[科普中國]-洗糖法

洗糖法即鼠李糖脂淋洗法。

近年來人們開始將生物表面活性劑代替EDTA用于土壤的淋洗，與其它淋洗劑相比生物表面活性劑具有環(huán)境相容性好、化學(xué)結(jié)構(gòu)多樣、成本低廉且易于回收等優(yōu)點(diǎn)，可以解決淋洗法在經(jīng)濟(jì)上的限制。其中鼠李糖脂具有可與化學(xué)表面活性劑相媲美的增溶、乳化、潤濕等性能，作為土壤淋洗法的提取劑有著廣泛的應(yīng)用前景。

背景重金屬污染來源廣泛、污染性強(qiáng)且是一種難以控制的污染。在采礦業(yè)、金屬加工業(yè)、冶煉化工業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域，重金屬會隨著工業(yè)三廢的排放而進(jìn)入到自然環(huán)境中。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)灌溉、化肥農(nóng)藥的使用也會使重金屬進(jìn)入土壤。進(jìn)入土壤的重金屬不能被微生物分解而在土壤中長期積累，有些被農(nóng)作物吸收后最終通過食物鏈作用進(jìn)入人體，因而土壤中的重金屬是人們優(yōu)先考慮去除的污染物。

土壤中重金屬污染的治理途徑有兩種：一種是將污染物清除，即去污染(decontamination)；另一種是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)使其固定，即穩(wěn)定化(stabilization)。近年來圍繞這兩種途徑開發(fā)了不同的治理措施和方法，如固化、還原、農(nóng)業(yè)調(diào)控、生物修復(fù)和植物修復(fù)等。但這些方法具有處理不徹底、耗時(shí)長、易產(chǎn)生高毒中間代謝產(chǎn)物和應(yīng)用范圍有限等缺點(diǎn)，因而尚未在工程上進(jìn)行應(yīng)用。目前工程上采用的主要方法有以下幾種：改土法、電動(dòng)修復(fù)法、熱處理法、玻璃化技術(shù)和土壤淋洗法。與土壤淋洗法相比，改土法、電動(dòng)修復(fù)法、熱處理法和玻璃化技術(shù)或存在二次污染、或適用范圍小、或價(jià)格昂貴，皆有較為明顯的不足。

土壤淋洗法采用含有提取劑的溶液作為淋洗液淋洗污染土壤，將土壤固相中的金屬轉(zhuǎn)移到液相中從而實(shí)現(xiàn)對重金屬的去除。常用的提取劑包括：硝酸、鹽酸、磷酸、硫酸、氫氧化鈉、草酸、檸檬酸、EDTA等，這些物質(zhì)中無機(jī)酸堿類提取劑會破壞土壤結(jié)構(gòu)，有機(jī)酸堿類提取劑會毒害土壤微生物，而EDTA存在價(jià)格昂貴且回收困難的問題。因而提取劑的選擇成為土壤淋洗法的限制性因素。1

原理采用鼠李糖脂去除土壤中的重金屬始于20世紀(jì)90年代初，研究發(fā)現(xiàn)采用鼠李糖脂作為淋洗劑可以去除Cd、Pb、Cu、Zn、Ni等。實(shí)驗(yàn)室中多將受污染土壤搗碎裝入淋溶柱內(nèi)，用鼠李糖脂溶液進(jìn)行批次淋洗。鼠李糖脂作為淋洗劑去除土壤中的Cd、Pb、Cu、Zn、Ni等重金屬污染具有很好的效果，這與鼠李糖脂的特性具有重要的關(guān)系。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，鼠李糖脂去除土壤中重金屬主要是通過與土壤中重金屬離子絡(luò)合以及降低表面張力兩種方式來降低土壤和金屬的粘附性實(shí)現(xiàn)的。

鼠李糖脂在大于臨界膠束濃度時(shí)形成膠團(tuán)，重金屬離子與膠團(tuán)相結(jié)合形成絡(luò)合物。隨后絡(luò)合物進(jìn)入液相，將重金屬從土壤中解吸出來。因此，鼠李糖脂可以去除土壤中離子態(tài)的重金屬，如Cd、Cu、Pb、Zn等。時(shí)進(jìn)鋼等通過對不同濃度下鼠李糖脂形成膠束狀況與去除重金屬效率的分析，發(fā)現(xiàn)重金屬離子是通過與鼠李糖脂的膠束結(jié)合而得到去除的，當(dāng)膠束破壞時(shí)，鼠李糖脂就不再具有和重金屬結(jié)合的能力。Tan等通過鼠李糖脂與Cd2+的絡(luò)合實(shí)驗(yàn)了鼠李糖脂與重金屬離子的絡(luò)合能有效分離土壤中的重金屬離子。Malakul等人利用超濾技術(shù)與毫電位確定其作用機(jī)制是：鼠李糖脂先吸附在土壤與重金屬的結(jié)合物上，接下來與重金屬進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)，絡(luò)合物從土壤顆粒上分離進(jìn)入生物表面活性劑的膠束中。Mulligan和Lin等認(rèn)為，鼠李糖脂首先吸附在土壤表面并與金屬形成絡(luò)合物，通過降低溶液表面張力將金屬從土壤表面解吸下來，進(jìn)入溶液環(huán)境，使重金屬與土壤得到分離。

綜合以上研究成果認(rèn)為鼠李糖脂去除土壤中重金屬的原理是：鼠李糖脂首先吸附在土壤與重金屬結(jié)合物的表面上，并與重金屬絡(luò)合，然后通過降低表面張力來改變土壤和重金屬結(jié)合物表面性質(zhì)，從而削弱了重金屬離子與土壤之間的粘附性，促進(jìn)了金屬離子與土壤的分離，隨著淋洗液的不斷沖洗，絡(luò)合物脫離土壤并與鼠李糖脂溶液中的膠束結(jié)合，金屬即從土壤中去除。1

影響因素鼠李糖脂淋洗去除土壤中重金屬的影響因素較多，如重金屬的種類及含量、土壤結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素等。對于確定的待處理的受重金屬污染土壤，重金屬種類、含量與存在形式以及土壤結(jié)構(gòu)等都已確定。

1、鼠李糖脂的濃度

鼠李糖脂濃度對重金屬的去除效率有直接影響。鼠李糖脂濃度越高，重金屬和鼠李糖脂的絡(luò)合機(jī)會越大、絡(luò)合率就越高，對重金屬的去除效果也就越好。Dahr研究發(fā)現(xiàn)5.0%和0.05%的鼠李糖脂溶液對Cu的去除分別為53.4%和5.7%。在工程應(yīng)用中，需同時(shí)考慮處理效果和經(jīng)濟(jì)效果來設(shè)定投加鼠李糖脂的濃度。

2、淋洗液的pH

淋洗液的pH對土壤中重金屬的去除有重要的影響，pH對重金屬去除率的影響體現(xiàn)在三個(gè)方面。首先，pH對去除率的影響表現(xiàn)在鼠李糖脂膠束的大小和溶液pH值有較大的關(guān)系：當(dāng)溶液pH值從6.0增大到8.0，膠束結(jié)構(gòu)由薄片狀變?yōu)槟遗轄?，最后變?yōu)槟z束，即其結(jié)構(gòu)逐漸減小。因此，在較高pH值條件下，鼠李糖脂形成更多小型膠束，更有利于和重金屬有效的結(jié)合，從而提高了重金屬的去除率。其次，pH升高有利于鼠李糖脂中羧基脫氫離子化，溶解度增大，即相當(dāng)于溶液中的鼠李糖脂濃度升高，從而提高了重金屬與鼠李糖脂的絡(luò)合效率，增大去除率。另外。pH的升高可以降低表面張力，對重金屬的去除亦有幫助。

在一定范圍內(nèi)，淋洗液pH的升高會提高重金屬的去除率。但是過高的pH時(shí)去除率并不理想。在pH大于10的情況下，OH-濃度過高，更易形成金屬氫氧化物沉淀，會掩蔽有機(jī)金屬的絡(luò)合物的形成。因此，在其他條件一定的情況下，pH=10可以取得最好的去除效果。時(shí)進(jìn)鋼等閨。用銅綠假單胞菌產(chǎn)生的鼠李糖脂對沉積物中Cd和Pb的去除作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)堿性提取液對兩種重金屬的去除效率均大于弱酸性提取液，pH值為10.0時(shí)去除效率最大。

在工程應(yīng)用中，考慮到堿會對土壤結(jié)構(gòu)有所破壞以及NaOH成本，對pH的選取要同時(shí)考慮處理效率和對土壤性能的影響。

3、鼠李糖脂與土壤的吸附程度

從鼠李糖脂去除土壤中重金屬的原理可知，鼠李糖脂首先吸附在土壤顆粒表面，絡(luò)合后又通過與土壤顆粒的解吸達(dá)到去除重金屬的作用。所以鼠李糖脂與土壤吸附的過為緊密則不利于最終對重金屬的去除。

Torrens發(fā)現(xiàn)，鼠李糖脂去除重金屬的效率受鼠李糖脂與土壤結(jié)合能力大小的影響。鼠李糖脂和土壤的吸附會削減去除率，而鼠李糖脂與土壤的吸附強(qiáng)度與土壤成分類型相關(guān)。針對RLl型鼠李糖脂，在低濃度時(shí)與土壤吸附強(qiáng)度為：赤鐵礦>高嶺土>二氧化錳=伊利石=鈣蒙脫石>三水鋁礦>腐植酸涂硅；濃度較高時(shí)與土壤吸附強(qiáng)度為：伊利石>腐植酸涂硅>鈣蒙脫石>赤鐵礦>二氧化錳>三水鋁礦*高嶺土。

因此在針對不同類型的土壤成分時(shí)，應(yīng)結(jié)合鼠李糖脂濃度對去除效果的影響和土壤類型來確定鼠李糖脂的投加量從而使吸附力最小。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王寧 - 副教授 - 西南大學(xué)