表面活性劑在污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用研究

錢 涌，孫翠書，叢麗娟，張 斌

（蘇州市宏宇環(huán)境科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在使用淋洗技術(shù)對污染土壤進(jìn)行修復(fù)的技術(shù)當(dāng)中，對淋洗液的選擇一直是技術(shù)的重點(diǎn)，目前我國淋洗技術(shù)所用到的淋洗液包括：表面活性劑、有機(jī)酸淋洗液、無機(jī)酸淋洗液、螯合劑淋洗液、酸和螯和氧化還原的混合洗劑等，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后，研究人員發(fā)現(xiàn)表面活性劑可以消除污染土壤中的污染物，尤其是表面活性劑對有機(jī)污染物的消除效果極佳，不僅有效修復(fù)了有機(jī)污染物污染的土壤，還提高了修復(fù)效率。利用表面活性劑修復(fù)有機(jī)污染土壤時(shí)，主要過程是使有機(jī)污染物被從土壤中洗脫；利用表面活性劑修復(fù)重金屬污染土壤時(shí)，主要是使表面活性劑與重金屬污染物離子進(jìn)行交換[1]。

1 表面活性劑概述

通過加入表面活性劑可以降低液體表面張力，并且其具有親水性以及親油性的特殊吸附試劑可以達(dá)到除污的目的。表面活性劑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為極性親水結(jié)構(gòu)可以及非極性親油的結(jié)構(gòu)，其中表面活性劑的親油分子由烷基分子組成，親水分子是由極性基團(tuán)分子組成，并且分子種類較多。

表面活性劑除污的原理是通過分子中不同的部分，分別對于兩相的親和，使得兩相將其看成一相的成分，表面活性劑的分子排列在兩相之間，使得兩相的表面相當(dāng)于轉(zhuǎn)入了分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由此降低了表面張力。因?yàn)閮上喽紝⑵淇醋鞅鞠嗟囊粋€(gè)組分，使得兩相與表面活性劑分子未能行成界面，通過這種方式可以部分消除兩相的界面，使其降低表面張力以及表面自由勢能[2]。

2 表面活性劑在有機(jī)污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用

2.1 表面活性劑的增容洗脫作用

在被有機(jī)污染物污染的土壤中，有機(jī)污染物在環(huán)境中通過化學(xué)作用或生物作用轉(zhuǎn)化成另一種物質(zhì)，且會(huì)轉(zhuǎn)變成二次污染物，在這個(gè)轉(zhuǎn)化的過程中，有機(jī)污染物的水溶性質(zhì)對有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化起了很大作用。有機(jī)污染物在水溶性條件下被稱為非水相液體，根據(jù)其水溶性的強(qiáng)弱又被分成輕非水相液體和重非水相液體。非水相液體在進(jìn)行移動(dòng)的同時(shí)會(huì)對土壤造成污染，非水相液體在土壤中的移動(dòng)受到很多因素限制，例如非水相液體自身的化學(xué)性質(zhì)及物理特點(diǎn)、非水相液體所存在的土壤的性質(zhì)等。所以修復(fù)非水相液體的污染土壤是十分困難的，例如當(dāng)非水相液體由于自身的化學(xué)性質(zhì)與重金屬或放射性物質(zhì)共存的時(shí)候，修復(fù)土壤會(huì)更加困難。

因?yàn)楸砻婊钚詣┛梢允沟梅撬嘁后w的溶解性變強(qiáng)，所以常常用于修復(fù)被有機(jī)污染物污染的土壤和地下水環(huán)境。應(yīng)用表面活性劑不僅可以使非水相液體的水溶性增強(qiáng)，并對非水相液體進(jìn)行洗脫修復(fù)，還減少了修復(fù)時(shí)間，提高了修復(fù)效率。并且表面活性劑的濃度也會(huì)對非水相液體的洗脫作用產(chǎn)生影響，比如當(dāng)表面活性劑的濃度未達(dá)到臨界膠束濃度的時(shí)候，表面活性劑的陰離子對非水相液體進(jìn)行的電泳分離效果，只能增強(qiáng)有機(jī)土壤中莠去津的部分洗脫效果[3]；當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到或者超過臨界膠束濃度的時(shí)候，表面活性劑的陰離子對非水相液體進(jìn)行的電泳分離效果可以使有機(jī)土壤中莠去津的所有效果都得到增強(qiáng)。經(jīng)調(diào)查研究得知，當(dāng)表面活性劑的使用量達(dá)到上限時(shí)，表面活性劑對殺蟲藥劑的洗脫作用會(huì)增強(qiáng)；當(dāng)表面活性劑的使用量未達(dá)到使用的標(biāo)準(zhǔn)量時(shí)，表面活性劑對殺蟲藥劑的洗脫作用會(huì)減弱，因?yàn)楸砻婊钚詣┐蠖喽急煌寥浪?，?dǎo)致殺蟲劑對土壤的吸附性變強(qiáng)。

2.2 表面活性劑的增強(qiáng)吸附固定作用

2.2.1 固定與微生物降解相結(jié)合的方法

通過表面活性劑修復(fù)污染土壤的實(shí)踐得知，在使用表面活性劑修復(fù)土壤的過程中，會(huì)有一部分殘留的污染物吸附在表面活性劑當(dāng)中，研究發(fā)現(xiàn)，吸附殘留在表面活性劑上的有機(jī)污染物，可以通過微生物進(jìn)行降解。因此利用表面活性劑來洗脫有機(jī)污染物，再利用微生物對殘留在表面活性劑上的有機(jī)污染物進(jìn)行降解的方法，成為修復(fù)土壤及地下水污染的十分有效的修復(fù)方法之一[4]。由于土壤和地下蓄水層中存在粘土，因此可以在土壤中加入陽離子表面活性劑，使得土壤中的粘土可以有效攔截通過表面活性劑洗脫下來的有機(jī)污染物，使得固定的有機(jī)污染物不再對其造成進(jìn)一步污染，再利用微生物對攔截的有機(jī)污染物進(jìn)行降解，使得有機(jī)污染物被永久消除，從而完成污染土壤的修復(fù)工作。

2.2.2 固定與洗脫相結(jié)合的方法

除了利用微生物對表面活性劑吸附的有機(jī)污染物進(jìn)行降解的方法，利用洗脫清除吸附在表面活性劑上的有機(jī)污染物也是修復(fù)污染土壤的有效方法。通過將帶有陽離子的表面活性劑注入污染土壤中，攔截吸附在表面活性劑上的有機(jī)污染物區(qū)域，將其變成可滲透區(qū)域，再將非離子表面活性劑或者陰離子表面活性劑注入可滲透區(qū)域，使得吸附在陽離子表面活性劑上的有機(jī)污染物被洗脫下來，然后將洗脫下來的增強(qiáng)溶解性的有機(jī)污染物從地下通過設(shè)備抽離到地上，并進(jìn)行清除處理，從而完成修復(fù)污染土壤的工作。

2.3 表面活性劑對有機(jī)污染物生物可利用性的影響

在污染土壤中，當(dāng)非水相液體污染物的溶解度十分微小的時(shí)候，修復(fù)人員無法通過淋溶表面活性劑、揮發(fā)非水相液體污染物以及微生物降解非水相液體污染物的方法對非水相液體污染物進(jìn)行清除。在注入表面活性劑到污染土壤中時(shí)，表面活性劑會(huì)融入土壤當(dāng)中，對土壤之間的張力起到了收縮及減少的作用，同時(shí)也增強(qiáng)了非水相液體污染物的水溶性，導(dǎo)致非水相液體污染物通過表面活性劑進(jìn)行溶解，并吸收在土壤當(dāng)中，且溶解在表面活性劑的膠束，吸收并覆蓋在表面溶解劑上，會(huì)影響非水相液體污染物的可利用性。表面活性劑在修復(fù)污染土壤時(shí)，其依據(jù)的關(guān)鍵就是利用表面活性劑與非水相液體污染物之間的可利用性，但是在通過表面活性劑修復(fù)污染土地的過程中，由于土壤受到表面活性劑、土壤中所存在的沉積物質(zhì)、土壤中的有機(jī)物、土壤中的水分等眾多因素影響，導(dǎo)致土壤內(nèi)部形成了一個(gè)元素復(fù)雜的內(nèi)部環(huán)境[5]。研究發(fā)現(xiàn)，通過添加表面活性劑可以提高萘和菲的生物有效性，提高萘和菲的生物有效性所使用的表面活性劑的效果由高到低的順序分別是：十二烷基聚氧四乙烯醚表面活性劑、聚乙二醇辛基苯基醚表面活性劑、失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚表面活性劑、十二烷基聚乙二醇醚表面活性劑等。通過調(diào)查可知，當(dāng)用濃度為1%的表面活性劑對70%濃度的多氯苯進(jìn)行洗脫后，再將90%濃度的表面活性劑和30%濃度的多氯苯通過假單胞菌對二者進(jìn)行降解，發(fā)現(xiàn)十二烷基聚氧四乙烯醚表面活性劑最容易被假單胞菌降解。使用十二烷基聚氧四乙烯醚表面活性劑，通過假單胞菌進(jìn)行降解使其成為土壤中微生物的碳源，可以使得萘和菲更好地進(jìn)行代謝，并增強(qiáng)其生物有效性，從而完成修復(fù)污染土壤的工作。

3 表面活性劑在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用

在使用表面活性劑對污染土壤進(jìn)行修復(fù)時(shí)，重金屬污染的土壤一直都是修復(fù)的難點(diǎn)。在修復(fù)人員嘗試使用化學(xué)淋洗技術(shù)來修復(fù)重金屬污染的土壤時(shí)，嘗試了多種淋洗試劑，包括有機(jī)酸淋洗液、無機(jī)酸淋洗液、螯合劑淋洗液、酸和螯和氧化還原的混合洗劑等。重金屬污染土壤的酸堿值、土壤的性質(zhì)、土壤陽離子交換量、土壤顆粒的大小、土壤的滲透性、土壤的其他共存污染物等元素都將影響對重金屬污染土壤的修復(fù)。如今表面活性劑不僅可以修復(fù)被有機(jī)污染物污染的土壤，同時(shí)也逐漸用于修復(fù)被重金屬污染的土壤。

通過使用表面活性劑來修復(fù)重金屬污染土壤的主要思路，是通過注入陽離子表面活性劑，改變重金屬污染土壤的性質(zhì)，并且將重金屬的金屬陽離子通過離子交換從固態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)，再注入陰離子表面活性劑，使得表面活性劑吸附在土壤中，并與重金屬物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使得重金屬物質(zhì)溶解在土壤溶液中進(jìn)行消除，從而達(dá)到修復(fù)重金屬污染土壤的目的。

通過分析研究得知，當(dāng)注入的表面活性劑的濃度超過臨界膠束濃度的時(shí)候，在表面活性劑與重金屬產(chǎn)生離子交換時(shí)，可以大幅度增強(qiáng)重金屬的溶解效果。使用表面活性劑對鉻重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，當(dāng)注入的表面活性劑溶解鉻金屬時(shí)，表面活性劑的濃度一般不超過臨界膠束濃度；而當(dāng)表面活性劑的濃度高于臨界膠束濃度時(shí)，表面活性劑對鉻金屬的溶解效果會(huì)減緩，綜上可知反離子作用并不是影響表面活性劑與重金屬污染物溶解的原因。研究發(fā)現(xiàn)，由于膠束并不具有離子交換的作用，當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到臨界膠束濃度以下時(shí)，離子交換的容量會(huì)相對增加；當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到臨界膠束濃度以上時(shí)，離子交換的容量會(huì)變?yōu)槌?shù)。由此可知重金屬與表面活性劑的相互絡(luò)合是因?yàn)橹亟饘倥c膠束之間的絡(luò)合，并不是重金屬與表面活性劑之間的絡(luò)合，表面活性劑可以將重金屬絡(luò)合的物質(zhì)從土壤中進(jìn)行洗脫處理。

4 表面活性劑用于污染土壤修復(fù)存在的問題

通過表面活性劑對污染土壤進(jìn)行修復(fù)，雖然效果顯著，但也存在很多問題：

4.1 表面活性劑本身被土壤吸附

根據(jù)相關(guān)研究得知，在使用表面活性劑修復(fù)土壤的過程中，土壤的性質(zhì)決定著土壤吸附表面活性劑的含量，例如水稻土或紅壤土，其吸附表面活性劑的含量約為每1000克表面活性劑吸附4～8克，這使得土壤對表面活性劑的吸附性十分嚴(yán)重，并且土壤在吸附表面活性劑之后，很難使其分離。

4.2 表面活性劑對土壤造成二次污染

通過表面活性劑來修復(fù)污染土壤，一般情況下表面活性劑不會(huì)對土壤造成影響，但是當(dāng)土壤中表面活性劑的濃度很高時(shí)，會(huì)給土壤帶來負(fù)面影響。表面活性劑會(huì)與污染物結(jié)合，造成對土壤的二次污染。經(jīng)調(diào)查脂肪醇聚氧乙烯醚表面活性劑在修復(fù)重金屬鉛和重金屬鋅污染的土壤時(shí)，重金屬鋅會(huì)對植物產(chǎn)生化學(xué)作用，并且脂肪醇聚氧乙烯醚表面活性劑也會(huì)加大重金屬鉛的含量，造成土壤的二次污染。

4.3 表面活性劑對土壤的破壞

在使用表面活性劑修復(fù)污染土壤的過程中，會(huì)用表面活性劑對土壤污染物進(jìn)行淋洗，在表面活性劑淋洗土壤的過程中，雖然土壤的污染物被淋洗干凈，但土壤中的營養(yǎng)元素也會(huì)被表面活性劑淋洗掉，導(dǎo)致修復(fù)后的土壤在孕育植物時(shí)，土壤的營養(yǎng)成分不足，植物的可利用性降低，土質(zhì)被破壞。

4.4 使用表面活性劑修復(fù)污染土壤需要先進(jìn)行試驗(yàn)

在使用表面活性劑修復(fù)污染土壤之前，需要通過修復(fù)的實(shí)際環(huán)境來選擇土壤修復(fù)的具體方法，并且需要在修復(fù)范圍內(nèi)選擇一塊土壤進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)，以免出現(xiàn)土壤修復(fù)不徹底、土壤受損、土壤修復(fù)失敗等問題，只有在試驗(yàn)結(jié)果有效的情況下，才可以進(jìn)行表面活性劑修復(fù)污染土壤的工作。

5 使用表面活性劑修復(fù)污染土壤的前景與展望

使用表面活性劑對污染土壤進(jìn)行修復(fù)，已經(jīng)成為土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢，但是使用表面活性劑修復(fù)重金屬污染土壤的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還十分貧乏，大多數(shù)數(shù)據(jù)都是通過實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)得出的結(jié)論，這是因?yàn)橥寥辣旧淼囊蛩匾约爸亟饘俚姆N類繁多，導(dǎo)致表面活性劑修復(fù)重金屬污染土壤的效率和成果都不同。所以，未來可以針對表面活性劑修復(fù)污染土壤過程中，對污染物的處理效率不高的問題，研發(fā)表面活性劑的復(fù)配以及新型的表面活性劑，同時(shí)提高使用表面活性劑修復(fù)污染土壤的技術(shù)水平，如研發(fā)與超聲波等物理方法相融合等方式，提高使用表面活性劑修復(fù)污染土壤的效率。

6 結(jié)語

綜上所述，本文首先介紹了表面活性劑的構(gòu)成及原理，講述了表面活性劑在有機(jī)污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用，其中表面活性劑的修復(fù)作用分為兩種，一種是表面活性劑的增容洗脫作用；一種是表面活性劑的增強(qiáng)吸附固定作用，這兩種修復(fù)作用需根據(jù)土壤實(shí)際情況進(jìn)行選擇并修復(fù)。表面活性劑的增強(qiáng)吸附固定作用也分為微生物降解相結(jié)合法與洗脫相結(jié)合法，本文詳細(xì)講述了使用表面活性劑的修復(fù)方法和修復(fù)條件，以及表面活性劑在重金屬污染土壤中的修復(fù)應(yīng)用和對未來的展望，通過這些分析，為相關(guān)人員使用表面活性劑修復(fù)污染土壤的工作提供參考和借鑒。