石油四组分与土壤有机质及无机矿物表面的交互作用：分子模拟与显微观测

Soil organic matter (SOM) and mineral surface are the two major compartments for sorption of petroleum pollutants in contaminated soils. Their interactions with four fractions of crude oil （i.e., asphaltenes, resins, aromatics and saturates) will be investigated using molecular simulation, chemical characterization and microscopy observation techniques. SOM is divided into three fractions including humic acid, fulvic acid and humin, while the mineral surfaces used in this study include quartz, alumina and kaolinite. The objectives are to (i) establish a set of molecular simulation methods for fast estimation of the distribution of four fractions of crude oil in different SOM fractions and also the partition coefficient between solid and aqueous phases; (ii)establish and validate a conceptual model for the distribution of four fractions of crude oil on mineral surfaces; (iii)set up online microscopy observation system, which is used to gain insights into the transport mechanisms of the four fractions of crude oil on mineral surfaces during solvent extraction and electrokinetic treatments. The environmental behaviours of oil contaminants investigated in this project are the most important factors influencing the toxicity and bioavailability of oil in soils, which are also the key mass transfer processess determining the success of soil remediaiton. Thefore, this study is supposed to offer decision-making surpport for the environmental risk assessment and management for contaminated soils and to provide theoretical guidances for implementing soil remediation techniques such as solvent extraction and electrochemical remediation.

采用分子模拟、化学表征和显微观测方法，深入到分子水平探索石油污染物与土壤中两个最主要吸附载体（土壤有机质和无机矿物表面）之间的交互作用。将石油分为沥青质、胶质、芳香烃、饱和烃四组分，考察它们在有机质各组分（包括腐殖酸、富里酸和胡敏素）和无机矿物表面（包括二氧二硅、氧化铝和高岭石）中的吸附、扩散、分配等环境行为。研究目标在于建立一套分子模拟方法，快速准确的预测石油四组分在土壤有机质各组分中的分配比例以及固液相分配系数，将其与基本物化性质进行数学关联；提出并验证石油四组分在沙粒表面分布的概念模型；建立在线显微观测系统，揭示溶剂萃取和直流电场等外界作用下石油四组分在沙粒表面的迁移规律。 以上环境行为是影响石油毒性和生物有效性的最重要机理，也是影响其去除效率的关键传质过程，本项目将为完善我国土壤风险评估、控制和管理政策提供决策支持，为溶剂萃取和电化学修复等技术的执行与优化提供理论依据。

石油与土壤化学结构的复杂性导致现有的每种土壤修复方法只能适用于特定污染场地，迫使我们深入到分子水平了解石油和土壤的交互作用。本项目结合分子模拟与显微观测技术，研究石油污染物与土壤无机矿物质及土壤有机质之间错综复杂的交互作用，包括石油在土壤矿物表面的吸附与分布、石油在土壤矿物纳米孔内表面的吸附与扩散、石油在土壤矿物质-土壤有机质复合体中的吸附与分配、石油与土壤有机质在油-水界面及水相主体中的吸附与絮凝、石油与土壤有机质在固-液界面处的吸附与絮凝、石油在溶剂萃取与直流电场等外界作用下的迁移与传递等等。项目进展顺利，已达到原定目标，即采用分子模拟方法，预测石油四组分在土壤矿物表面的扩散系数、在土壤纳米孔内的吸附强度、在土壤矿物表面、土壤有机质、油相主体等不同吸附载体中的相分配系数，揭示以上环境行为与石油四组分基本物化性质之间的关联；提出石油四组分在砂粒表面分布的概念模型，并为其提供了实验证据和理论依据；建立分子模拟与显微观测系统，研究外界作用下石油污染物在砂粒表面的运动行为，揭示潜在的影响机制。项目研究成果在环境科学领域主流SCI期刊发表10篇学术论文，科学意义在于从分子尺度上，揭示石油污染物与土壤中两个最重要吸附载体（有机质与无机矿物表面）之间的作用机理，通过增强对吸附、扩散、迁移等传质过程的认识，加深理解石油四组分在土壤不同介质中的环境行为、四组分对潜在环境污染风险的贡献程度、以及影响土壤修复技术的关键影响因素，为完善我国进行土壤污染环境评估与治理提供决策支持。