利用环糊精进行土壤淋洗以及应用电化学技术回收环糊精

José Gómez,M.Teresa Alcántara,Marta Pazos*,M.Ángeles Sanromán

西班牙维哥Marcosende 36310，拉戈亚斯校园，艾萨克.牛顿大厦，维哥化学工程学院

1.介绍

多环芳香烃（PAHs）是一种污染物，具有自然和人为两种来源，是固体和液体燃料的不完全燃烧或工业活动产生的。许多多环芳烃对植物群和动物群具有不利影响，通过吸收和积聚于食物链，影响动植物的栖息地。在某些情况下，多环芳烃会造成严重的人类健康问题和/或遗传性缺陷。因此，对多环芳烃富集源区进行环境整治，防止将这些污染物运输到环境中，显得极为重要[1]。

多环芳烃是疏水性化合物，能持续存留于环境中，这主要是由于它们的水溶性低。另外，环境因素如土壤类型和结构、pH值、温度，以及和其他污染物共存，如其他烃类和重金属，这将会延长其存留于环境中的时间[2]。有毒的多环芳烃能持久存在，很难从渗透率低的粘质土壤中除去，因为这些污染物具有低水溶性，并能与土壤中的粘土矿物和有机物强烈结合[3]。此外，一些较重的多环芳烃（具有三个环以上）都难以被生物降解，通常使用有机溶剂来溶解多环芳烃或使用表面活性剂来增加多环芳烃的溶解度。

如何去除这些污染物对科学家和工程师们来说是一个挑战。目前，土壤淋洗技术大多使用共溶剂（甲醇和乙醇）或表面活性剂，以实现充分溶解疏水化合物的目的。这是一个需要大力监管的问题，因为这些分子会对人体和环境产生危害。通过使用封装了难溶于水的污染物的铬合剂，尝试增加顽固有机污染物的溶解度，从而有利于将它们从污染场地除去。环糊精是优选出的合适的络合剂，它不仅能提高有机物的溶解度，同时能最大限度地减少对环境的影响[4]。环糊精是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称。其中研究得较多并且具有重要实际意义的是α-环糊精，β-环糊精和γ-环糊精，分别包含6、7、8个吡喃葡萄糖单元。通过占据整个污染物分子或部分污染物分子，环糊精能与污染物一起形成包合物，进入空腔。环糊精具有有机溶剂没有的一些优势，譬如他们的无毒性和生物可降解性[5]。然而，使用环糊精提高了洗涤过程中的操作成本。为了避免这种限制，必须开发环糊精回收和再利用技术。

针对如何回收洗涤过程中用到的萃取剂，之前的研究已经提出了几种可供选择的方法。Ahn等人[6]提出土壤淋洗程序后，运用活性炭对危险疏水性有机化合物（HOC）进行选择性吸附是一种有效的表面活性剂回收方法。此外，Tao和Marshall[7]评价了采用表面活性剂除去土壤样本中积累多年的多环芳烃化合物的效率。调研后发现在超临界二氧化碳的稍微富氢环境中，很容易除去污染物的毒素。这些技术帮助回收表面活性剂，和除去土壤中的多环芳烃污染物，并解毒，从而降低经济成本。另一方面，生物技术方法被用于回收萃取剂。因此，Navarro等人[8]通过使用纯培养的鞘氨醇单胞菌属，研究了两个样本溶液和DNA土壤淋洗废水中的多环芳烃的生物降解能力。多环芳烃降解过程中，保持多环芳香烃夹层的DNA结构的稳定性，这使它在下一次提取时可以再利用。

在这项研究中，菲是一种不带电荷的有机化合物，它包括三个芳环，被选为有代表性的多环芳烃。它具有类似于其他多环芳烃的环境特性，如含水溶解性，水分配系数Kow，和蒸气压力[9,10]。尽管具有更高分子量和更强致癌性的多环芳烃，如苯并芘，可能有更高的Kow值和更低水溶解度。有人推测由于母结构相似，菲将是具有充分代表性的化合物，具有一般PAH的行为指标。

这项研究的重点是开发有效土壤淋洗系统。整个系统包括两个步骤:第一，用环糊精溶液淋洗填充柱中的污染土壤，除去菲。第二，电化学处理淋洗后的溶液，降解菲，从而回收环糊精并在另一洗涤过程中重复使用。

2.材料和方法

2.1 材料

污染物:用于污染土壤的菲的纯度大于97%，购买于Sigma-Aldrich公司。

环糊精:在洗涤过程中使用的羟丙基-β-环糊精（HPCD）和甲基-β-环糊精（MCD）溶液由Sigma-Aldrich公司提供。所有环糊精使用时无需进一步纯化。

土壤:研究的土壤取自图罗（西班牙）的一个矿山，从道路土壤中获得了材料。这种土壤主要由斜长角闪岩、黄铜矿、褐铁矿、石榴石、铁和铜的硫化物组成。采用Eijkelkamp公司的取样器对道路顶部30厘米的土壤进行采样，并将土壤样品汇集于田野。用聚乙烯袋装好样品，并运送到实验室。Vega等人[11]对土壤特性进行了总结。

2.2 土壤样品准备

用完全溶解于己烷中的菲溶液对土壤进行污染。通常该污染混合物的预期浓度在500mg/kg（456mg菲/kg干土），这是在污染场地中心源区附近发现的典型多环芳烃浓度[12]。将所得到的混合物在通风橱中放9天，以使得溶剂完全蒸发[13]。一个样品被用来测量菲的精确浓度，因为一些污染物可能随着己烷挥发掉了。

2.3 实验装置

初期进行了大量提取实验，用于评价两类环糊精的能力。而一旦确定最合适的环糊精后，就开始了小型洗涤。采用两相土壤修复技术，如图1所示。第一步是在填充柱内淋洗土壤。第二步，收集循环洗涤土壤后的溶液，并在电解池中进行处理，以实现菲降解和环糊精回收。最后，在摇瓶中进行一些测试，以确定回收的环糊精溶液的菲去除率。

批量提取:取2.5g干燥污染土壤放入装有50mL（0.1～4%）环糊精溶液的250mL锥形瓶中。同时进行没有环糊精溶液的对比实验。保持锥形瓶的转速为（Gallenkamp）150rpm，并且保持温度为25℃。24h后，对烧瓶进行离心处理；倒出上层清液，确定菲浓度。

土壤淋洗:将112g干燥污染土壤放置于一圆柱中（图1），该圆柱直径为3.2cm，高度为10cm。分别在填充柱的入口和出口处设置两室。在填充柱的底部入口室填充玻璃珠，以便加强洗涤液均匀流动，使其平均分配到圆柱中。两隔室和土壤被两者之间的滤纸和多孔石头隔离。借助蠕动泵以0.25mL/min的速度持续提供水溶液，保持洗涤液循环6天。从出口室中取出洗涤溶液样品，以确定菲浓度。

电化学处理:在有机玻璃立方体单元中进行电化学处理，工作液量是0.4L。使用石墨电极，浸没区域是52cm2，电极间隙是8cm[14]。电源供应器（HP型号3662）提供恒定的电势差（5V），并且整个过程用万用表（Fluke 175）进行测量。实验装置示意图如图1所示。周期地从电解池中取出样品反应混合物，用于分析pH值和菲浓度。

图1 实验装置:（1）HPCD溶液；（2）磁力搅拌器；（3）泵；（4）填充土壤柱；（5）电力供应；（6）具有石墨电极的有机玻璃电化学电池

用回收的环糊精对摇瓶中的土壤进行淋洗。在250mL锥形瓶内进行土壤淋洗，往锥形瓶中加入2.5g干燥污染土壤和电化学处理中收集到的50mL溶液。同时进行含/不含环糊精的对比实验。保持锥形瓶的转速为（Gallenkamp）150rpm，并且保持温度为25℃。24h后，对烧瓶进行离心处理；倒出上层清液，确定菲浓度。

2.4 方法和分析测定

在这项研究中，所有实验均进行两次。在每个实验结束时，都将对从溶液和从泥土中获取的样品进行化学分析。这些分析一式三份，标准偏差小于15%。所有图中显示的结果均为平均值。

菲提取:使用索氏设备从土壤样品中提取菲。将干土（5g）和5g硫酸钠充分混合，并置于滤纸纤维素萃取套管中。使用100mL提取液，提取液中的己烷和丙酮按1∶1的比例混合。每小时循环5周，24h后，采用HPLC法测定菲浓度。美国环保局测试方法3540C介绍了索氏提取过程[15]。

菲浓度:通过HPLC（安捷伦公司1100）测定菲浓度，配备一个XDB-C8反相柱（150×4.6mm内径，5mm）。在注射前，将样品通过0.45mm特氟龙滤波器进行过滤。注入体积设定为5，在泵速为1mL/min的条件下等度洗脱（乙腈/水的比例是70∶30）10min。采用二极管阵列检测器进行检测，覆盖范围是200nm到400nm。柱内温度保持在20℃。

3.结果与讨论

3.1 批量提取

对人为污染土壤进行解吸需要知道大规模环糊精辅助修复的局限性。初期进行批量萃取实验用以评价两种类型的环糊精从污染土壤样本中提取菲的能力。两种类型的环糊精分别是羟丙基-β-环糊精（HPCD）和甲基-β-环糊精（MCD）。当环糊精浓度提高至4%时，评价解吸结果。

如图2所示，两类环糊精的去污能力是差不多的。所研究的环糊精可以作为增强溶解度的试剂使用，能有效提取菲。当使用的环糊精浓度高于1%时，菲解吸程度在70%左右。这两类环糊精性能相近，如何选择他们将主要考虑各自的成本。基于这个原因，在接下来的实验中，将选择使用浓度为1%的环糊精（HPCD）。

虽然文献中只有很少的数据说明这些化合物作为提取剂的可用性，但获得的结果与之前的文献是一致的。Viglianti等人[16,17]研究了环糊精溶液（β-环糊精（BCD），羟丙基-β-环糊精（HPCD）和甲基-β-环糊精（MCD））能有效去除多年工业污染土壤中的多环芳烃。和水相比，他们认为PAHs的提取增强系数大约为200。

Oleszczuk[18]测试了HPCD的非彻底性提取技术的适用范围，用于评估可能具有生物活性的PAH的百分含量，同时评价城市污水污泥堆肥期间这个百分含量的变化。采用HPCD提取的百分比范围是63.5～83.1%，该百分比取决于污泥，并且会改变生物所吸收利用的部分的数值。

图2 在摇瓶内洗涤，HPCD溶液（黑色）和MCD溶液（灰色）对菲的去除效果

3.2 在圆柱中采用HPCD洗涤以实现土壤修复

本次研究的目的是开发一种竞争力和有效性相结合的方法，不仅能从土壤中除去污染物，而且也能回收环糊精并将其再次应用到洗涤过程中（图1）。因此，我们决定人为污染土壤，采用已知浓度的污染物多环芳烃（菲），这样可以避免污染物来源、类型和浓度，以及污染时间造成的差异。

图3显示了洗涤过程中去除率和时间的关系。在这种情况下，术语去除率被用来表示初始浓度下圆柱内菲的去除性能。可以观察到，菲去除率符合逻辑模型，菲浓度减少量逐渐达到最大值（约70%）。6天内洗涤液的流速，土/洗涤溶液的比值（0.055克土每毫升溶液）和使用摇瓶获得的结果类似。这些结果证实摇瓶和圆柱内进行的实验之间存在良好的相关性。

Navarro等人[19]确定了一个类似的性能。在他们的研究中，用于清洗或冲洗多环芳烃污染土壤的含水脱氧核糖核酸（DNA）溶液的电势被确定。他们采用含102mg/kg菲的一个加标土壤样品。采用5%的DNA，土/萃取剂的比例是1∶50的条件下，菲的提取率接近78%。

在实验结束后，从柱底部将土壤样品分成6段（如图1），每一段都用于菲浓度分析。如图4所示，上段土壤的菲保留率比下段土壤的要高。从所有段来看，保留在土壤中的菲浓度平均约为29%，接近土壤和洗涤液中污染物的摩尔平衡。

图3 采用HPCD溶液（1%）洗涤，对土壤圆柱内菲的去除效率

图4 柱中不同高度的泥土中保留的菲浓度黑色柱和灰色柱分别表示泥土中初始和最终的菲浓度

3.3 采用电化学处理法回收HPCD，并在洗涤过程中重复利用

由于环糊精的成本高，因此考察洗涤液回收利用的可能性，以及验证该溶液在另一洗涤过程的洗涤效率是极其必要的。为此，用过的富含菲的洗涤液，必须经过处理以便能再次用于去污。最近，电化学技术受到越来越多的关注，因为其在降解过程中能成功避免产生二次污染物，并具有方便性和简单性。据我们所知，为了溶液的回收和再次利用，需要对环糊精进行电化学处理。但是至今还没有研究电化学处理后的环糊精对多环芳烃降解的影响。在电化学处理中，电流导致电极表面发生氧化还原反应，导致有机化合物被破坏[20,21]。参与这项技术的氧化机制也极具特色，它们包括直接电氧化，羟基自由基介导的氧化作用，处理污染物中的盐时通过氧化剂发生氧化反应[22]。

为了实现整个电化学处理过程中的高效率，必须考虑几个因素，如电压降和电流强度。在以往的工作中，已经对这个变量进行了优化[23]。该实验温度是25℃，恒定电势差是5V。图5显示了立方单元中的菲降解情况。在处理过程中，电解池的pH值大约是3。处理1天后，菲全部完成降解。

图5 菲浓度与电化学处理HPCD洗涤液的时间的归一化关系图数据（·）符合一阶线性方程

菲浓度和时间呈指数分布。因此，在第一级的电化学反应中，速率和菲浓度成正比，如公式(1)所示:

其中，C和C0:随时间变化的菲浓度和初始浓度；t:时间（天）；r2:统计相关系数。

彻底除去菲之后，为了确定经过摇瓶电化学处理后的溶液的去污能力，进行了几个实验。已经测定回收溶液的菲去除率比新HPCD溶液的菲去除率低3%。很明显对于再次将环糊精用于另一洗涤过程中，从洗涤溶液中有选择性地除去污染物是一项潜在有效的技术。

各阶段的评价表明，本项研究（洗涤和电化学处理）的顺序进程是减少经济成本的最理想方法。

4.结论

根据实验结果得出的结论是环糊精能有效提取多环芳烃。采用环糊精进行有序洗涤之后再进行电化学处理以便对环糊精进行回收，两者相结合保证了从污染土壤中能高效去除PAHs，并大大减少经济成本。

结果表明，这项研究开发的新技术适用于修复被PAHs污染的土壤环境，并且具有成本低和操作方便的优势。这个系统能用于“清理”被多环芳烃污染的土壤和处理后续残余液体。它表明，电化学处理是一种具有高潜力，能用于替换或改进现有流程的多用途互补型技术。

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