李薇，王信粉，时利香，宋瑶，张杰，杜显元

（1华北电力大学教育部资源与环境系统优化重点实验室，北京102206；2中石油管道有限责任公司西部分公司，新疆乌鲁木齐830013；3中国石油集团安全环保技术研究院有限公司石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，北京102206）

多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是广泛存在于环境中的有毒、有害、持久性有机污染物，炼焦工艺排放的化学物、石油泄漏和石化企业的加工及制造过程都会产生大量的PAHs[1]。PAHs具有疏水性、化学稳定性及生物利用率低等特性，易在生物体内和脂类物质中富集，对土壤和地下水造成严重污染[2-5]，进而对人类健康构成严重威胁。多数PAHs具有致癌、致畸、致突变效应，能引发人体细胞癌变甚至人体基因突变[6-7]。有研究表明[7]，当环境中苯并芘的浓度每提高0.1μg/100m3，肺癌死亡率将会提高约5%。

表面活性剂淋洗技术具有处理效率高、实施周期短、成本低、环境友好等特点，是一种具有广泛应用前景的修复技术[8-9]。Edwards等[10]研究表明，当表面活性剂的浓度大于临界胶束浓度（CMC）后，能有效降低有机物在土壤中的吸附能力，大幅度提高有机物在溶液中的溶解度，进而提高其去除率。由于单一表面活性剂的增溶效果有限，因此有研究人员对单一表面活性剂进行复配，结果发现，复配后的混合体系较单一表面活性剂具有更低的表面张力和临界胶束浓度，极大地提高了表面活性剂对污染物的增溶能力[11]。Zhu等[12-13]进行了阴离子-非离子混合体系对PAHs的增溶实验，发现复配体系对PAHs的增溶效果明显强于单一体系，表明复配体系可以有效地提高表面活性剂的增溶性能。倪贺伟[14]研究了十二烷基苯磺酸钠（SDBS）-Tween80阴离子-非离子混合表面活性剂对土壤中菲和芘的去除效果，结果表明，质量比为2∶3的SDBS∶Tween80混合表面活性剂对菲和芘的洗脱率是单一表面活性剂Tween 80的1.79倍和1.45倍。

阴离子型表面活性剂具有较高的表面活性，但容易受到酸碱环境的影响，导致其应用范围较窄；非离子表面活性剂在溶液中不会发生电离，稳定性比较高，二者复配后，既可以保持混合表面活性剂体系较高的表面活性，又可以增加体系的应用范围[15-16]。鼠李糖脂是一种阴离子生物表面活性剂，具有无毒、两亲等性质，浓度达到临界胶束浓度时会对多环芳烃产生明显的增溶作用，已经被广泛用于处理土壤有机物及重金属污染[17]，但鼠李糖脂的增溶效果易受到酸碱条件的影响，使得鼠李糖脂在环境污染治理中的应用受到一定限制。皂素是一种天然的非离子生物表面活性剂，具有环境友好、易生物降解等优点，且相比于其他非离子化学表面活性剂有更好的增溶能力[18]。因此，本文选择鼠李糖脂和皂素进行复配实验，测定不同复配比下的表面张力，确定最佳的复配比。另外，利用单因素实验研究pH、温度、盐度和洗脱次数等工艺因素对混合表面活性剂体系洗脱芘效果的影响，并利用响应曲面法研究各环境因素的交互作用，确定混合体系的最佳实验条件。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验土壤样品取自未被污染的校园土壤。经晒干、分拣杂物等粗略处理后过2mm筛，并放置在自然通风口进行风干。称取适量芘充分溶解于丙酮中，然后倒入2kg风干土壤中，配置芘浓度为500mg/kg的污染土壤，搅拌均匀后置于通风橱中，待有机溶剂挥发后置于4℃冰箱中备用。

使用的主要试剂为芘（分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；鼠李糖脂（生物制剂，95%，陕西亿康龙生物技术有限公司）；皂素（生物制剂，10%～25%，上海麦克林生化科技有限公司）；正己烷、乙腈（色谱纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氯化钙、氯化钾、氯化镁（分析纯，北京化工厂）。

1.2 实验方法

1.2.1 表面活性剂复配实验

按照复配比α配置一系列浓度为1000mg/L的鼠李糖脂-皂素混合溶液（α为单一组分占复配体系的质量分数）。利用表面张力仪测定混合溶液的表面张力，确定最佳复配比，具体设计见表1。

表1 表面活性剂复配体系设计

1.2.2 复配表面活性剂溶液洗脱芘的单因素实验

通过控制变量法，分别对洗脱实验中表面活性剂的浓度、pH和离子浓度（KCl、CaCl2、MgCl2）、洗脱液回收次数进行单因素分析，测定实验条件的变化对芘洗脱效率的影响，设计梯度如表2。具体实验操作如下，称取1g污染土样于50mL离心管中，加入10mL混合表面活性剂溶液并密封；之后在常温条件下，超声15min，取出后用离心机以5000r/min离心15min。将上层溶液倒出，剩余土壤进行干燥后，用高效液相色谱测定土壤中芘质量分数。

表2 影响因素的试验梯度

1.2.3 响应曲面分析实验

响应曲面法是用于工艺参数优化、评价因素影响水平及交互作用的方法[19]。各因素对芘的效果产生的影响均不相同，这些因素在影响芘的洗脱过程中可能存在交互作用，从而产生积极的影响[20-22]。因此本试验选取了表面活性剂的浓度、pH和Mg2+离子强度3个因素作为主要因子，采用Box-Behnken模型设计实验，利用Design Expert.v8.0软件对实验结果进行拟合分析，以土壤中芘的洗脱率作为响应值得出多项式预测模型，实验设计如表3所示。

表3 Box-Behnken法实验设计

1.2.4 土壤中芘的测定

采用液相色谱法测定芘，芘的检测波长为240nm。仪器分析条件设置为进样量10μL，流速调至1.0mL/min，流动相分别为乙腈和水，配置浓度为0.05μg/mL、0.1μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、5.00μg/mL的芘标准使用液，存储于棕色容量瓶中，之后设置如表4所示的程序进行测样。由低浓度到高浓度依次对系列标准溶液进样，以芘浓度为横坐标，以峰面积为纵坐标建立标准曲线，所得标准曲线相关系数为0.99999，芘标准曲线见图1。

图1 芘标准曲线图

表4 梯度洗脱程序表

干燥后的土壤样品以正己烷为萃取剂对芘进行萃取，萃取液经无水硫酸钠与玻璃纤维滤膜处理，过滤至旋蒸瓶中，进行提取、浓缩、净化，之后转移至浓缩瓶，加入乙腈定容，待测。样品按照与绘制标准曲线相同的仪器分析条件进行测定，并利用标准曲线计算得到样品中的芘含量。芘的洗脱率计算见式(1)。

式中，E为对芘的洗脱效率，%；c0为1g土壤中芘的初始质量，mg；c1为洗脱后的1g土壤中芘的剩余质量，mg。

2 结果与分析

2.1 表面活性剂的复配比例

由图2可知，复配体系溶液的表面张力与复配比α紧密相关，随着复配比α增大，表面张力整体上表现出先降低再升高的趋势。单一皂素溶液的表面张力为35mN/m，单一鼠李糖脂溶液的表面张力为30mN/m。当复配比为0＜α＜1时，混合体系的表面张力基本低于单一表面活性剂，且表面张力最低可以达到28mN/m，说明复配后的表面活性剂体系具有更高的表面活性。当复配比为0.2时，表面张力最低。因此，鼠李糖脂-皂素混合溶液的最佳复配比为0.2。

图2 表面张力随复配比α的变化

2.2 影响复合表面活性剂对芘洗脱作用的因素

2.2.1 表面活性剂浓度

不同浓度梯度的复配表面活性剂对芘污染土壤的洗脱效果如图3，从图3中可以看出洗脱率与表面活性剂浓度基本上呈正相关。当复配表面活性剂浓度从200mg/L增加到1800mg/L时，芘洗脱率从57.61%提高到71.14%。此后随着浓度继续升高，洗脱率没有明显变化，说明在浓度为1800mg/L时，复配药剂对芘的洗脱率达到饱和。有研究表明，高浓度的表面活性剂具有更多可利用的胶团分子，根据相似相溶原理，则有更多的芘从土壤中解吸[23]。此外，土壤会吸附部分表面活性剂，使得土壤所含有机质膨胀，界面张力因而降低，PAHs解吸力度增大，洗脱效率升高[24]。还有研究发现，在土-油系统中，土壤中残留的油相类似于立体弹性聚合体，表面活性剂通过提高PAHs在土-油系统中的扩散来提高其迁移能力[25]。

图3 混合体系浓度对洗脱效果的影响

2.2.2 pH

复配表面活性剂在酸碱条件下的洗脱效果如图4。由图4可知，pH在2～8时洗脱效果较好，在pH为8时洗脱率达到最高，为80.44%，而在pH为9～12范围内洗脱率较差，说明该药剂更适用于偏酸性或弱碱性的污染土壤；但是在pH为10、12时，洗脱率达到了60%以上，证明该复配药剂具有较好的耐碱性，适用于绝大多数的污染土壤修复体系。根据田丹妮等[26]的研究，表面活性剂对其他PAHs，如萘、菲等也具有相同的规律。随着pH逐渐升高，鼠李糖脂的增溶效率下降，而在7～8范围内却又达到部分回升，之后便持续下降。这可能是由于pH增加使得溶液中OH-变多，分子负电荷增多，从而使得分子之间的排斥力增加、胶团的聚集数量减少、胶团的体积变小，从而降低了多环芳烃的增溶量。杨娟娟等[27]研究了pH对皂素增溶性的影响，结果发现溶液pH的增加降低了皂素对芘的增溶作用。这是由于皂素含有羟基、羧基等酸性分子结构，随着pH上升，这些基团发生电离，皂素溶液中带电离子的浓度逐渐增大。在静电力的作用下，使得分子间排斥力加大，从而导致皂素溶液的CMC变大，溶液中胶束浓度降低。同时，胶束内部的极性减弱，降低了芘在胶束中的分配作用，从而降低皂素对芘的增溶性能。

图4 pH对洗脱效果的影响

2.2.3 无机盐离子浓度

无机盐电解产生的金属阳离子会与表面活性剂复配体系中亲水基产生相互作用，进而影响表面活性剂复配体系的界面性质，因此无机盐的浓度及种类均会对表面活性剂复配体系的增溶作用产生较大影响[28]。通过实验测定三种盐离子K+、Ca2+、Mg2+分别在浓度为低浓度0.01mmol/L、0.05mmol/L、0.1mmol/L、0.2mmol/L、0.3mmol/L及 高 浓 度10mmol/L、50mmol/L、100mmol/L、200mmol/L、300mmol/L条件下对复配表面活性剂洗脱芘的影响。从图5(a)中可以看出，在低浓度条件下，随着盐离子浓度的增加，洗脱率呈先上升后下降的趋势，这说明低浓度的无机盐离子可以提高表面活性剂的表面活性，且这三种金属离子对洗脱效果的影响大小依次为Mg2+＞Ca2+＞K+。而洗脱率与无机盐浓度呈正相关的原因在于，金属阳离子可以压缩表面活性剂的极性基，使得两者在油水界面上的排布更为紧密，增强界面活性。此外，无机盐可以增强表面活性剂极性基与水分子之间的相互作用，表面活性剂复配体系的亲水性更强，油水界面张力更低，进而使界面活性更好[29]。在鼠李糖脂-皂素复配体系中，当Mg2+浓度为0.1mmol/L时，洗脱率达到最高，为79.68%，因此在后续实验中选择MgCl2作为影响洗脱率的盐离子。

图5 盐浓度对洗脱效果的影响

为了研究混合表面活性剂的耐盐性能，同时在高盐离子浓度下进行了洗脱实验，如图5(b)，当离子浓度大于10mmol/L后，K+对洗脱效率的提高已经达到饱和，但相比低浓度下仍然提高了将近3%，而其余二价离子对芘的洗脱明显产生了抑制作用。先前有学者针对高浓度盐离子对增溶作用的影响进行了相关研究[30]，结果发现，在Ca2+浓度超过200mmol/L后，表面活性剂与其发生反应生成了沉淀，且由于二价阳离子在高浓度下所带正电荷过多，将会抑制胶束的形成，从而降低增溶剂的表面活性，导致洗脱效率降低。但从图中还可以看出，在盐浓度达到200mmol/L时，混合表面活性剂对芘的洗脱效率仍高于55%，因此该鼠李糖脂-皂素具有良好的耐盐性。

2.2.4 洗脱剂回收次数

洗脱过程需要耗费大量的表面活性剂，不仅会造成资金浪费，若洗脱液不经处理还会产生二次污染。从图6可知，回收之后的洗脱液的洗脱效率较未使用过的均有不同程度的降低，但总体而言，回收的洗脱液仍对芘有一定洗脱效果。随着回收次数的增加，洗脱液中未被利用的活性部分逐渐减少至极限，且经过洗脱之后的溶剂不免含有不易清理的土壤杂质，导致洗脱效果下降。对于高浓度的洗脱液（表面活性剂浓度＞1800mg/L）回收效率较高，回收一次时去除率可以达到60%，在回收三次之后仍可以达到50%；而对于低浓度（200～1800mg/L）的洗脱液，在回收一次时仍可以达到50%以上。这说明复配药剂的回收性能较好，在实际工程中也可采用回收洗脱剂的方法节约资源。

图6 回收次数对洗脱效果的影响

2.3 响应曲面法优化实验

响应曲面分析的实验结果如图7所示。利用Design Expert.v8.0软件对实验结果进行的拟合分析如表5所示。以芘的去除率为响应值，以表面活性剂浓度、pH、Mg2+为自变量建立响应曲面二次多项式，该模型符合式(2)。

表5 误差分析表

图7 响应曲面设计下的芘脱率

式中，Y表示芘的洗脱率；A、B、C分别表示实验实际操作中的表面活性剂浓度、pH和Mg2+强度。

误差分析可以帮助检验预测模型的准确性[31]。由表5可知，模型的F为9.57，模型显著性检验P=0.0035＜0.05，表明该模型是极显著的，可信度很高，只有0.35%的不准确性；失拟值的F为5.97，P为0.0585＞0.05，说明整个模型仅有5.85%的失拟几率；且因素A、B、AB、A2、B2的P均小于0.05，说明这几个因素为该模型的显著因素；R2=0.9445＞0.8，说明建立的回归模型拟合度良好，实验误差小。综上，该模型预测值的可靠性很高，可以用来预测不同实验条件下二元复合体系对芘的洗脱效果。

主效应分析如图8所示。当pH从4增加到12，芘的洗脱率先升高后显著降低。而当盐浓度增加时，芘的洗脱率也相应增高。根据三个因子的斜率可知，显著性影响从大到小依次为pH＞表面活性剂浓度＞Mg2+浓度，可见复配表面活性剂对芘的洗脱实验需严格控制反应体系的pH，这是确保生物表面活性剂保持活性的关键。

图8 单因子影响分析

交互效应分析如图9所示，单因子的两水平对响应值的曲线均存在相交部分。这意味着两因子对芘洗脱率的影响存在一定的交互作用，而相交程度越大，交点越清晰，则证明两因子间的交互作用越明显，因此从图中可以得到，三种因子两两交互作用大小为AB＞AC＞BC，即浓度与pH对芘的洗脱产生较大的交互影响，而pH与盐度的交互作用最微弱。

两因素水平变化产生的斜率可以体现出因子对响应值的影响程度，斜率越大，表明影响程度越大。从图9(a)中可以看出，B因子的两种水平对响应值的影响随A因子的变化均发生明显改变。其中，在B因子与A因子均处于低水平时，其对芘的洗脱率仅有60%左右。而随着A因子水平的升高，低水平的B因子对响应值的影响慢慢升高至85%。相反的，B因子处于高水平时，其对响应值的影响随A因子水平的升高逐渐降低，由67%降至57%；对比之下，低水平具有更高的斜率，其对响应值的影响程度更大，因此与A因子交互作用更明显，此外在两者交互影响下，响应值达到了更高的层级，所以在高表面活性剂浓度低pH条件下，可以得到更好的洗脱效率。同理，复合体系对芘的洗脱在低pH、高盐浓度或中等表面活性剂浓度、高盐浓度的条件下可以达到较好的效果。

图9 双因子交互影响

响应曲面坡度越陡，则实验因素对增溶效果的影响越显著。图10中可以看出，AB的响应曲面坡度最陡，BC的响应曲面坡度最平缓，得出实验因素的显著性与上述结果相一致。如图10(a)，pH从4增至8时的响应曲面较8～12时更为陡峭，因此实验pH应控制在中性偏酸范围内；图10(b)中可以看出，浓度从1400mg/L增至2000mg/L的响应面要比800mg/L至1400mg/L的响应面更为陡峭，因此表面活性剂浓度需控制在1400～2000mg/L；图10(c)显示，盐度从0.1mmol/L增至0.3mmol/L时，响应曲面呈现先增长后降低的趋势，所以盐浓度应选取0.2mmol/L左右最为合适。

图10 3D响应曲面图

对模型方程求一阶导数得到最佳条件：表面活性剂浓度为1966.63mg/L、pH为4.44、Mg2+浓度为0.22mmol/L，取整得表面活性剂浓度为1900mg/L、pH为5、盐浓度为0.2mmol/L。在此优化方案下，复配药剂对芘的洗脱率可以达到更高，为87.45%（见图11）。通过多次实验验证，发现根据此预测模型作出的优化方案，其洗脱率可以达到89.25%，与预测值仅有2.06%的偏差，该模型具有一定的指导意义。

图11 Box-Behnken模型优化方案

3 结论

本文测定了表面活性剂浓度、pH、三种盐离子（KCl、MgCl2、CaCl2）及洗脱液回收次数4种因素对鼠李糖脂-皂素混合体系洗脱土壤中多环芳烃芘的影响，并筛选出3种影响效果较为显著的因素进行响应曲面分析，优化得到最佳的洗脱方案，得出以下结论。

（1）鼠李糖脂和皂素复配后可以有效地降低溶液的表面张力，当混合表面活性剂的复配比介于0和1之间时，混合溶液的表面张力均低于单一表面活性剂，且当复配比为0.2时达到最佳效果。

（2）随着表面活性剂浓度的升高，洗脱效率明显增强，在混合溶液浓度为1800mg/L时达到最高，为71.14%；pH对芘洗脱率的影响呈现先增长后降低的趋势，在pH为8时达到最高，为80.44%，而且在强酸强碱性条件下洗脱率也达到60%以上，说明鼠李糖脂-皂素复配后具有良好的耐酸耐碱性；3种盐离子对复配表面活性剂的表面活性影响大小为Mg2+＞Ca2+＞K+，因此最适宜作为添加剂提高表面活性剂洗脱效果的为MgCl2，其在0.1mmol/L时达到最大洗脱率79.68%。此外，在高浓度盐离子条件下，复配表面活性剂依然保持良好的活性，说明其具有良好的抗盐性。对于高浓度的洗脱液（表面活性剂浓度＞1800mg/L），在回收3次之后去除率仍可以达到50%，具有较高的回收性。

（3）响应曲面实验表明，3种因素对洗脱效果的显著性影响从大到小依次为pH＞表面活性剂浓度＞Mg2+浓度，在对两两交互作用的分析中，3种因素两两交互作用从大到小为表面活性剂浓度与pH的交互作用＞表面活性剂浓度与盐度的交互作用＞pH与盐度的交互作用，这说明pH对表面活性剂的活性具有较大的影响。

（4）经过Box-Behnken模型优化，得到最佳洗脱实验条件，混合表面活性剂浓度为1900mg/L、pH为5、Mg2+的浓度为0.2mmol/L，在此优化方案下，复配药剂对芘的洗脱率达到最高，为89.25%。