郑 琰，吕迎春，苏成西，黄竹珺

(普洱学院，云南 普洱 665000)

近年来，随着各行业的发展迅猛，土壤重金属污染的问题也日益严峻。据调查可知，中国土壤重金属总含量超标17%，远超标准规定[1]。云南省因其独特的地理位置和气候条件，矿产资源丰富多样，开采冶炼矿物质过程使矿区周边土壤中重金属元素高度富集，加剧了矿区周边土壤重金属的污染[2-4]。如何快速有效的修复老矿区周边土壤重金属污染是目前急需解决的一个重要环境问题。

在土壤修复技术中，化学淋洗技术是一种快速有效的修复方法，因其能够实现污染物质与土壤的分离，达到污染物体积减少的目的而成为土壤修复技术研究者所关注的热点之一[5-6]。土壤淋洗修复技术的关键点在于洗脱液的筛选，土壤淋洗剂既要兼顾重金属高效的去除率，还应考虑二次污染问题以及修复的成本等[7-8]。重金属污染土壤常用的淋洗剂主要包括无机化合物、螯合剂、表面活性剂、低分子有机酸等[9-10]。众多学者对污染土壤的化学淋洗剂选择进行了大量研究。Hu P等[11]的研究表明EDTA对于重度污染土壤中的Pb有较高的去除效率，效率高达69%；于兵等[12]人在用柠檬酸溶液、醋酸溶液、水对重金属污染的土壤进行淋洗修复，结果表明：对Cu、Cd、Pb污染修复时，柠檬酸溶液是最好的淋洗液，其最好的浓度分别为1.00、0.40、0.70 mol/L。潘杰等[13]研究发现，在相同的浓度下，柠檬酸、酒石酸和草酸对Pb进行淋洗时，柠檬酸效果最好，其次是酒石酸，草酸的淋洗效果最弱。

Plackett-Burman(PB)试验设计基于不完全平衡块的原理，用最少的实验来估计因子的主要影响，可从众多研究因素中快速有效地选择最重要的因素，并以响应值变化的梯度方向为爬坡方向，设计最陡爬坡实验，快速确定响应值最大的响应区域[14-15]。Plackett-Burman法目前主要被广泛应用于医药、生物工艺优化研究中，而其在土壤淋洗技术方面的报道还不多见。

本文以滇南老矿区铅污染土壤为研究对象，选取对铅有淋洗修复效果的5种酸(EDTA、柠檬酸、苹果酸、酒石酸和磷酸)进行研究，并利用Plackett-Burman试验设计筛选适合于铅污染土壤的最佳淋洗剂，为铅污染土壤淋洗技术的进一步优化提供实践指导。

1 材料和方法

1.1 供试土壤

实验用土壤采自滇南某矿区周边的土壤，深度范围为0～15 cm，将风干土壤过20目标准筛，用塑料封口袋贮存备用。采用标准方法[16]测定土壤的相关理化性质和土壤中铅的总含量，结果见表1。

表1 土壤的理化性质和土壤铅总含量

1.2 仪器与试剂

AA-7000火焰原子吸收分光光度计(日本岛津有限公司)；低速离心机(SC-3616安徽科大中佳科学仪器有限公司)；KQ-500D型超声波清洗器(长沙市秋龙仪器设备有限公司)ABY-1001-U型超纯水器(长沙市秋龙仪器设备有限公司)；HH-W420数显三用恒温水箱(金坛市大地自动化仪器厂)；ZHWY-1102双层培养振荡器(上海创奕科教设备有限公司)；FA3204B分析天平(广州泸瑞明仪器有限公司)。

乙二胺四乙酸二钠盐(分析纯)；柠檬酸(分析纯)；D-酒石酸(分析纯)；苹果酸(分析纯)；磷酸(优级纯)；硝酸(优级纯)；铅标准贮备液(1 000 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；实验用水均为超纯水。

1.3 实验方法

1.3.1 铅标准曲线的绘制

准确配制溶液质量浓度分别为0.00 μg/mL、1.00 μg/mL、2.00 μg/mL、5.00 μg/mL、10.00 μg/mL、25.00 μg/mL的铅标准使用液，用火焰原子吸收分光光度计测定吸光度，绘制铅标准曲线。

1.3.2 土壤铅的淋洗方法

试供土壤样品通过20目筛，准确称取(0.500 0±0.000 2)g样品置于聚乙烯塑料离心管中。加入淋洗剂后，摇匀放入恒温振荡器内以250 r/min转速振荡一定时间后，于低速离心机上以3 500 r/min转速离心15 min，取一定体积上清液，用超纯水稀释定容至25 mL，平行测定3次，样液于火焰原子吸收分光光度计测定其铅含量。

1.3.3 铅去除率的计算

根据线性回归方程及下式计算淋洗液中铅的去除率：

式中：y为铅去除率，%;C为样液质量浓度，μg/mL;V为淋洗液体积，mL；N为样品稀释倍数；m为样品质量，g。

1.3.4 淋洗剂浓度对铅去除率的影响

分别配制浓度为0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 mol/L的EDTA溶液；0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80 mol/L的柠檬酸溶液；0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70 mol/L的酒石酸溶液；0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 mol/L的苹果酸溶液；0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70 mol/L的磷酸溶液；按照1.3.2的方法探究淋洗剂浓度对铅去除效果的影响。

1.3.5 Plackett-Burman试验设计

基于单因素实验探究，设计Plackett-Burman试验的因素和水平条件，以土壤铅的去除率作为实验的响应值，对铅污染土壤五种淋洗剂进行因素考察，每个因素取高、低两水平，对铅污染土壤复合淋洗剂进行筛选。

表2 Plackett-Burman设计的因素和水平 C/mol·L-1

2 结果与分析

2.1 铅标准曲线的绘制

以铅溶液质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制铅的标准曲线如图1所示。线性回归方程为y=0.012 9x+0.002 4，R2=0.999 6。铅标准溶液质量浓度在0.00～25.00 μg/mL范围内线性良好。

图1 铅标准曲线

2.2 单因素实验

2.2.1 EDTA浓度对铅去除率的影响

从图2看出，当浓度范围在0.02～0.08 mol/L时，EDTA浓度在慢慢增加，铅去除率也在随之增加。当EDTA浓度达到0.08 mol/L时，铅去除率为50.32%，浓度继续增加，铅去除率随之降低。这是因为EDTA通过螯合作用来吸附铅，随着EDTA浓度增加，其吸附率增加，当EDTA浓度大于0.08 mol/L时，螯合作用降低，铅的去除率反而降低。故选择淋洗剂EDTA的最适浓度为0.08 mol/L。

图2 EDTA浓度对铅去除率的影响

2.2.2 柠檬酸浓度对铅去除率的影响

从图3可见，当柠檬酸浓度在0.20～0.60 mol/L时，其对土壤重金属铅的去除率随柠檬酸浓度的增加而呈现较为明显的上升趋势；在0.60～0.80 mol/L范围内，土壤中Pb的去除率随着柠檬酸浓度的增加而减小，最后在浓度为0.60 mol/L时达到最大去除率47.67%，故本文选择淋洗剂柠檬酸浓度的最佳值为0.60 mol/L。

图3 柠檬酸浓度对铅去除率的影响

2.2.3 酒石酸浓度对铅去除率的影响

从图4中看出，当酒石酸浓度变化在0.10～0.40 mol/L时，酒石酸浓度在增加，土壤中铅的去除率增加，最大值为30.59%；当浓度范围在0.40～0.70 mol/L时，铅的去除率呈现下降趋势，去除率在减少，故本文淋洗剂酒石酸的最佳浓度为0.40 mol/L。

图4 酒石酸浓度对铅去除率的影响

2.2.4 苹果酸浓度对铅去除率的影响

从图5可见，当苹果酸浓度在0.05～0.25 mol/L范围内时，其对土壤中重金属铅的去除率随柠檬酸浓度的增加而呈现较为明显的上升趋势;在0.25～0.35 mol/L 范围内，土壤中Pb的去除率随着柠檬酸浓度的增加而减小，最后在浓度为0.25 mol/L时达到最大去除率48.88%，故本文选择淋洗剂苹果酸浓度的最佳值为0.25 mol/L。

图5 苹果酸浓度对铅去除率的影响

2.2.5 磷酸浓度对铅去除率的影响

由图6看出，当磷酸浓度范围在0.1～0.6 mol/L时，随着磷酸浓度的增加，土壤中铅的去除率增加，0.6 mol/L时达到最大值为38.75%；当浓度范围在0.6～0.7 mol/L时，铅的去除率随磷酸浓度的增加呈现下降趋势，故本文淋洗剂磷酸的最佳浓度为0.6 mol/L。

图6 磷酸浓度对铅去除率的影响

综上所述，以EDTA浓度为0.08 mol/L、柠檬酸浓度为0.60 mol/L、酒石酸浓度为0.40 mol/L、苹果酸浓度为0.25 mol/L、磷酸浓度为0.60 mol/L，固液比为 1∶20、振荡时间6 h为实验条件，对复合淋洗剂去除铅的效果进行研究，平行测定三次，得到铅去除率为53.72%。

2.3 Plackett-Burman设计

2.3.1 Plackett-Burman试验设计和测定结果

以此五种淋洗剂作为自变量，土壤铅的去除率作为响应值，进行Plackett-Burman试验设计，根据试验设计测定土壤中铅的去除率，结果见表3。

表3 Plackett-Burman试验设计及测定结果

2.3.2 Plackett-Burman试验分析

根据试验设定的水平因素，以EDTA、磷酸、酒石酸、柠檬酸、苹果酸的浓度为自变量，土壤重金属铅的去除率(Y)为因变量，按表3完成12组实验，得到土壤重铅的去除率(Y)。通过软件分享得到回归方程为：Y=51.92+11.56A-3.67B-0.21C+4.73D-4.31E。其中，Y为土壤铅去除率，A、B、C、D、E分别为EDTA、磷酸、酒石酸、柠檬酸、苹果酸5个因素变量的水平。

表4 Plackett-Burman试验因素显著性表

表5 各因素水平方差分析

根据Prob>F值获得各因素对响应值影响的柏拉图，见图2。

对砷去除效果最佳的五个因素的中对响应值影响的显著性(Prob>F，偏回归系数)顺序为：EDTA(0.000 1，11.56)>柠檬酸(0.012 7，4.73)>苹果酸(0.018 8，-4.31)>磷酸(0.031 6，-3.76)>酒石酸(0.883 3，-0.21)。从表5及图7可知，EDTA、柠檬酸、苹果酸三个因素的Prob>F均小于0.01，对铅的去除率的影响显著，而酒石酸的Prob>F值均大于0.05，为不显著因素。因此，通过Plackett-Burman试验分析，筛选出EDTA、柠檬酸、苹果酸为影响铅去除率的关键因素。

图7 Pareto Chart分析图

2.3.3 最陡爬坡试验设计

由上述设计结果，选择了对铅去除率有显著影响的三个关键因素：EDTA，柠檬酸和苹果酸进行效应分析，根据3个因素的偏回归系数得到各因素对铅去除率的效应估计图，结果见图8，EDTA和柠檬酸均为正效应，苹果酸为负效应。通过最陡爬坡试验进一步寻找中心点值，应考虑增加正效应因素EDTA和柠檬酸的水平，减小呈负效应因素苹果酸的水平，设计5组实验进行探究，结果见表6。由最陡爬坡试验可知，当EDTA浓度为0.14 mol/L、柠檬酸浓度为0.66 mol/L、苹果酸浓度为0.22 mol/L时，重金属铅的去除率达到最大值76.37%，因此，以编号4为中心点。

图8 效应分析图

表6 最陡爬坡试验设计及结果

2.3.4 验证试验

对编号4进行验证试验，平行测定3次，得到铅的去除率为76.33%，与最陡爬坡试验结果接近。比较分析不同实验条件下土壤铅的去除效果，将Plackett-Burman试验筛选得到的淋洗剂组合与未筛选(单因素实验)的实验结果进行对比，可知，Plackett-Burman试验筛选得到的淋洗剂组合对铅的去除率(76.33%)要明显优于未筛选时的结果(53.72%)，说明利用Plackett-Burman试验筛选最佳的铅淋洗剂组合能够有效地提高铅的去除效率，且筛选后的淋洗剂组合只需要3种淋洗剂便能获得较高的去除率，相对于筛选前的5种淋洗剂更加环保和经济，为铅污染土壤淋洗技术的进一步优化提供实践指导。

3 结论

本文以滇南老矿区周边的土壤为研究对象，通过单因素Plackett-Burman试验设计筛选适合于矿区铅污染土壤的最佳淋洗剂。在固液比为1∶20，振荡时间为6 h的条件下，筛选得出铅污染土壤的最佳复合淋洗剂为EDTA、柠檬酸、苹果酸，其浓度分别为0.14 mol/L、0.66 mol/L、0.22 mol/L，在此条件下得到铅的最佳去除率为76.37%，较筛选优化前淋洗剂种类减小，铅除去率显著提高。Plackett-Burman试验设计模型可靠，用于土壤铅污染土壤复合淋洗剂的筛选优化具有一定的可行性。