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土壤修复技术介绍——电动力学修复技术

点击次数:4617 发布时间:2016-07-13

电动力学修复技术是处理污染土壤的一项新的化学技术方法,已进入现场修复应用阶段。电动力学修复是通过电化学和电动力学的复合作用(电渗、电迁移和电泳等)驱动污染物富集到电极区,进行集中处理或分离的过程。近年来,中国先后开展了铜、铬等重金属、菲和五氯酚等有机污染土壤的电动修复技术研究。

与传统的清洗法、生物处理法等污染土壤修复技术相比,电动力学修复技术具有成本低、适用范围广(原位及异位修复皆可,处理饱和、不饱和土壤皆可)、接触有害物质少、可控性强、处理快速且比较彻底(重金属去除效率一般都可以达到90%以上)、不破坏原有自然生态环境(只处理阴阳两极之间的污染物,不会对环境产生其他影响)等优点,特别适用于小范围的粘质的多种重金属污染土壤和可溶性有机物污染土壤的修复。不过对于不溶性有机污染物,需要化学增溶,易产生二次污染。

电动力学法的基本原理是在污染土壤区域插入电极,施加直流电后形成电场,土壤中的污染物在直流电场作用下定向迁移,富集在电极区域,再通过其他方法(电镀、沉淀/共沉淀、抽出、离子交换树脂等)去除。

电动力学修复过程中污染物的迁移机理有3个现象:

(1)电渗析:土壤孔隙表面带有负电荷,与孔隙水中的离子形成双电层,在外加电场作用下,土壤中的孔隙水从阳极向阴极方向流动。随孔隙水迁移的污染物质富集在阴极附近,可以被抽出进行处理;

(2)电迁移:带电离子或配位体在外加电场作用下向电性相反的电极迁移(正离子向阴极迁移, 负离子向阳极迁移)的过程;

(3)电泳:土壤中带电胶体粒子,包括细小土壤颗粒、腐殖质及微生物细胞等,在外加电场作用下的迁移。从而可以除去这些胶体粒子和吸附在这些颗粒上的污染物质。

总之,电动力学修复的目的是使土壤中的污染物质在外加电场作用下通过电渗析, 电迁移和电泳发生定向移动并在电极附近累积起来, 从而被除去。

电动力学处理过程中阳极应该选用惰性电极如石墨、铂、金、银等,在实际应用中多选用高品质的石墨电极,阴极可以用普通的金属电极。阳极产生的H+ ,在直流电场的作用下向阴极迁移,这样就容易形成酸性迁移带。酸性迁移带的形成促使重金属离子从土壤表面解吸及溶解,进行迁移。电动力学修复重金属污染土壤的影响因素

pH值的影响

土壤的pH值变化对电动力学修复影响很大,pH值影响着重金属的氧化还原、吸附脱附、沉淀溶解、表面电荷和电渗析流的方向,而且pH值变化还影响土壤表面Zeta电位。

Zeta电位的影响

土壤中Zeta电位影响电渗速率,因此也影响重金属在土壤中的迁移速率。电动修复Zeta电位升高,可加快电动力学修复的效率。

土壤温度的影响

电动力学修复过程中,电流过大会产生一定的热量,导致土壤的温度升高,影响电迁移和电渗过程,进而降低修复效率,因此在电动力学修复试验中,选择佳的电流密度,减少电流带来的热效应的影响,可提高重金属污染物的去除率。

土壤理化性质的影响

影响电动力学修复的土壤理化性质主要包括土壤黏土矿物和土壤孔隙率。土壤黏土矿物具有胶体性质,可影响阳离子交换量进而影响修复效率,这是因为具有较大阳离子交换量的黏粒可使重金属的解吸受阻,从而降低了其去除率。土壤孔隙水电解产生的氢离子可与土壤表面接触,促进了被吸附重金属离子的解吸,但孔隙过大氢离子与土壤表面接触减少,可导致被吸附的重金属不能完全解吸。

土壤含水率的影响

电动力学修复中土壤含水率必须达到一定值,土壤含水率过低修复效果会不明显。

电极材料的影响

不同的电极材料、电极材料的形状及电极的排列都会对电动力学修复产生影响,不同的电极材料会影响其在电动修复中电场的分布、放电速率。

技术应用中出现的一些问题

酸性带迁移

酸性带迁移电动力学修复过程中, 阳极上水的电解反应使得阳极附近H+浓度增加,pH值下降, 从而形成了酸性带。在外加电场的作用下, 酸性带通过电渗析流, 扩散流和水平对流从阳极向阴极迁移。随着酸性带的迁移, 土壤的pH值下降, 虽然有利于重金属离子溶解, 但如果pH 值过低会使土壤的Zeta电位变化到零电位, 甚至改变符号。这样会导致电渗析流减弱或变向,为了修复过程的进行, 必须增大电压以保持一定的电渗析流, 从而使得能耗加大, 修复成本增加。

土壤pH控制

电动力学过程中阴极上的电解反应使得阴极附近OH-浓度增加, pH值上升, 从而形成了碱性带。在外加电场的作用下, 碱性带也通过电渗析流向阳极迁移。在碱性环境中, 重金属离子易形成不溶沉淀物。重金属沉淀吸附到土壤颗粒上不随电渗析流迁移, 为了过程的进行,有必要向土壤中加入酸。加酸的不利之处是, 会引起土壤酸化, 目前无法确定土壤恢复酸碱平衡所需时间, 此外, 加酸也会影响土壤的Zeta电位, 导致电渗析流的减弱或变向。极化问题

通过大量的电动力学实验, 发现了3 个导致电流降低的极化现象:活化极化、电阻极化和浓差极化现象。

(1)活化极化:电极上水的电解产生气泡(氢气和氧气)会覆盖在电极表面,这些气泡是良好的绝缘体, 从而使电极的导电性下降, 电流降低。

(2)电阻极化:在电动力学过程中会在阴极上形成一层白色膜, 其成分是不溶盐类或杂质。这层白膜吸附在电极上会使电极的导电性下降, 电流降低。

(3)浓差极化:这是由于电动力学过程中H+向阴极迁移,OH-向阳极迁移的速率缓慢引起的(其速率总小于离子在电极上放电的速率), 从而使得电极附近的离子浓度小于溶液中的其他部分。如果酸碱没有被及时中和, 就会使电流降低。

实际应用中常用技术手段

极性交换技术

极性交换技术是在特定的时间间隔改变极性,使阳极产生的氢离子和阴极产生的氢氧根离子中和,防止碱性带和酸性带的形成。极性交换能提高电流密度和修复效率,但其切换电极的周期难以控制,且随着修复的进行,产生的氢离子和氢氧根离子也会减少,切换电极的周期将不再适合。

逼近阳极技术

逼近阳极技术是一种新型的电动力学修复技术,修复前在土壤中距离阴极不同处分别插入一系列电极,随着修复的进行重金属离子在电场作用下不断向阴极迁移,当阳极附近的重金属浓度达到修复要求时,切换工作阳极,以此类推。该技术的优点是修复效果好,可降低能耗,缺点是对阳极移动距离和时间难以控制。

注入缓冲溶液技术

注入缓冲溶液技术是为了控制pH值的变化,往阴阳电极区加入缓冲溶液,特别是为了控制阴极pH值的变化。在缓冲液的选择中,柠檬酸由于其良好的生物降解性、重金属离子络合性、*的溶解性、安全无毒性,因此常被用作调节pH值的缓冲溶液。注入缓冲溶液的优点是能很好地控制体系的pH值,增加离子强度,提高电流密度,可络合重金属促进其迁移,提高修复效率;缺点是需要的缓冲溶液量会变化,只能靠经验加入。

总结与展望

电动力学修复技术在处理土壤重金属污染方面有很好的效果及很多优点,但是其应用效果取决于土壤中重金属离子的溶解与沉淀程度,在实际应用中为解决这些问题此可能会引起土壤的酸化,发生反应产生新的污染。今后电动力学修复重金属污染土壤技术研究工作应着重研究开发新的电动力学修复装置,提高修复效率。更多的开展电动力学修复重金属污染土壤技术的现场研究,并结合实际问题研究修复工艺,使电动力学修复技术形成工业化模式,更好地修复受污染的土壤,这将会为修复污染的土壤做出巨大的贡献。

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