表面活性剂对土壤毛细水上升特性的影响

王兴照　李英杰　胡晶　周春坚　田森林　黄建洪

摘要 [目的] 探明表面活性剂对污染土壤理化性质的影响。[方法] 研究土壤修复中常用的3种表面活性剂（十二烷基硫酸钠、吐温40、吐温80）对土壤毛细水上升高度、上升速度以及土壤含水率的影响。[结果] 表面活性剂的加入均可降低土壤毛细水上升高度，在1.00倍临界胶束浓度（CMC）时，3种表面活性剂溶液在土壤中的毛细水上升高度分别减小了13.6%、22.1%和27.9%，且毛细水上升高度可采用幂函数进行定量预测。土壤毛细水上升速率和含水率随表面活性浓度的增加呈减小趋势，且表面活性剂浓度低于CMC时，影响较大，随着浓度的继续增加，影响逐渐减小并趋于平缓。[结论] 该研究对于认识表面活性剂-土壤复合体系的理化性質及进行污染土壤修复工程设计具有重要意义。

关键词 土壤；表面活性剂；毛细水上升；含水率

中图分类号 S152.7；O647.6 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2018）18-0098-04

Effects of Surfactants on the Characteristic of Soil Capillary Water Rising

WANG Xingzhao， LI Yingjie， HU Jing et al （Faculty of Environmental Science and Technology， Kunming University of Science and Technology， Kunming，Yunnan 650500）

Abstract [Objective]To evaluate the effects of surfactants on soil physical and chemical properties.[Method]Effects of three surfactants， namely SDS， TW 40， TW 80 which were extensively used in remediation of contaminated soils on the capillary water rising height，rate and moisture content in soil were studied. [Result]Addition of surfactant decreased the height of capillary water in soil， and the capillary water rise of the three surfactants in soil at one time of the critical micelle concentration （CMC） decreased by 13.6 %， 22.1 %， 27.9 % respectively and the rise height could be quantitatively predicted by power function. The study also found that the capillary rise rate and water content of soil decreased with the increase of surfactants concentration， and the decreased extent was bigger before CMC. With the increase of surfactant concentration the effect tended to stable.[Conclusion]The study has significance to understand the composite system of surfactantsoil and accurately design the remediation technologies of contaminated soil.

Key words Soil； Surfactants；Capillary water rise；Moisture content

近年来土壤污染日趋严重，基于表面活性剂的污染土壤修复是一种常见的土壤修复技术。表面活性剂广泛应用于土壤的原位、异位修复工程中。表面活性剂修复经济、高效，可同时去除多种有机污染物，但大量使用势必造成土壤的二次污染乃至改变土壤的某些原始性质[1-3]。此外，长期使用表面活性剂也会造成土壤-水中表面活性剂浓度升高[4]。表面活性剂特有的两亲性结构可使其吸附在土壤矿物、土壤空气分子以及疏水性土壤有机质表面，还可聚集在液/气、固/液表面，增加水分子之间的距离进而降低土壤溶液的表面张力[5]。

土壤中水溶液表面张力的降低，势必影响其毛细水上升高度[6]。土壤毛细水上升现象既有利也有弊。一方面地下水通过毛细水上升作用可为植物提供水分[7]；但另一方面土壤毛细水上升则会导致土壤盐渍化[8]。土壤毛细水上升高度是土壤修复设计工程中一个必不可少的参数，如表面活性剂原位淋洗过程中为了避免表面活性剂的迁移而产生污染则必需考虑毛细水上升高度[9]。因此，掌握表面活性剂在土壤水中的迁移行为对于重新认识表面活性剂-土壤复杂体系中的理化特性及进行土壤修复工程设计具有积极意义。目前对于土壤中毛细水上升问题，国内外也有诸多研究。Hazen[10]较早提出毛细水上升高度经验公式，但实际测量结果与理论计算结果之间有较大差距。Stenitzer等[11]通过估算的土壤转移函数和测量的水力参数，应用SIMWASER模拟模型计算潜水毛细水上升高度，但在应用时函数及参数的选取不易确定。史文娟等[12]、尹娟等[13]、苗强强等[14]针对某一类型土壤毛细水上升高度进行研究，并建立相应的经验公式。以上研究主要关注土壤中毛细水上升高度的试验与模拟，然而在表面活性剂存在条件下，土壤毛细水上升高度的研究鲜见报道。笔者选取表面活性剂淋洗修复技术中常使用的3种表面活性剂为目标物，研究其对土壤毛细水上升高度、上升速度及含水率的影响，并探究影响机理。

1 材料与方法

1.1 土壤样品的准备 所用土样为0～20 cm的表层土，并去除土壤中的砂砾、草杆等杂物。将土壤风干并研磨，过10目（2 mm）筛，放入105 ℃的烘箱中干燥，直样品完全烘干，密封保存备用。土样理化性质：砂粒（0.02～2.00 mm）占41.5%，粉砂（0.002～0.020 mm）占46.31%，黏粒（< 0.002 mm）占12.19%。壤质黏土，容重1.25 g/cm3，含水率8%，有机质量0.3%，含盐量0.37 g/kg，pH 6.54。其中，土壤粒径分布采用Mastersizer 2000激光粒度仪进行分析，土壤质地根据国际土壤学会的分类标準进行划分，矿物组成采用X射线衍射方法（XRD）分析，其他性质参照程东娟等[15]的分析方法。

1.2 表面活性剂的筛选

选用表面活性剂淋洗污染土壤技术中常用的3种表面活性剂作为目标物：十二烷基硫酸钠（SDS）、吐温40（TW40）、吐温80（TW80）[16-18]。3种表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）及其他参数见表2。

1.3 毛细水上升高度试验 毛细水上升高度试验采用竖管法测量[21]。试验设备包括铁架台、定制玻璃管、恒温水浴锅、烧杯。定制的玻璃管包含内管和外管，长度均为50 cm，壁厚1 mm，内管内径15 mm，外管内径35 mm，内、外管夹层之间两端连接处封闭，外管留有进、出水口，内管的一端用透水石英砂堵塞，高度为2 mm。试验过程中配制含水量8%的土壤，采用分层填装，每次填装前将土柱上层刨毛，以便土样之间很好衔接，土柱高度为40 cm。土柱装好后将玻璃管固定并将循环水浴的进、出管分别与玻璃管的进、出水口连接，玻璃管的一端没入盛有溶液的烧杯中，烧杯置于恒温水浴中，每隔10、20、30 min记录毛细水上升高度，以后每隔数小时记录1次，直至毛细水上升到最大高度。

2 结果与分析

2.1 毛细水上升高度与时间的关系

不同浓度的SDS、TW40、TW80对土壤毛细水上升高度随时间变化的影响规律见图1。由图1可知，3种表面活性剂的加入均可降低土壤的毛细水上升高度，且随表面活性剂浓度的增加毛细水上升高度下降呈增强趋势。当表面活性剂浓度低于CMC时，毛细水上升高度下降较快，而当浓度高于CMC时，毛细水上升高度变化较平缓（图2）。随时间的延长，土壤毛细水上升高度呈先急剧增加再变平缓的趋势，且不同浓度表面活性剂均呈现类似的规律。

为定量描述土壤毛细水上升高度随时间的变化规律，对图1的数据进行分析发现，土壤毛细水上升高度随时间的变化符合幂函数关系。采用式（1）的幂函数进行拟合，其拟合结果见表3。

H=mtn （1）

式中，H为毛细水上升高度，cm；t为毛细水上升时间，h；m、n为拟合参数。由表3可知，对于不同浓度的表面活性剂而言，毛细水上升高度与时间之间的相关系数均高于0.950 0，说明式（1）对不同溶液毛细水上升高度与时间的拟合精度较高，能较好地反映毛细水上升的过程。因此，式（1）可用来预测不同表面活性剂溶液中土壤毛细水随时间的上升高度。

2.2 毛细水上升速度与时间的关系

为进一步研究土壤毛细水上升高度与时间的关系，探究了毛细水上升速度（V）与时间的变化关系。V指单位时间内土壤毛细水上升高度。因此只需将毛细水上升高度与时间的关系式（1）求一阶导数即可得到，其表达式：

式中，V为毛细水上升速度，cm/h。将对应的参数代入式（2）即可计算出3种表面活性剂溶液的V值，结果见表4、5和6。从表4、5和6可以看出，3种表面活性剂的V值随时间的变化趋势基本一致，即毛细管中水上升速度都遵循一个规律，即毛细管中的V值一般是先快后慢，随着时间的增加V值趋于稳定。以SDS溶液中土壤的V值为例，由表4可知，前17 h SDS的V值变化较大，特别是0～10 min V值变化最大，为11.21 cm/h。17 h后V值基本恒定。造成这种变化趋势的原因是由于开始土柱毛细孔产生向上的毛细力远大于上升的毛细水产生的重力，二者之间产生一个向上的合力促使毛细水加速上升，随着时间的推移二者合力逐渐减小，上升速度也越来越小。随着SDS浓度的增加，V值趋于逐渐递减趋势，这与表面活性剂降低溶液的表面张力有关，即当表面活性剂溶液浓度低于CMC时，表面张力随浓度的增加而迅速减小，随着浓度的继续增加，表面张力变化较小。由Young-Laplace方程可知[6]，毛细水上升高度与溶液的表面张力呈正相关趋势，而毛细水上升高度与上升速度也呈正相关，因此当表面活性剂浓度逐渐增大时，毛细水上升速度基本呈下降趋势。TW40和TW80中土壤的毛细水上升速率与时间的变化也呈类似的规律。

2.3 不同浓度表面活性剂对土壤含水率的影响

土壤含水率是土壤的一个重要物理化学参数，反映土壤的持水能力。表面活性剂的加入影响土壤毛细水上升高度和速率，因而也可能影响土壤的含水率。由图3可知，对于3种表面活性剂，当毛细水上升高度一定时，随着表面活性剂浓度的增加土壤含水率呈降低趋势，且随着浓度的持续增加，含水率降低趋势逐渐减弱。毛细水上升高度的降低，意味着表面活性剂导致浸润土壤的水分迅速降低。SDS是阴离子钠盐型表面活性剂，钠离子能使土壤结构改变，破坏土壤的结构，进而影响毛细水的运动，这种影响程度与钠离子浓度成正比[22]。此外，表面活性剂随毛细水上升与土壤颗粒接触，吸附在颗粒上的表面活性剂使固/液（土壤/溶液）之间的接触角增加，进而影响土壤的含水率，式（3）可用于描述此过程[21]。

式中，C为毛细管因子， 为毛细管平均半径，cm；t为毛细水上升时间，h；μ为黏度，Pa·s，当颗粒堆积密度相同时C 为定值。做H2-t图 ，直线的斜率为 C tcos α 2μ ，对于同一种表面活性剂而言，当浓度增加时黏度也随之增加，由图1可知，毛细水上升高度与时间的切线斜率呈减小趋势，cos α值变大，即润湿角变大，疏水性加剧，含水率变小。

3 结论

（1）土壤毛细水上升高度受表面活性剂的影响，随浓度的增加毛细水上升高度逐渐减小，呈浓度依附性。

（2）土壤毛细水上升高度（H）与时间（t）之间呈幂函数关系。SDS、TW40、TW80溶液中土壤的H与t满足关系式H=mtn。SDS在0 CMC、1.00 CMC、2.00 CMC时毛细水上升高度与时间的关系分别为HSDS=13.53t0.1962、HSDS=10.83t0.2219、HSDS=8.758t0.2297；TW40在0.33 CMC、1.00 CMC、1.67 CMC时毛细水上升高度与时间的关系分别为HTW40=11.74T0.4050、HTW40=10.69t0.1993、HTW40=10.02t0.2076； TW80在0.33 CMC、1.00 CMC、1.67 CMC时毛细水上升高度与时间的关系分别为

HTW80=11.20t0.2020、HTW80=10.40t0.1906、HTW80=9.316t0.2163。

（3）毛细水上升的速度可根据毛细水上升高度与时间的关系式求得，即V= dH dt mnt（n-1）（其中H=mtn），且毛细水上升速度随表面活性浓度的增加呈减小趋势。土壤含水率随表面活性剂浓度的增加而减小。

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