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本研究采用SDS和SPN泡沫稳定Ni0/Fe0双金属纳米颗粒（FN2, FN10, FN50），评估其对沿海石油污染土壤的修复效果。实验表明，FN50纳米颗粒（3 mg/L）与20 mg/L SDS结合时，泡沫性能最佳（MFV 278.8 mL，RMI30 160.7 mL），石油去除效率达96%（200 μL/g）和72%（400 μL/g），证实纳米颗粒增强泡沫稳定性和污染物吸附能力，为环保提供高效解决方案。
Ipsita Priyadarshini | Amrita Bhattacharjee | Seriyala Anil Kumar | Pradipta Chattopadhyay | Banasri Roy
印度拉贾斯坦邦皮拉尼市VidyaVihar校区，Birla理工学院与科学学院（BITS）化学工程系，邮编333031
摘要
由于石油泄漏、炼油厂废弃物处理和石油勘探，土壤受到石油污染，这构成了严重的环境挑战。本研究探讨了Ni0/Fe0双金属纳米粒子稳定SDS和皂苷（SPN）泡沫对修复受石油污染的沿海土壤的效果。这些纳米粒子（Fe0、Ni0以及Ni0（x wt.%）/Fe0，其中x=2、10和50）是通过硼氢化钠还原法合成的。通过FESEM测得的平均粒径分别为Fe0 59 nm、Ni0 39 nm、FN2 56 nm、FN10 28 nm和FN50 23 nm。添加纳米粒子总体上提高了泡沫的生成能力（MFV）和稳定性（RMI 30）。用3 mg/L的FN50纳米粒子稳定的SDS表面活性剂泡沫在20 mg/L浓度下表现出最高的MFV（278.8 ± 0.52 mL）和RMI 30（160.7 ± 0.25 mL）。20 mg/L的SDS和SPN溶液与3 mg/L的FN50纳米粒子混合后，表面张力分别降至16 ± 0.32 mN/m和16.82 ± 0.33 mN/m。使用FN50纳米粒子稳定的SDS泡沫处理含有200 μL/g和400 μL/g石油的土壤时，最大石油去除效率分别为96 ± 0.5%和72 ± 0.8%。对纳米粒子性质的研究有助于解释泡沫的稳定行为并提升土壤修复效果，从而为未来的土壤修复工作提供了一种经济高效且环保的解决方案。
引言
近年来，土壤质量受到各种人类活动和工业实践的严重影响[1]、[2]、[3]，导致土壤污染问题日益严重，进而破坏了生态系统。石油被广泛用作车辆燃料和多种工业用途。石油产品是严重的环境污染物，因为它们含有多种挥发性有机化合物（VOCs），如苯（C6H6）、甲苯（C7H8）、乙苯（C8H10）和二甲苯（C6H4(CH3)2），这些化合物统称为BTEX，还包括多环芳烃（PAHs）[4]。石油泄漏可能发生在运输、开采、加工和储存过程中。当这些污染物释放到环境中时，它们会长期存在，改变土壤特性，进而影响植物生长并导致微生物死亡（影响植物所需的养分），从而对生态系统构成威胁[5]、[6]、[7]。因此，有效的土壤修复技术对于减轻环境影响和恢复受影响区域至关重要。
土壤修复方法包括原位修复和异位修复[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。通常，原位修复技术优于异位修复，因为后者可能会因污染物转移而造成二次污染。例如，表面活性剂及其生成的泡沫已成为修复石油烃污染土壤的重要原位工具，结合了表面活性剂的污染物迁移能力和泡沫的增强清扫效率。这些化合物有助于迁移或溶解污染物，使其去除更加高效[18]、[19]、[20]。
基于毒性水平、生物降解性、亲水-疏水平衡数以及以往的土壤污染修复研究，本研究重点使用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）和非离子生物表面活性剂皂苷（SPN）泡沫[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]来修复土壤中的石油产品。基于铁的双金属纳米粒子（BMNPs），如Ni
0/Fe
0或Fe-Zn，通过催化活性、较大的吸附表面积和在复杂土壤基质中的良好稳定性有效去除土壤污染物（如有毒有机物和重金属）[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。基于铁的双金属系统具有成本效益高、环保且合成过程简便的优点，适用于大规模环境应用[38]。BMNPs在多个方面优于单一纳米粒子，其中一个重要因素是金属的还原潜力。电极电位对BMNPs的有效性起着关键作用[39]。例如，在Fe-Zn双金属系统中加入锌可以减小粒子尺寸并增加比表面积，从而提供更多可用于催化反应的活性位点。锌的存在增强了纳米粒子表面反应物分子（如H?、CO、有机污染物）的吸附和活化，促进了整体催化过程。在氧化还原反应中，Fe-Zn BMNPs作为有效的电子供体，其中Fe主要起还原作用，而Zn则调节表面特性，防止钝化并维持Fe的活性[40]。
Fe作为电子供体时：Fe
0→Fe
2++2e
?；Zn作为牺牲阳极时：Zn
0→Zn
2++2e
?
锌的存在有助于保持Fe处于还原态：Fe
0/Zn
0+R-X+H
2O→Fe
2++Zn
2++R-H+2OH
?
（其中R-X是可还原的污染物或底物）。Ni
0/Fe
0 BMNPs被用于降解土壤中的多溴联苯醚（PBDEs），据报道去除效率为72%[41]。He等人[42]报道了使用沸石支持的Ni
0/Fe
0 BMNPs去除磷酸盐，去除效率约为80.7%。Sui等人[43]报道了使用Fe-Zn BMNPs去除DDTs，去除效率约为98%。纳米粒子能够渗透土壤基质并直接与污染物相互作用，使其成为环境清理的宝贵工具，尽管其毒性、长期稳定性和生态影响仍需进一步研究[44]。
将纳米粒子与表面活性剂结合（如表面活性剂-泡沫系统）可进一步改善修复过程，提高纳米粒子在土壤中的分散性，从而更有效地去除污染物[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]、[56]。由于气泡较大，表面活性剂泡沫的稳定性低于纳米粒子稳定的表面活性剂泡沫，更容易破裂。纳米粒子稳定的泡沫粘度更高，能更好地控制流体流动性并提高污染物置换效率[48]。SDS和Tween 20与二氧化硅纳米粒子结合使用，可更快更有效地去除柴油污染的土壤，去除效率分别为94.5%和78%[49]、[50]。Karthick等人[51]报道了使用APG-Ph表面活性剂稳定的铁和氧化铁纳米粒子泡沫修复沿海、粘土和沙漠土壤中的柴油，去除效率分别为76%和51%和78%。Lin等人[56]研究了使用Ni
0/Fe
0稳定的SDS去除土壤中的五氯苯酚（PCP），去除效率为72%。
目前尚未探索使用BMNPs稳定的表面活性剂泡沫处理石油污染土壤的有效性。本研究探讨了Ni0/Fe0双金属纳米粒子稳定的SDS和皂苷（SPN）表面活性剂泡沫修复受石油污染的沿海土壤的潜力。通过化学还原法合成了不同组成的Ni0/Fe0 BMNPs（2%、10%和50%重量百分比），并使用FTIR、XRD、XPS、FESEM和TEM等多种技术对其进行了表征。本研究主要关注不同纳米粒子浓度（1、3、6 mg/L）和不同表面活性剂浓度（2、6、12、20 mg/L）对去除沿海土壤中不同浓度石油（200 μL/g和400 μL/g）的效果。同时研究了这些变化对泡沫生成能力、稳定性以及表面张力、粘度和Zeta电位的影响。修复过程后，量化了处理后土壤中残留的石油成分和铁的含量，并相应地报告了结果。
部分内容摘录
双金属镍铁零价纳米结构的制备
零价铁纳米结构是按照先前发表的方法[40]制备的。反应过程如方程式（2）所示，使用硼氢化钠（NaBH?）在乙醇-水混合物中还原三价铁离子（Fe3?）和二价镍离子（Ni2?）：
Fe3? + Ni2? + 4BH?? + 8H?O → Fe/Ni + 4B(OH)? + 8H?
将1 M的NaBH4溶液逐滴加入2 M的三氯化铁溶液（乙醇与去离子水的比例为3:7）中，不断搅拌30分钟。
Ni0/Fe0 BMNPs的相分析和形态结构
FTIR光谱分析显示Ni-O和Fe-O键的振动伸缩模式位于688 cm-1附近，而在471和580 cm-1附近观察到的明显峰可归因于Fe-O键的伸缩振动，这与现有文献[63]、[64]、[65]一致，如图1A所示。在Ni0/Fe0样品中，Ni-O和Fe-O键重叠或合并，导致FTIR光谱中出现一个较宽的单一峰，如图1B放大图像所示。
结论
本研究创新性地使用了Fe0、Ni0和FN50 BMNPs来稳定SDS和SPN表面活性剂泡沫，有效修复受石油污染的沿海土壤。阴离子表面活性剂SDS在泡沫生成能力、稳定性和石油去除效率方面优于生物表面活性剂SPN。向表面活性剂分散体系中添加纳米粒子提高了这些性能。FN50纳米粒子（3 mg/L）与SDS（20 mg/L）结合使用时，达到了最高的MFV和RMI 30值（278.8 ± 0.52）。
研究资金
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
CRediT作者贡献声明
Pradipta Chattopadhyay：监督、资源调配、项目管理、调查、资金获取、概念构思。
Banasri Roy：监督、资源调配、项目管理、调查、资金获取、正式分析、概念构思。
Amrita Bhattacharjee：方法论、调查、数据管理。
Seriyala Anil Kumar：方法论、正式分析。
Ipsita Priyadarshini：方法论、调查、正式分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢印度皮拉尼校区Birla理工学院化学工程系和图书馆提供的必要支持。
