋果酸淋洗體系的影響。選擇上述最佳離子液體-蘋果酸淋洗體系條件，按照1.3.3的實(shí)驗(yàn)方法，選擇振蕩時(shí)間為3、4、5、6、7 h，以探究振蕩時(shí)間對(duì)鉛去除率的影響。

1.4 鉛去除率的計(jì)算

根據(jù)回歸線方程及下式計(jì)算淋洗液中鉛的去除率為：

(1)

(2)

式中：X，鉛的去除率，%；ω1—淋洗液中鉛的含量，mg/kg；ω2—樣品中鉛的含量，mg/kg；c-淋洗液中鉛的質(zhì)量濃度，μg/mL；V—樣品測(cè)定液體積，mL；N—樣品稀釋倍數(shù)；m—稱取樣品質(zhì)量，g。

1.5 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)土壤中鉛的去除率影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，將蘋果酸濃度、離子液體濃度、振蕩時(shí)間作為影響因素，鉛去除率為響應(yīng)值，建立模型，對(duì)模型適應(yīng)性、可行性、系數(shù)顯著性以及失擬項(xiàng)進(jìn)行分析檢驗(yàn)，獲得最佳淋洗體系參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

以吸光度A作縱坐標(biāo)，鉛標(biāo)準(zhǔn)濃度C作橫坐標(biāo)，繪制鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性方程為：y=0.017 5x+0.014 2；R2=0.999 3，線性良好。

圖1 鉛標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Lead content standard curve

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 蘋果酸濃度對(duì)鉛去除率的影響

由圖2可知，隨著蘋果酸濃度的增加，鉛的去除率也隨之增加，在蘋果酸濃度為0.75 mol/L時(shí)，鉛的去除率達(dá)到最大值63.62%，隨后繼續(xù)增加濃度，鉛的去除率出現(xiàn)減小趨勢(shì)。因此，選擇淋洗劑蘋果酸的最佳濃度為0.75 mol/L。

圖2 蘋果酸濃度對(duì)鉛去除率的影響Fig.2 The effect of malic acid concentrationon lead removal rate

2.2.2 低共熔離子液體不同濃度對(duì)鉛去除率的影響

由圖3可知，三種類型低共熔離子液體在不同濃度條件下對(duì)土壤樣品中鉛的去除效果表現(xiàn)各異。其中，氯化膽堿-尿素和氯化膽堿-丙三醇在其濃度為6%時(shí)，其淋洗效果最好，鉛的去除率分別為68.19%和64.14%；氯化膽堿-乙二醇濃度為5%時(shí)鉛的去除率達(dá)最大值，為67.2%。由此結(jié)果可以看出，加入低共熔離子液體后，體系對(duì)鉛的淋洗效果較單一蘋果酸淋洗體系均有不同程度提高，綜合淋洗劑成本及淋洗效果可知，6%的氯化膽堿-尿素對(duì)鉛的去除效果最好。

圖3 低共熔離子液體不同濃度對(duì)鉛去除率的影響Fig.3 The effect of different concentrations ofeutectic ionic liquids on lead removal rate

2.2.3 振蕩時(shí)間對(duì)離子液體-有機(jī)酸淋洗體系的影響

由圖4可知，對(duì)三種離子液體分別結(jié)合蘋果酸體系淋洗鉛的振蕩時(shí)間進(jìn)行探討，三種體系的最佳振蕩時(shí)間均為5 h，隨著時(shí)間的繼續(xù)增加鉛去除率降低。氯化膽堿-尿素-蘋果體系的淋洗效果最好，5 h時(shí)最大去除率為69.51%，因此綜合考慮選擇5 h為淋洗體系的最佳振蕩時(shí)間。

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.4.1 因素水平設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在三種淋洗體系中，氯化膽堿-尿素-蘋果酸淋洗體系對(duì)土壤中鉛的去除效果最佳，蘋果酸濃度為0.75 mol/L、氯化膽堿-尿素濃度為6%、振蕩時(shí)間為5 h條件下，鉛的去除率能夠達(dá)到最大值，以蘋果酸濃度(A)、氯化膽堿-尿素離子液體濃度(B)和振蕩時(shí)間(C)為自變量，鉛的去除率為響應(yīng)值。采用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，篩選最佳模型參數(shù)，實(shí)驗(yàn)計(jì)因素水平值與編碼值見(jiàn)表2，試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 設(shè)計(jì)因素編碼與水平

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果

2.4.2 模型擬合及方差分析

采用 Design-Expert 軟件對(duì)模型和結(jié)果進(jìn)行分析，本試驗(yàn)結(jié)果采用二階模型進(jìn)行分析，如表4所示。根據(jù)設(shè)定的水平因素，得到擬合回歸方程為：

Y=72.45+2.75A+0.94B+0.73C-2.83AB-1.24AC+2.05BC-7.84A2-9.19B2-5.66C2

其中Y為土壤中鉛的去除率，A為蘋果酸濃度、B為氯化膽堿-尿素濃度、C為振蕩時(shí)間。

由表4可知，該模型P<0.000 1，F(xiàn)值為247.64，模型的相關(guān)性表現(xiàn)為非常顯著[12]，說(shuō)明可以利用該響應(yīng)面近似模型進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，與此同時(shí)失擬項(xiàng)P=0.115 6，說(shuō)明該模型在該淋洗體系中的整個(gè)回歸區(qū)域內(nèi)的擬合較好，可以選用該回歸方程替代實(shí)驗(yàn)中的真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。由F值和P值可知三種因素對(duì)土壤中重金屬鉛的去除率的影響順序：蘋果酸濃度>氯化膽堿-尿素濃度>振蕩時(shí)間，從整體來(lái)看該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表4 回歸方程的方差分析表

續(xù)表

表5 回歸方程誤差統(tǒng)計(jì)分析

2.4.3 響應(yīng)面分析

根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析，如圖5至圖7所示。三維響應(yīng)面圖彎曲度越大即平方項(xiàng)(曲面作用)較好，說(shuō)明兩個(gè)單因素間的顯著性越明顯[15]。根據(jù)等高線圖來(lái)判斷三因素對(duì)鉛去除率的影響效果，等高線越接近橢圓表明兩因素之間的交互作用越明顯[16-17]。圖5中，蘋果酸濃度與氯化膽堿-尿素之間存在顯著交互作用且P(AB)<0.000 1，表明二者對(duì)鉛去除率的影響較為顯著，鉛去除率均隨二者含量的增加而增加，蘋果酸濃度方向變化較為明顯，其對(duì)鉛去除率的影響較為顯著。圖6中，鉛去除率隨蘋果酸濃度的增加變化較振蕩時(shí)間的明顯。圖7中，氯化膽堿-尿素與振蕩時(shí)間的等高線亦接近橢圓，二者P(BC)為0.000 4，對(duì)鉛去除率的影響顯著；氯化膽堿-尿素含量的變化對(duì)鉛去除率的影響更為顯著。

圖5 蘋果酸與離子液體的交互影響Fig.5 Interaction between malic acid and ionic liquid

圖6 蘋果酸與振蕩時(shí)間的交互影響Fig.6 Interaction between malic acid and oscillation time

圖7 離子液體與振蕩時(shí)間的交互影響Fig.7 Interaction between ionic liquid and oscillation time

綜合響應(yīng)面圖和等高線圖的分析，三種因素對(duì)鉛的去除率的影響順序：蘋果酸濃度>氯化膽堿-乙二醇濃度>振蕩時(shí)間，此結(jié)論與表3回歸方程的方差分析表中所得到的結(jié)論相同。

2.4.4 模型檢驗(yàn)

通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化分析，最佳條件為蘋果酸濃度0.76 mol/L、氯化膽堿-尿素濃度為6%、振蕩時(shí)間5.05 h，模型預(yù)測(cè)值為72.44%，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可行性，對(duì)此最佳條件進(jìn)行了3次重復(fù)試驗(yàn)，得到的鉛的實(shí)際去除率為73.13%。實(shí)際值和模型預(yù)測(cè)值對(duì)比相差0.69%，說(shuō)明由實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的回歸方程能夠有效的反應(yīng)不同單因素對(duì)鉛去除率的影響，同時(shí)也證明了用響應(yīng)面優(yōu)化鉛去除率回歸方程模型是可行的。

3 結(jié)論

本文通過(guò)篩選離子液體，探討離子液體濃度、蘋果酸濃度和振蕩時(shí)間單因素條件，構(gòu)建了蘋果酸-氯化膽堿-尿素淋洗體系，應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)蘋果酸-氯化膽堿-尿素淋洗去除滇南老礦區(qū)土壤中鉛的淋洗工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，建立了回歸方程模型，優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)：蘋果酸濃度0.76 mol/L、離子液體(氯化膽堿-尿素)濃度為6%、振蕩時(shí)間5.05 h，優(yōu)化后的土壤中重金屬鉛的去除率為73.13%，由驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可知實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)值相近，說(shuō)明該工藝合理可行。低共熔離子液體結(jié)合有機(jī)酸對(duì)土壤鉛的去除率較單一有機(jī)酸淋洗體系有明顯提高，將低共熔離子液體用于土壤鉛的淋洗修復(fù)一定的研究意義。