土壤修復(fù)技術(shù)介紹——電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)是處理污染土壤的一項(xiàng)新的化學(xué)技術(shù)方法，已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)應(yīng)用階段。電動(dòng)力學(xué)修復(fù)是通過(guò)電化學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的復(fù)合作用(電滲、電遷移和電泳等)驅(qū)動(dòng)污染物富集到電極區(qū)，進(jìn)行集中處理或分離的過(guò)程。近年來(lái)，中國(guó)先后開(kāi)展了銅、鉻等重金屬、菲和五氯酚等有機(jī)污染土壤的電動(dòng)修復(fù)技術(shù)研究。

與傳統(tǒng)的清洗法、生物處理法等污染土壤修復(fù)技術(shù)相比，電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)具有成本低、適用范圍廣(原位及異位修復(fù)皆可，處理飽和、不飽和土壤皆可)、接觸有害物質(zhì)少、可控性強(qiáng)、處理快速且比較*(重金屬去除效率一般都可以達(dá)到90%以上)、不破壞原有自然生態(tài)環(huán)境(只處理陰陽(yáng)兩極之間的污染物,不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生其他影響)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于小范圍的粘質(zhì)的多種重金屬污染土壤和可溶性有機(jī)物污染土壤的修復(fù)。不過(guò)對(duì)于不溶性有機(jī)污染物，需要化學(xué)增溶，易產(chǎn)生二次污染。

電動(dòng)力學(xué)法的基本原理是在污染土壤區(qū)域插入電極，施加直流電后形成電場(chǎng)，土壤中的污染物在直流電場(chǎng)作用下定向遷移，富集在電極區(qū)域，再通過(guò)其他方法(電鍍、沉淀/共沉淀、抽出、離子交換樹(shù)脂等)去除。

電動(dòng)力學(xué)修復(fù)過(guò)程中污染物的遷移機(jī)理有3個(gè)現(xiàn)象:

(1)電滲析：土壤孔隙表面帶有負(fù)電荷，與孔隙水中的離子形成雙電層，在外加電場(chǎng)作用下，土壤中的孔隙水從陽(yáng)極向陰極方向流動(dòng)。隨孔隙水遷移的污染物質(zhì)富集在陰極附近，可以被抽出進(jìn)行處理;

(2)電遷移：帶電離子或配位體在外加電場(chǎng)作用下向電性相反的電極遷移(正離子向陰極遷移, 負(fù)離子向陽(yáng)極遷移)的過(guò)程;

(3)電泳：土壤中帶電膠體粒子，包括細(xì)小土壤顆粒、腐殖質(zhì)及微生物細(xì)胞等，在外加電場(chǎng)作用下的遷移。從而可以除去這些膠體粒子和吸附在這些顆粒上的污染物質(zhì)。

總之，電動(dòng)力學(xué)修復(fù)的目的是使土壤中的污染物質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下通過(guò)電滲析, 電遷移和電泳發(fā)生定向移動(dòng)并在電極附近累積起來(lái), 從而被除去。

電動(dòng)力學(xué)處理過(guò)程中陽(yáng)極應(yīng)該選用惰性電極如石墨、鉑、金、銀等，在實(shí)際應(yīng)用中多選用高品質(zhì)的石墨電極，陰極可以用普通的金屬電極。陽(yáng)極產(chǎn)生的H+ ,在直流電場(chǎng)的作用下向陰極遷移,這樣就容易形成酸性遷移帶。酸性遷移帶的形成促使重金屬離子從土壤表面解吸及溶解,進(jìn)行遷移。電動(dòng)力學(xué)修復(fù)重金屬污染土壤的影響因素

pH值的影響

土壤的pH值變化對(duì)電動(dòng)力學(xué)修復(fù)影響很大，pH值影響著重金屬的氧化還原、吸附脫附、沉淀溶解、表面電荷和電滲析流的方向，而且pH值變化還影響土壤表面Zeta電位。

Zeta電位的影響

土壤中Zeta電位影響電滲速率，因此也影響重金屬在土壤中的遷移速率。電動(dòng)修復(fù)Zeta電位升高，可加快電動(dòng)力學(xué)修復(fù)的效率。

土壤溫度的影響

電動(dòng)力學(xué)修復(fù)過(guò)程中，電流過(guò)大會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，導(dǎo)致土壤的溫度升高，影響電遷移和電滲過(guò)程，進(jìn)而降低修復(fù)效率，因此在電動(dòng)力學(xué)修復(fù)試驗(yàn)中，選擇佳的電流密度，減少電流帶來(lái)的熱效應(yīng)的影響，可提高重金屬污染物的去除率。

土壤理化性質(zhì)的影響

影響電動(dòng)力學(xué)修復(fù)的土壤理化性質(zhì)主要包括土壤黏土礦物和土壤孔隙率。土壤黏土礦物具有膠體性質(zhì)，可影響陽(yáng)離子交換量進(jìn)而影響修復(fù)效率，這是因?yàn)榫哂休^大陽(yáng)離子交換量的黏?？墒怪亟饘俚慕馕茏?，從而降低了其去除率。土壤孔隙水電解產(chǎn)生的氫離子可與土壤表面接觸，促進(jìn)了被吸附重金屬離子的解吸，但孔隙過(guò)大氫離子與土壤表面接觸減少，可導(dǎo)致被吸附的重金屬不能*解吸。

土壤含水率的影響

電動(dòng)力學(xué)修復(fù)中土壤含水率必須達(dá)到一定值，土壤含水率過(guò)低修復(fù)效果會(huì)不明顯。

電極材料的影響

不同的電極材料、電極材料的形狀及電極的排列都會(huì)對(duì)電動(dòng)力學(xué)修復(fù)產(chǎn)生影響，不同的電極材料會(huì)影響其在電動(dòng)修復(fù)中電場(chǎng)的分布、放電速率。

技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問(wèn)題

酸性帶遷移

酸性帶遷移電動(dòng)力學(xué)修復(fù)過(guò)程中, 陽(yáng)極上水的電解反應(yīng)使得陽(yáng)極附近H+濃度增加,pH值下降, 從而形成了酸性帶。在外加電場(chǎng)的作用下, 酸性帶通過(guò)電滲析流, 擴(kuò)散流和水平對(duì)流從陽(yáng)極向陰極遷移。隨著酸性帶的遷移, 土壤的pH值下降, 雖然有利于重金屬離子溶解, 但如果pH 值過(guò)低會(huì)使土壤的Zeta電位變化到零電位, 甚至改變符號(hào)。這樣會(huì)導(dǎo)致電滲析流減弱或變向,為了修復(fù)過(guò)程的進(jìn)行, 必須增大電壓以保持一定的電滲析流, 從而使得能耗加大, 修復(fù)成本增加。

土壤pH控制

電動(dòng)力學(xué)過(guò)程中陰極上的電解反應(yīng)使得陰極附近OH-濃度增加, pH值上升, 從而形成了堿性帶。在外加電場(chǎng)的作用下, 堿性帶也通過(guò)電滲析流向陽(yáng)極遷移。在堿性環(huán)境中, 重金屬離子易形成不溶沉淀物。重金屬沉淀吸附到土壤顆粒上不隨電滲析流遷移, 為了過(guò)程的進(jìn)行,有必要向土壤中加入酸。加酸的不利之處是, 會(huì)引起土壤酸化, 目前無(wú)法確定土壤恢復(fù)酸堿平衡所需時(shí)間, 此外, 加酸也會(huì)影響土壤的Zeta電位, 導(dǎo)致電滲析流的減弱或變向。極化問(wèn)題

通過(guò)的電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)了3 個(gè)導(dǎo)致電流降低的極化現(xiàn)象:活化極化、電阻極化和濃差極化現(xiàn)象。

(1)活化極化:電極上水的電解產(chǎn)生氣泡(氫氣和氧氣)會(huì)覆蓋在電極表面,這些氣泡是良好的絕緣體, 從而使電極的導(dǎo)電性下降, 電流降低。

(2)電阻極化:在電動(dòng)力學(xué)過(guò)程中會(huì)在陰極上形成一層白色膜, 其成分是不溶鹽類(lèi)或雜質(zhì)。這層白膜吸附在電極上會(huì)使電極的導(dǎo)電性下降, 電流降低。

(3)濃差極化:這是由于電動(dòng)力學(xué)過(guò)程中H+向陰極遷移,OH-向陽(yáng)極遷移的速率緩慢引起的(其速率總小于離子在電極上放電的速率), 從而使得電極附近的離子濃度小于溶液中的其他部分。如果酸堿沒(méi)有被及時(shí)中和, 就會(huì)使電流降低。

實(shí)際應(yīng)用中常用技術(shù)手段

極性交換技術(shù)

極性交換技術(shù)是在特定的時(shí)間間隔改變極性，使陽(yáng)極產(chǎn)生的氫離子和陰極產(chǎn)生的氫氧根離子中和，防止堿性帶和酸性帶的形成。極性交換能提高電流密度和修復(fù)效率，但其切換電極的周期難以控制，且隨著修復(fù)的進(jìn)行，產(chǎn)生的氫離子和氫氧根離子也會(huì)減少，切換電極的周期將不再適合。

逼近陽(yáng)極技術(shù)

逼近陽(yáng)極技術(shù)是一種新型的電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)，修復(fù)前在土壤中距離陰極不同處分別插入一系列電極，隨著修復(fù)的進(jìn)行重金屬離子在電場(chǎng)作用下不斷向陰極遷移，當(dāng)陽(yáng)極附近的重金屬濃度達(dá)到修復(fù)要求時(shí)，切換工作陽(yáng)極，以此類(lèi)推。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是修復(fù)效果好，可降低能耗，缺點(diǎn)是對(duì)陽(yáng)極移動(dòng)距離和時(shí)間難以控制。

注入緩沖溶液技術(shù)

注入緩沖溶液技術(shù)是為了控制pH值的變化，往陰陽(yáng)電極區(qū)加入緩沖溶液，特別是為了控制陰極pH值的變化。在緩沖液的選擇中，檸檬酸由于其良好的生物降解性、重金屬離子絡(luò)合性、*的溶解性、安全無(wú)毒性，因此常被用作調(diào)節(jié)pH值的緩沖溶液。注入緩沖溶液的優(yōu)點(diǎn)是能很好地控制體系的pH值，增加離子強(qiáng)度，提高電流密度，可絡(luò)合重金屬促進(jìn)其遷移，提高修復(fù)效率;缺點(diǎn)是需要的緩沖溶液量會(huì)變化，只能靠經(jīng)驗(yàn)加入。

總結(jié)與展望

電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)在處理土壤重金屬污染方面有很好的效果及很多優(yōu)點(diǎn)，但是其應(yīng)用效果取決于土壤中重金屬離子的溶解與沉淀程度，在實(shí)際應(yīng)用中為解決這些問(wèn)題此可能會(huì)引起土壤的酸化，發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生新的污染。今后電動(dòng)力學(xué)修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)研究工作應(yīng)著重研究開(kāi)發(fā)新的電動(dòng)力學(xué)修復(fù)裝置，提高修復(fù)效率。更多的開(kāi)展電動(dòng)力學(xué)修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)研究，并結(jié)合實(shí)際問(wèn)題研究修復(fù)工藝，使電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)形成工業(yè)化模式，更好地修復(fù)受污染的土壤，這將會(huì)為修復(fù)污染的土壤做出巨大的貢獻(xiàn)。