土壤重金属污染对环境及人体健康的危害越来越受到人们的关注^{[1, 2]}.清洗法采用物理分离和化学萃取去除土壤中污染物^[3],操作简单，能彻底去除污染物，已广泛应用在污染场地的修复上，美国超级基金所开展的场地修复项目就有部分采用了清洗法^[4].

影响清洗效率的因素涉及三方面：其一、土壤的性质，包括土壤质地、有机质含量、阳离子交换量等。土壤黏粒含量越高、阳离子交换量越大，重金属与土壤结合得越紧密，清洗效率越低^[4].其二、重金属的性质，包括重金属的种类、含量及形态。重金属种类不同与土壤的结合力不一样，重金属含量越低与土壤结合得越紧密，清洗效率也越低^{[4, 5]}.重金属的清洗率还与其形态、活性密切相关，按照从大到小的顺序为弱酸提取态>可还原态>可氧化态>残渣态^[4].其三，清洗剂与清洗条件。清洗剂的选择需要考虑清洗剂的作用效果、毒性、生物降解性及成本等。天然有机酸是土壤本身含有且广泛存在的一类有机物质，可与土壤中重金属发生络合反应且不破坏土壤结构，已引起越来越多学者的注意^{[6, 7, 8]}.有研究表明，用天然有机酸清洗受重金属污染的土壤，清洗效果与清洗剂浓度^{[1, 6, 9]}、pH值^[7]、液固比^[10]、清洗时间^{[10, 11, 12]}等相关。

本研究以广东省某饮用水源保护区及某电池制造企业废弃厂区2个典型重金属污染场地为研究对象，选取醋酸（Acetic acid,HAc）、柠檬酸（Citric acid,CA）、酒石酸（Tartaric acid,TA）、琥珀酸（Succinic acid,SA）及草酸（Oxalic acid,OX）5种天然有机酸为清洗剂，研究有机酸组合两步振荡清洗、单独振荡清洗及超声波强化有机酸清洗的效果，目的是去除污染场地中环境风险较大的重金属形态，为复合重金属污染场地修复治理提供借鉴。 1 材料与方法 1.1 供试土壤

供试2种土壤分别采自广东省某饮用水源保护区（A区）及某电池制造企业废弃厂区（B区）,采样深度为0~20 cm.土壤风干后，研磨过10目及100目尼龙筛，用于测定土壤理化性质和金属全量。采用HCl+HNO₃+HClO₄+HF消解，火焰原子吸收光谱仪（AAS）测定金属全量，分析全过程采用国家标准样品GSS-5进行质量控制。供试土壤基本理化性质见表 1,金属全量见表 2.A区Cd、Zn污染较严重，B区Cd、Ni污染较严重，因此本研究A区及B区土壤的目标重金属分别是Cd、Zn与Cd、Ni.

表 1 供试土壤理化性质 Table 1 Soil properties

表选项

表 2 供试土壤金属全量（mg·kg^-1） Table 2 Metal concentrations in soils tested（mg·kg^-1）

表选项

以BCR^{[13, 14]}分级提取法对供试土壤重金属进行形态分析，提取程序如表 3所示。

表 3 BCR提取程序 Table 3 BCR sequential extraction procedure

表选项

（1） 4种有机酸与草酸组合两步清洗

将BCR分级提取的思路应用到土壤清洗上，同时考虑到可氧化态重金属环境风险较小，去除条件较苛刻，如BCR法提取时需要两次加H₂O₂且要水浴加热，难以实际应用。本研究重点在于去除土壤环境中风险较大的重金属形态，因此借鉴BCR分级提取前两步，采用两步清洗法清洗供试土壤，重点去除土壤重金属中弱酸提取态及可还原态，同时保证所用试剂安全低价无毒。两步清洗试验的设置如下：

称取1.00 g供试土壤于100 mL聚丙烯离心管中，采用4种组合进行两步清洗试验，分别为：0.1 mol·L^-1 HAc+0.2 mol·L^-1 OX,0.1 mol·L^-1 CA+0.2 mol·L^-1 OX,0.1 mol·L^-1 TA+0.2 mol·L^-1 OX以及0.1 mol·L^-1 SA+0.2 mol·L^-1 OX.将草酸的pH调为2,液固比为40∶1,室温下连续振荡16 h（180 r·min^-1）,然后以4000 r·min^-1离心10 min,测定上清液目标重金属含量。

第一步使用柠檬酸、酒石酸、琥珀酸与醋酸对比，因为它们酸性较醋酸强，如表 4所示。由解离常数来看，酸性大小为醋酸< 柠檬酸、酒石酸、琥珀酸< 草酸；同时它们与重金属螯合的稳定常数大于醋酸，意味着他们更易与重金属反应生成可溶螯合物，从而将重金属从土壤转移到水溶液中。第二步使用草酸，因为草酸是天然有机酸，同时是提取可还原态重金属常用的提取剂^{[13, 15]},虽然其还原性不如盐酸羟胺（E_盐酸羟胺= -1.87 V,E_草酸=-0.38 V）,但毒性较盐酸羟胺小。

表 4 供试有机酸性质 Table 4 Properties of organic acids used

表选项

（2）单独用柠檬酸和酒石酸清洗

配制0.1 mol·L^-1的柠檬酸、酒石酸作为清洗剂，pH分别调为5、3,以pH=3的水作为对照。称取1.00 g供试土壤于100 mL聚丙烯离心管中，分别加入20 mL清洗剂，室温下连续振荡2 h（180 r·min^-1）,然后以4000 r·min^-1离心10 min,测定上清液目标重金属及常量元素Ca、Mg、Fe的量。

清洗剂浓度、pH值、液固比、清洗时间的设置参照了前人的研究成果：在有机酸浓度的设置上，Gao等^{[1, 6, 9]}研究表明有机酸在较低浓度下抑制重金属的解吸，在较高浓度下促进重金属的解吸；在清洗液pH的设置上，Wasay等^[7]研究表明柠檬酸、酒石酸作用最佳pH分别为5、3.6;在液固比的设置上，Zou等^[10]认为应避免液固比过大导致清洗废液的大量产生，同时避免液固比过小导致土壤板结；清洗动力学可分为快速反应阶段和慢速反应阶段^[10],Lim等^[11]发现短时间（≤30 min）就可以把易提取的重金属从污染土壤中去除，Polettini等^[12]认为清洗时间2 h较合适。

（3）超声波强化酒石酸清洗

称取1.00 g供试土壤于100 mL聚丙烯离心管中，加入20 mL浓度为0.1 mol·L^-1、pH=3的酒石酸，以纯水作对照，于超声波细胞粉碎机分别作用10、30 min,超声功率为400 W,频率20 kHz,离心10 min,测定上清液目标重金属。同时对比酒石酸振荡清洗10、30 min和2 h的效果。 1.2.3 数据分析

使用Origin8.5软件绘图，SPSS16.0软件对试验结果进行差异显着性分析。 2 结果与讨论 2.1 重金属形态分布

2种土壤目标重金属形态分布如表 5所示。A区土壤Cd主要以残渣态及弱酸提取态为主，Zn以残渣态为主，弱酸提取态、可还原态及可氧化态含量相当；B区土壤Cd以弱酸提取态及残渣态为主，Ni以残渣态及可氧化态为主。

表 5 供试土壤目标重金属形态分布（%） Table 5 Fractions of metals in soils tested（%）

表选项

弱酸提取态及可还原态重金属迁移能力最大，环境风险最大，也最容易去除；可氧化态重金属只有在强氧化条件下有机质被破坏时才可能释放出来；残渣态重金属通常情况下不易释放。由2种土壤目标重金属形态分布可知，B区土壤Cd的活性较A区大，潜在危害性也更大，可以预见在相同的清洗条件下清洗率会比A区大。 2.2 土壤清洗效果 2.2.1 4种有机酸与草酸组合两步振荡清洗效果

4种组合清洗效果如图 1和图 2所示。

图 1 两步清洗对A土Cd、Zn的去除效果 Figure 1 Metal-removal efficiency in soil A by two-step washing

图选项

图 2 两步清洗对B土Cd、Ni的去除效果 Figure 2 Metal-removal efficiency in soil B by two-step washing

图选项

对A区土壤而言，柠檬酸、酒石酸对Cd的去除效果较好，去除率分别为34.69%、36.91%,大于原土中弱酸提取态Cd含量，说明部分残渣态Cd也被清洗出来；第二步草酸未能洗出Cd.柠檬酸、酒石酸对Zn的去除效果较好，去除率分别为31.12%、29.83%,与原土中弱酸提取态及可还原态Zn之和接近，说明柠檬酸、酒石酸能有效去除弱酸提取态及可还原态Zn;第二步草酸清洗能去除部分Zn;CA+OX、TA+OX组合对Zn的总去除率大于其他2种组合，分别为42.77%、42.43%.

对B区土壤而言，柠檬酸、酒石酸对Cd的去除效果较好，去除率分别为52.54%、59.17%,与原土中弱酸提取态及可还原态Cd之和接近；第二步草酸清洗对Cd的作用较小。柠檬酸、酒石酸对Ni的去除效果较好，去除率分别为16.15%、14.90%,与原土中弱酸提取态及可还原态Ni之和接近；第二步草酸清洗对Ni的作用较大；CA+OX、TA+OX组合对Ni的总去除率大于其他2种组合，分别为37.95%、36.92%.

综合来看，柠檬酸、酒石酸对Cd、Zn、Ni的清洗率大于醋酸、琥珀酸；对Cd、Zn的清洗率大于Ni;相同条件下，B区土壤Cd的清洗率大于A区；柠檬酸、酒石酸可以去除弱酸提取态及可还原态重金属。草酸对3种重金属的去除能力大小为Ni >Zn >Cd,与草酸同这3种重金属配和的稳定常数大小一致。

有机酸清洗重金属主要有两种机制：酸溶作用和螯合作用^[16].有机酸的添加使吸附在黏土、腐殖质及其他成分上的重金属解吸或溶解，氢离子还可以促进碳酸盐矿物、氧化物、氢氧化物的溶解，释放这些成分结合的重金属；溶解的重金属扩散到溶液与有机酸根螯合，形成可溶性螯合物，从而降低土壤颗粒对重金属的吸附。这可以解释有机酸对弱酸提取态及可还原态重金属的去除作用。胡浩等^[17]、胡群群等^[18]研究表明，柠檬酸、酒石酸等有机酸对土壤重金属解吸的部分主要来自弱酸提取态；Wuana等^[9]研究表明，柠檬酸能有效去除土壤中弱酸提取态、可还原态重金属，酒石酸则能有效去除土壤中弱酸提取态重金属。本研究结果与上述研究部分相符。 2.2.2 单独用柠檬酸和酒石酸振荡清洗效果

两步清洗试验结果表明，第一步柠檬酸、酒石酸清洗可以有效去除土壤重金属中环境风险最大的弱酸提取态及可还原态。上述两步清洗试验是参照BCR分级提取法设计，用时较长，每一步为16 h,因此本文研究柠檬酸、酒石酸单独作用清洗的方法，清洗条件的设置参考了Gao等^{[1, 6]}、Wasay等^[7]、Polettini等^[12]的研究成果。

在两步清洗试验中，柠檬酸、酒石酸对2种土壤重金属的去除效果相当，为了便于比较两者的优劣，检测了常量元素Ca、Mg、Fe的洗出率。理想的清洗剂应具有较好的选择性，在最大去除重金属的同时对土壤理化破坏较小。本研究柠檬酸、酒石酸单独作用清洗的结果如图 3和图 4所示。实验条件下酒石酸对Cd的清洗率与柠檬酸相当，对Zn、Ni的去除率显着高于柠檬酸，对常量元素Ca的洗出率显着低于柠檬酸；柠檬酸、酒石酸对2种土壤中常量元素Ca、Mg、Fe的洗出都显着多于对照组，且Ca的洗出量最多。可见，天然有机酸作为清洗剂也会造成土壤常量元素的淋失。由本研究结果可知，酒石酸是较为理想的清洗剂，对重金属的去除效果较好，且对常量元素中Ca的洗出较柠檬酸少。

图 3 A区土壤金属清洗率 Figure 3 Metal-removal efficiency in soil A by different washing agents

图选项

图 4 B区土壤金属清洗率 Figure 4 Metal-removal efficiency in soil B by different washing agents

图选项

将TA+OX两步清洗中第一步清洗结果与单独用酒石酸振荡清洗结果作对比，如表 6所示。可以看出，延长作用时间，增加酒石酸用量，降低pH值可以增大酒石酸对重金属的清洗率，但以这样的代价换取清洗率的提高是否值得需要考量，在以后的工作中可以探讨这些因素对清洗效果的影响。

表 6 酒石酸不同作用条件下清洗率对比 Table 6 Metal removal rates by tartaric acid under different conditions

表选项

从图 5和图 6可以看出，相同时间作用下，酒石酸超声对重金属的清洗率大于振荡，与Hwang等^[19]的研究相符。对于A区土壤Cd和Zn,酒石酸超声30 min清洗效率显着大于振荡2 h;对于B区土壤Cd,酒石酸超声30 min清洗效率略小于振荡2 h,对于Ni超声30 min清洗率显着大于振荡2 h.

图 5 超声波对A区土壤金属清洗率的影响 Figure 5 Effect of ultrasonic wave on removal efficiency of metals from soil A

图选项

图 6 超声波对B区土壤金属清洗率的影响 Figure 6 Effect of ultrasonic wave on removal efficiency of metals from soil B

图选项

纯水超声对于A区及B区土壤目标重金属并无作用，可见超声波与酒石酸共同作用清洗重金属污染土壤时，酒石酸的作用占主导地位，超声波的作用是辅助的。超声波的空化效应可以破坏固体碎屑使其露出新鲜表面而加剧反应^{[10, 19]},因此超声波可以强化有机酸对重金属的清洗效果，在实际应用中具有可行性。 3 结论

（1）在有机酸组合两步清洗试验中，先用0.1 mol·L^-1柠檬酸或酒石酸振荡清洗16 h,再用0.2 mol·L^-1草酸振荡清洗16 h的两步清洗法对2种土壤目标重金属去除率最高。柠檬酸+草酸组合对A区土壤Cd、Zn的去除率分别为34.69%、31.12%;对B区土壤Cd、Ni的去除率分别为52.54%、16.15%.酒石酸+草酸组合对A区土壤Cd、Zn的去除率分别为36.91%、29.83%;对B区土壤Cd、Ni的去除率分别为59.17%、14.90%.

（2）柠檬酸、酒石酸可以去除弱酸提取态及可还原态重金属，对Cd、Zn的清洗率大于Ni;草酸对3种重金属的去除能力大小为Ni >Zn >Cd.

（3）单独用酒石酸振荡清洗对A区土壤Cd、Zn、Ca的去除率分别为30.74%、25.59%、15.86%,对B区土壤Cd、Ni、Ca的去除率分别为47.36%、6.89%、23.92%.酒石酸对目标重金属的去除效果较好，同时洗出的Ca较柠檬酸少，是较为理想的清洗剂。

（4）功率400 W、频率20 kHz的超声波可以强化酒石酸对重金属的清洗效果，超声30 min对2种土壤目标重金属的清洗率与单独用酒石酸振荡清洗2 h相当。