CN108690632B - 一种土壤污染修复组合物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种土壤污染修复组合物及其应用。所述组合物包括如下成分:过碳酸钠、硫酸亚铁、柠檬酸和过硫酸钠,其中硫酸亚铁和柠檬酸摩尔比为1:1,以过碳酸钠和过硫酸钠为氧化剂,柠檬酸和氧化剂的摩尔比为(1‑5):10,过碳酸钠与过硫酸钠的摩尔比为1:(5‑10);其中至少过碳酸钠、和过硫酸钠在使用前是分别各自独立包装的。本发明的组合物能够更加有效的对被污染的土壤进行修复。
Description
技术领域
本发明涉及环保领域,具体的说,本发明涉及一种土壤污染修复组合物及其应用。
背景技术
石油烃污染土壤,按污染物的组分可分为原油污染土壤和成品油污染土壤。原油中含有饱合烃、芳香烃、胶质和沥青质,碳链长度从6到几百上千不等。成品油为原油馏分,如汽柴油主要为C6-C28的饱合烃和芳香烃。按照目前国内的环境污染调查和相应检测方法,多采用正己烷、二氯甲烷等溶剂进行土壤中有机物萃取,应用GC-FID检测C6-C40碳链长度范围内有机质(主要是饱合烃、芳香烃)的总和,称为TPH(Total PetroleumHydrocarbon)。
针对石油烃污染土壤的常用氧化剂主要有,高锰酸钾、臭氧、次氯酸盐、过氧化氢、过硫酸盐等,近几年新兴的氧化剂为过碳酸钠。其中过氧化氢、过硫酸盐因其技术经济成本和现场可操作性等优势,在土壤修复行业广泛应用;过碳酸钠因目前应用较少,文献资料鲜有报道,其实际上是一种结合了碳酸钠的固体双氧水。过氧化氢、过硫酸盐的研究和应用中,多结合过渡金属(如Fe2+、Mn2+)和络合剂(柠檬酸、EDTA等)作为激活剂,产生氧化还原电位较强的羟基自由基,另外也可通过热激活、H2O2激活、碱激活等方式,促使过硫酸钠产生羟基自由基。但基于羟基自由基的化学氧化过程激烈短暂,并存在自我卒灭的现象,即随着氧化剂的剂量的增加,氧化修复的效果几乎没有加强。而在无催化剂,单独使用高锰酸钾、过硫酸钠等氧化剂时,氧化剂具有较强的持续存在能力,可以在较长时间范围内持续的进行氧化作用。
另外,化学氧化相对与生物修复的优势在于,修复时间短、修复效果可控性强、对污染物无选择性,劣势是药剂成本高、导致土壤性质变化。所以,目前国内外实验室研究的前沿主要聚焦在如何合理的耦合化学氧化和生物修复技术,降低整体修复成本的同时,达到较好的修复效果。传统上认为,氧化剂会大量的杀死土壤土著微生物的,导致后续的生物修复无法进行。但最新的研究表明,在某些条件下,如合理的使用氧化剂,或是在化学氧化阶段后调节土壤pH等条件,微生物可以快速的恢复种群数量,同时,在化学氧化的预处理基础上(如将大分子石油烃转化为小分子、将部分疏水性强的烃类转化为可溶性的醛类和酮类次级产物、降低了因污染物的高浓度对生物的毒性),大大增强了生物降解的能力。菌落形成单位(CFU,Colony-FormingUnits)是一项表征土壤中微生物活动的重要指标。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种土壤污染修复组合物。
本发明的另一目的在于提供一种土壤污染修复方法。
为达上述目的,一方面,本发明提供了一种土壤污染修复组合物,其中,所述组合物包括如下成分:过碳酸钠、硫酸亚铁、柠檬酸和过硫酸钠,其中硫酸亚铁和柠檬酸摩尔比为1:1,以过碳酸钠和过硫酸钠为氧化剂,柠檬酸和氧化剂的摩尔比为(1-5):10,过碳酸钠与过硫酸钠的摩尔比为1:(5-10);其中至少过碳酸钠、和过硫酸钠在使用前是分别各自独立包装的。
根据本发明一些具体实施方案,其中,过碳酸钠、硫酸亚铁、柠檬酸和过硫酸钠在使用前是分别各自独立包装的。
根据本发明一些具体实施方案,其中,过碳酸钠、硫酸亚铁、柠檬酸、和过硫酸钠的最佳比例为1:1:1:4。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述土壤是被石油烃污染的土壤。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述土壤为原油污染浓度TPH为10000-20000mg/kg的污染土壤,或者,所述土壤为柴油污染浓度TPH在10000-30000之间的污染土壤。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述土壤pH为7-8,CFU为6×105~7×106。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述土壤pH为7.2,CFU为6.3×105。
另一方面,本发明还提供了一种土壤污染修复方法,其中,所述方法包括向污染土壤中施加本发明任意一项所述的土壤污染修复组合物。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述方法包括先向污染土壤中施加过碳酸钠的溶液,然后施加硫酸亚铁和柠檬酸的混合溶液,最后施加过硫酸钠的溶液。
往石油烃污染土壤中先加入过碳酸钠溶液,再加入硫酸亚铁和柠檬酸混合溶液,再加入过硫酸钠溶液。1-2个小时内,发生剧烈的氧化反应,伴随气体释放和土壤温度升高。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述过碳酸钠的溶液为过碳酸钠的水溶液。
根据本发明一些具体实施方案,其中,过碳酸钠的水溶液的摩尔浓度为0.01-0.1mol/L。
根据本发明一些具体实施方案,其中,过碳酸钠的水溶液的摩尔浓度为0.055mol/L。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述硫酸亚铁和柠檬酸的混合溶液为混合水溶液。
根据本发明一些具体实施方案,其中,硫酸亚铁和柠檬酸的混合水溶液的摩尔浓度为0.3-0.7mol/L。
根据本发明一些具体实施方案,其中,硫酸亚铁和柠檬酸的混合水溶液的摩尔浓度为0.5mol/L。
根据本发明一些具体实施方案,其中,过硫酸钠的溶液为过硫酸钠的水溶液。
根据本发明一些具体实施方案,其中,过硫酸钠的水溶液的摩尔浓度为1.5-2.5mol/L。
根据本发明一些具体实施方案,其中,过硫酸钠的水溶液的摩尔浓度为2mol/L。
根据本发明一些具体实施方案,其中,待修复的污染土壤与所述组合物中的过碳酸钠的质量比为1:(1-50)。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述土壤是被石油烃污染的土壤。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述土壤为原油污染浓度TPH为10000-20000mg/kg的污染土壤,或者,所述土壤为柴油污染浓度TPH在10000-30000之间的污染土壤。
根据本发明一些具体实施方案,其中,总石油烃(重量法)的浓度为25000-50000mg/kg。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述土壤的柴油污染TPH为10000-30000mg/kg。
根据本发明一些具体实施方案,其中,总石油烃(重量法)的浓度为10000-30000mg/kg。
根据本发明一些具体实施方案,其中,所述土壤pH为7.2,CFU为6.3×105。
通过采用本发明的方法,
0.5天后,监测土壤pH为11.3,CFU为2.5E+02,石油烃降解率15%,TPH降解率为34%。
2天后,监测土壤pH为10.2,CFU为8.7E+02,石油烃降解率25%,TPH降解率为54%。
7天后,监测土壤pH为9.0,CFU为3.3E+03,石油烃降解率30%,TPH降解率为62%。
15天后,监测土壤pH为7.7,CFU为9.1E+04,石油烃降解率32%,TPH降解率为69%。
45天后,监测土壤pH为7.5,CFU为4.3E+05,石油烃降解率34%,TPH降解率为72%。
综上所述,本发明提供了一种土壤修复组合物及其应用。本发明的组合物具有如下优点:
1、过碳酸钠激活过硫酸钠,发生羟基自由基氧化。过碳酸钠和过硫酸钠,以及硫酸亚铁和柠檬酸的混合溶液,同时加入石油烃污染土壤后,(1)使得土壤pH>10.5,呈碱性;(2)过碳酸钠放热,使得土壤温度升高;(3)过碳酸钠释放的过氧化氢与硫酸亚铁和柠檬酸,形成类芬顿体系,产生羟基自由基,同时,硫酸亚铁和柠檬酸,或羟基自由基的存在,都可以引发过硫酸钠产生了氧化还原电位更高的羟基自由基。以上3点,都是过碳酸钠对过硫酸钠起到了激活作用,即分别是对过硫酸钠的碱激活、热激活和H2O2激活。
2、非羟基自由基氧化过程。因过碳酸钠中主要是产生的过氧化氢具有氧化作用,而过氧化氢氧化过程剧烈,作用时间短。过量的过硫酸钠在短暂的基于羟基自由基的氧化过程后(0.5-1天),仍过量存在,缓慢的释放硫酸根自由基,继续对土壤中的污染物进行氧化,持续时间最长可达15天。此过程属于非羟基自由基的氧化过程,持续性强,解决了基于羟基自由基氧化过程的自由基卒灭问题,即,即使加大羟基自由基的剂量,修复效果并无提升的问题。
3、pH调节。过碳酸钠的存在导致土壤pH升高(>10.5),对原生微生物影响较大,而过量的过硫酸钠缓慢释放,在氧化过程中产生的H+离子,起到对高碱性的中和作用,使得土壤pH基本恢复到本底值。通过对土壤中CFU的监测,随着pH的逐渐降低,CFU数量不断增加,土壤逐渐恢复至适宜微生物生存的环境,有利于化学氧化后的生物降解作用。
附图说明
图1为实施例1的土壤pH变化曲线。
图2为实施例1的土壤CFU变化曲线。
图3为实施例1的土壤降解率变化曲线。
图4为实施例2的土壤pH变化曲线。
图5为实施例2的土壤CFU变化曲线。
图6为实施例2的土壤降解率变化曲线。
图7为实施例3的土壤pH变化曲线。
图8为实施例3的土壤CFU变化曲线。
图9为实施例3的土壤降解率变化曲线。
图10为实施例4的土壤pH变化曲线。
图11为实施例4的土壤CFU变化曲线。
图12为实施例4的土壤降解率变化曲线。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果,旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点,不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
污染物为中国华北地区某加油站柴油污染土壤,取样至实验室,过2mm筛后充分搅拌均匀,用正己烷超声萃取后,GC-FID测得TPH含量为17600mg/kg土壤。另外,pH约为7.8,CFU为2.4E+05。
实验组药剂剂量:氧化剂,硫酸亚铁,柠檬酸的摩尔比例为5:1:1,作为氧化剂的过碳酸钠与过硫酸钠的摩尔比例为1:4。污染物质量与过碳酸钠的质量比为1:20。获得pH、CFU、降解率情况如图1、图2和图3所示。
实施例2
氧化剂,硫酸亚铁和柠檬酸的摩尔比为10:1:1,作为氧化剂的过碳酸钠与过硫酸钠摩尔比为1:5。其他参数与操作与实施例1相同。获得pH、CFU、降解率情况如图4、图5和图6所示。
实施例3
氧化剂,硫酸亚铁和柠檬酸的摩尔比为10:5:5,作为氧化剂的过碳酸钠与过硫酸钠摩尔比为1:7。其他参数与操作与实施例1相同。获得pH、CFU、降解率情况如图7、图8和图9所示。
实施例4
氧化剂,硫酸亚铁和柠檬酸的摩尔比为10:4:4,作为氧化剂的过碳酸钠与过硫酸钠摩尔比为1:10。污染物质量与过碳酸钠的质量比为1:1。其他参数与操作与实施例1相同。获得pH、CFU、降解率情况如图10、图11和图12所示。
实施例5
氧化剂,硫酸亚铁和柠檬酸的摩尔比为10:1:1,作为氧化剂的过碳酸钠与过硫酸钠摩尔比为1:5。污染物质量与过碳酸钠的质量比为1:50。其他参数与操作与实施例1相同。
对照组1
对照组1为仅添加过碳酸钠,硫酸亚铁,柠檬酸,比例为15:1:1。药剂用量按污染物得失电子数计算,与实验组一致,即理想情况下,按化学剂量计算所得的氧化程度与实验组一致。
对照组2
对照组2为仅添加过硫酸钠。药剂用量按污染物得失电子数计算,与实验组一致,即理想情况下,按化学剂量计算所得的氧化程度与实验组一致。
经过45天的实验(第0.5、2、7、15、45天分别取样),获得pH、CFU、降解率情况如图1、图2和图3所示。
化学剂量的演算:
CH2=14g/mol
Na2CO3+1.5H2O2=157g/mol,氧化剂:污染物=2:1,摩尔比,完全氧化
Na2S2O8=238g/mol,氧化剂:污染物=3:1,摩尔比,完全氧化。
Claims (10)
1.一种土壤污染修复组合物,其中,所述组合物包括如下成分:摩尔比为1:1:1:4的过碳酸钠、硫酸亚铁、柠檬酸和过硫酸钠;其中,过碳酸钠、硫酸亚铁、柠檬酸和过硫酸钠在使用前是分别各自独立包装的。
2.根据权利要求1所述的土壤污染修复组合物,其中,所述土壤是被石油烃污染的土壤。
3.根据权利要求2所述的土壤污染修复组合物,其中,所述土壤为原油污染浓度TPH为10000-20000mg/kg的污染土壤或者柴油污染浓度TPH在10000-30000mg/kg之间的污染土壤。
4.根据权利要求2所述的土壤污染修复组合物,其中,所述土壤pH为6-8,CFU为6×105~7×106。
5.根据权利要求4所述的土壤污染修复组合物,其中,所述土壤pH为7.2,CFU为6.3×105。
6.一种土壤污染修复方法,其中,所述方法包括向污染土壤中施加权利要求1所述的土壤污染修复组合物;所述方法包括先向污染土壤中施加过碳酸钠的水溶液,然后施加硫酸亚铁和柠檬酸的混合水溶液,最后施加过硫酸钠的水溶液;过碳酸钠的水溶液的摩尔浓度为0.01-0.1mol/L;硫酸亚铁和柠檬酸的混合水溶液的摩尔浓度为0.3-0.7mol/L;过硫酸钠的水溶液的摩尔浓度为1.5-2.5mol/L。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述过碳酸钠的水溶液的摩尔浓度为0.055mol/L;硫酸亚铁和柠檬酸的混合水溶液的摩尔浓度为0.5mol/L;过硫酸钠的水溶液的摩尔浓度为2mol/L。
8.根据权利要求6~7任意一项所述的方法,其中,待修复的污染土壤中的污染物与所述组合物中的过碳酸钠的质量比为1:(1-50)。
9.根据权利要求6~7任意一项所述的方法,其中,所述土壤是被石油烃污染的土壤。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述土壤为原油污染浓度TPH为10000-20000mg/kg的污染土壤或者柴油污染浓度TPH在10000-30000mg/kg之间的污染土壤。
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