重金属污染土壤电动力学修复技术[1]
电动力学新技术及其在重金属污染土壤修复中的应用研究
电动力学新技术及其在重金属污染土壤修复中的应用研究
电动力学新技术是一种新型的物理处理技术，它利用电场的作用而发生变形、聚集和吸附，从而达到净化土壤及水体的目的，是土壤和水体修复领域节能减排、非破坏性、无环境污染的基本处理技术。
电动力学技术在重金属污染土壤修复中的应用，主要是通过电场来增大重金属的容量和活性，通过强膨胀颗粒吸附和集合的过程，来排除重金属污染物。
电动力学技术可分为机械式、物理化学式、采用光谱分析仪、温度和pH加热法等。
其中，机
械式电动力学技术是在土壤中加入助剂，再进行振动和机械搅拌，使土壤中的粒子变小，从而增大容量，将污染物排除出土壤，起到净化作用。
物理化学式，则是利用电场将污染物和助剂混合、聚合、变形，然后清淤出来，实现土壤的净化与修复。
此外，采用光谱分析仪、温度和pH加热法等进行的电动力学处理，也可以有效地
净化污染土壤，实现土壤重金属污染的降解和清理。
电动力学技术用于土壤修复时，具有以下优点：
首先，电动力学处理土壤时操作简便，可大大提高土壤修复的效率。
其次，电动力学处理污染土壤的污染物可以彻底移除，而无需像其它处理方式一样需要进行测量、处理和转移，因此可以节省大量的时间和金钱。
再者，电动力学处理对土壤结构无损伤，不会造成污染物扩散和土壤质量降低。
最后，电动力学处理不会造成环境污染，为环境保护有一定的积极作用。
总而言之，电动力学技术在解决重金属污染问题中有着广泛的应用，无论从节能减排、非破坏性或环境污染等方面都是一种理想的技术手段，其应用对重金属污染土壤的修复活动具有重要意义。
矿石中重金属的去除新技术研究
矿石中重金属的去除新技术研究在当今的工业生产和资源开发领域，矿石中重金属的去除是一个至关重要的课题。
随着工业化进程的加速，对矿石的需求不断增长，然而矿石中常常伴生着各种重金属，如铅、汞、镉、铬等。
这些重金属若未经有效处理而释放到环境中，将对生态系统和人类健康造成严重威胁。
因此，研究和开发高效、经济、环保的矿石中重金属去除新技术具有极其重要的意义。
一、矿石中重金属的来源与危害矿石中的重金属主要来源于地质过程中的成矿作用以及人类活动的污染。
在成矿过程中，某些重金属元素会与其他矿物质结合形成矿石。
而人类的采矿、选矿、冶炼等活动则可能进一步导致重金属的释放和扩散。
重金属对环境和生物的危害是多方面的。
首先，它们具有毒性，能够在生物体内积累，影响生物体的正常生理功能。
例如，铅会损害神经系统和造血系统，导致智力下降、贫血等症状；汞会损害中枢神经系统和肾脏，引发水俣病等严重疾病。
其次，重金属在环境中难以降解，会通过食物链不断富集，对生态平衡造成破坏。
此外，重金属污染还会导致土壤质量下降、水体污染等问题，影响农业生产和水资源的利用。
二、传统的矿石中重金属去除技术传统的矿石中重金属去除技术主要包括物理法、化学法和生物法。
物理法主要包括重选、磁选、浮选等选矿方法，通过物理性质的差异将重金属与矿石分离。
然而，这些方法对于粒度较细、含量较低的重金属去除效果往往不佳。
化学法包括酸浸、碱浸、氧化还原等方法。
酸浸法是常用的化学提取方法之一，通过使用强酸将重金属从矿石中溶解出来，但该方法容易产生大量的废水和废渣，处理成本较高，且可能造成二次污染。
生物法是利用微生物或植物对重金属的吸附、吸收和转化作用来去除重金属。
例如，某些细菌和真菌能够将重金属离子转化为低毒性的形态。
然而，生物法的处理效率相对较低，且受环境条件的影响较大。
三、新兴的矿石中重金属去除技术随着科技的不断进步，一些新兴的矿石中重金属去除技术逐渐崭露头角。
1、纳米技术纳米材料具有巨大的比表面积和特殊的表面性质，能够有效地吸附和去除重金属离子。
电动修复
电动力学修复的联用技术 将电修复技术与离子交换和生物降 解等技术相结合，发展复合型土壤修 复技术，已成为当前国际上土壤修复 领域研究开发的前沿之一。
电动力学修复联用技术比较
修复技术 技术特点 适用土壤 适用 修复 原位 主要优点 不需要外加微生物 群体 主要缺点 高浓度污染物会 毒害微生物, 需 要的修复时间长 通过生物电技术 饱和及非 向土壤土著微生 饱和土壤 物加入营养物 电极外包聚合材 不详 料以俘获向电极 迁移的离子 利用土壤中催化 不详 剂作污染物的氧 化降解剂 向土壤外加电压 饱和及非 时加入增强剂 饱和土壤 ( 主要是酸类) 由几个渗透反应 饱和粘性 区组成 土
在电动力学过程中, 发生的电子转移主 要是电极上水的电解反应( E0 为标准电极电 位) : 阴极: 2H2O + 2e-→2OH-+ H2( g) E0= - 0. 83 V 阳极: H2O→ 2H++12 O2( g) + 2eE0= - 1. 23 V
电动力学修复原理示意图
影响因素： PH值的变化 极化问题 酸性带迁移
Electrok lean
原位 或异 位 原位
对缓冲能力高的 土壤和存在多种 污染物的土壤去 除效果差 电解产生的气泡 覆盖在电极上, 使电极导电性降 低
L asagna
结论
电动力学修复技术去除土壤重金属污染是新兴 的原位修复技术, 特别是在纹理细密的土壤和土壤 基质中去除效果更好。由于该技术是通过电极间 的直流电场来去除污染物的, 不需大量开挖土壤, 污染土壤的定位准确, 而且可以应用于饱和及不饱 和土壤中, 此外, 该技术的成本也较其他方法低廉 然而该技术的应用也有一些限制, 主要是重金属离 子的溶解与沉淀受土壤pH 值的影响太大。相信随 着研究工作的进一步开展，这些问题终将得以解 决! 土壤的电动修复技术也必将呈现广阔的应用前 景。
土壤修复再利用技术汇总
土壤修复再利用技术汇总1、土壤污染对人类的危害土壤污染是指人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化、功能降低的现象。
土地受到污染后，含污染物浓度较高的表土容易在风里和水力的作用下进入到大气和水体中，这些污染物通过食物链最终影响人体健康。
2、物理修复技术（1）土壤蒸汽浸提修复技术土壤蒸汽浸提修复技术是在污染土壤内引入清洁的空气产生驱动力，利用土壤固相、液相和气相间的浓度梯度，在气压降低的情况下，将其转化为气态的污染物排出土壤的过程。
该技术适用于高挥发性有机物和一些半挥发性有机物污染土壤的修复，如汽油、笨和四氯乙烯等污染的土壤。
（2）玻璃化修复技术玻璃化修复技术是指利用热能在高温下把固态污染物熔化为玻璃状或玻璃—陶瓷状物质，借助玻璃体的致密结晶结构，使固化体永久稳定。
污染物经过玻璃化作用后，其中有机污染物将因热解而被摧毁，或转化为气体逸出，而其中的放射性物质和重金属则被牢固地束缚于已熔化的玻璃体内。
玻璃化修复技术既适用于原位处理，也适用于异位处理。
（3）固化/稳定化技术固化/稳定化技术是指运用物理或化学的方法将土壤中的有害污染物固定起来，或者将污染物转化成化学物质不活泼的形态，阻止其在环境中迁移、扩散等过程，从而降低污染物质的毒害程度的修复技术。
该技术通常用于重金属和放射性物质污染土壤的无害化处理，但其修复后场地的后续利用可能使固化材料老化或失效，从而影响其固化能力，触水或结冰/解冻过程会降低污染物的固定化效果。
（4）电动力学修复技术电动力学修复技术是通过向土壤施加直接电流（每平方米几安培），在点解、电迁移、扩散、电渗透、电脉等共同作用下，使土壤溶液中的离子向电极附近富集从而达到去除的过程。
该技术目标污染物包括大部分无机污染物、放射性物质及吸附性较强的有机物。
电动力学修复速度较快、成本较低，特别适用于小范围的黏质的多种金属污染土壤和可溶性有机物污染土壤的修复；对于不溶性有机污物，需要化学增溶，易产生二次污染。
重金属污染土壤修复技术及其修复实践
优点：操作简单，效果明显
缺点：成本较高，可能影响土壤结构
应用实例：某重金属污染场地修复项目，通过换土法成功去除了土壤中的重金属污染。
热解吸法
原理：利用热能，使污染物从土壤中解吸出来
优点：适用于各种类型的土壤，操作简单，成本低
缺点：需要消耗大量能源，可能产生二次污染
应用实例：某重金属污染土壤修复项目，采用热解吸法成功修复了污染土壤
生活垃圾：如生活污水、垃圾填埋等
交通污染：如汽车尾气、船舶油污等
自然因素：如火山爆发、地震等自然灾害导致的重金属释放
土壤重金属污染的危害
污染地下水：重金属污染会污染地下水，影响饮用水安全
破坏生态环境：重金属污染会破坏土壤生态平衡，影响生物多样性
危害人体健康：重金属通过食物链进入人体，危害人体健康
影响农作物生长：重金属污染会导致农作物减产，甚至无法生长
重金属污染土壤修复技术及其修复实践
汇报人：
目录
01
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02
重金属污染土壤修复技术概述
03
物理修复技术
04
化学修复技术
05
生物修复技术
06
农业生态修复技术
添加章节标题
1
重金属污染土壤修复技术概述
2
土壤重金属污染的来源
工业排放：如冶金、化工、电镀等行业
农业污染：如农药、化肥、畜禽养殖等
土壤重金属污染修复技术的分类
Hale Waihona Puke 物理修复技术：包括隔离、稀释、吸附等方法
生物修复技术：包括植物修复、微生物修复等方法
化学修复技术：包括氧化还原、沉淀、离子交换等方法
土壤重金属污染修复技术的发展趋势
绿色环保：采用无毒、无害、无二次污染的修复技术
电动力学修复污染土壤的改进技术 ppt课件
②非均匀电动力学过程能有效地促进土壤中 2,4-二氯酚的解吸和迁移; ③采用合适的运行方式和运行参数，可以最大限度地保护土壤原有的特 征，降低能量消耗，具有潜在的应用前景。
在改进电场分布加快土壤修复速率、减少修复时间、降低耗能等方面还 需要进一步研究。
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电动力学修复污染土壤的修复 机理非常复杂，涉及了物理、污染 传输动学、土壤化学、环境化学、 电路化学等多方面知识，进一步研 究电动力学修复污染土壤机理，分 析污染物迁移过程对此技术应用于 实际至关重要。
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根据不同污染区域土壤性质， 进一步的探究改善电动力学修复的 工序，建立一套去除效率高、环保 节能的电动力学修复技术体系。
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（3）土壤掺杂
修复过程中由于电渗析作用，土壤水分发生迁移导致部分土壤板结，电 阻率增加，从而导致电流减小。
针对溶解性差和脱附能力弱污染物，一些研究者采用添加表面活性剂或 助溶剂的方法增强电动力学修复，其作用原理是将表面活性剂或助溶剂添加 到土壤中，与土壤污染物相互作用形成迁移态化合物，通过电动力学技术将 迁移态化合物迁移至收集区域作进一步处理。
为了解决耗能高的问题，吴婵等提出了铁和碳组成的原电池在某些场合 可以代替电源，实现污染土壤和沉积物的电动力学修复。该原电池产生的电 场可以驱动污染高岭土中镉发生电迁移，镉的去除率达77.9%。
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（6）电动力学修复联合技术
目前，相关的研究更倾向于将电动技术与其他技术进行联合，用以去除 土壤中的污染物。联合技术可以避免或减少污染物的后处理过程，实现原位 迁移和降解过程。
电动修复法 土壤
电动修复法土壤概述电动修复法土壤是一种利用电力的修复方法，用以恢复受污染的土壤环境。
该方法通过电动势驱动，利用电反应作用于土壤颗粒和污染物之间的物质转移，达到去除或降解土壤中的污染物的目的。
本文将详细介绍电动修复法土壤的原理、适用范围、操作步骤、优缺点以及相关应用案例。
原理电动修复法土壤的原理基于电动化学反应，利用外加电场的作用，通过阳极氧化和阴极还原反应，使土壤中的污染物向电极迁移，从而达到修复土壤的目的。
在电极附近的阳极区，氧化反应会使污染物氧化分解；而在阴极区，还原反应则可以将污染物从土壤中还原。
此外，电场还可以提高土壤中物质的迁移速度，促进修复效果。
适用范围电动修复法土壤适用于多种污染物的修复，包括有机污染物、重金属、土壤酸化等。
其适用范围包括但不限于以下情况：1.土壤中存在可溶性污染物，如有机溶剂、油类污染物等。
2.土壤中存在可迁移污染物，如重金属离子等。
3.土壤酸碱度或盐度不合适，需要进行调整。
操作步骤电动修复法土壤的操作步骤如下：1.土壤准备：混合土壤中加入适量的电解质，以增强电导率。
同时，将土壤分为阳极区和阴极区。
2.电极安装：将阳极和阴极插入土壤中，确保良好的接触。
3.施加电场：通过外加电源施加恰当的电场，可根据需要进行调节。
4.修复过程：在电场作用下，污染物从阳极区迁移到阴极区，进行氧化分解或还原反应。
5.监测与调整：定期监测土壤中污染物的含量以及土壤性质的变化，根据需要进行调整。
优缺点电动修复法土壤作为一种修复方法，具有以下优点：•适用范围广：可适用于多种污染物的修复。
•高效快速：电场的作用可促进物质迁移速度，提高修复效果。
•环境友好：不产生二次污染。
然而，电动修复法土壤也存在一些缺点：•成本较高：电极安装和外加电源的使用都需要一定的成本投入。
•操控要求高：需要精确控制电场强度和过程参数。
•实施周期较长：修复过程需要一定的时间，无法立即见效。
相关应用案例电动修复法土壤已经在实际环境工程中得到应用，并取得了一定的效果。
重金属污染土壤的电动力学修复试验研究
太高． 在重金 属 电动技 术研究 中存 在 的 问题有 ： 如何 减 少 电位损 失 ， 染 物迁 移路 径 （ 污 即阴 阳极 间距 ） 的
影 响 ， 强剂 的加 入 量 ， 增 电场 的切 换 时 间 ， 种 金 属 多 离 子 的相互影 响等 ． 本文 采用 自制 的实 验装 置 ， 通过
（ 同济大学 建筑２ 程系 ， １ ２ 上海 ２ ０ ９ ） ０ ０ ２
摘要 ： 采用 自制 的实验装置研究重金属污染土壤的电动力学 修复性能 ， 通过 问歇断 电法和提高 电压 法提高单一 重金属 污
土壤 重金 属污染 危 害严 重 ， 复 方法 多 种 ， 中 修 其 电动 力 学 修 复 因其 快 速 、 效 ， 土 壤 性 质 影 响 较 高 对 学灌 浆 及 土 壤修 复等 工 程 领 域有 着 广 泛 的应 用 ． 影 响 土壤 电动 修 复 的 因素 很 多 ［ ， 要 包 括 土 壤 类 １ 主 叫］
型 、 Ｈ值 、 ｐ 污染 物 性质 、 电势 梯 度 和 电流 大 小 、 电极
染土壤的重金属去除 率 ， 得 了 良好 的效果 ， 且对 多离子 小 ， 取 并 而倍受 国 内外 学 者推 崇 ， 在工 程 排 降 水 、 基 化 地 污染土壤的电动修复 进行 了研 究 ． 结果 表 明： 间歇断 电法 和 提高电压法 与相 同试验条件下 的普通试验相 比， ｄ Ｃ 去除率分 别提高了 ６ １ ％和 ０ ５ ％， ．７ ．６ 电能消耗 分别节省 了 ５ ． ６ １ ８ ％和 １ ． ％ ． 离 子 污 染 土 壤 Ｃ ， ｂ Ｃ 的 去 除 率 分 别 为 ２４ 多 ｕ Ｐ ，ｄ ６ ．６ ，５ ３ ％， ９ ９ ％ ， ８ ５ ％ ７ ． １ ６ ． ０ 相对 于单 一 离子 Ｃ ｄ的 电动 试
土壤电动修复
优点：有对本底环境破坏小、成本低、应用范围广、处理效果好等优点。
缺点：电动修复应用过程中需要土壤处于浸水条件，若污染土壤无防渗层，污染物会随水流向土壤深层迁移，污染深层土壤甚至地下水，对环境造成风险。
另外，电动修复时阴极电解液产生的大量OH -，进入土壤与重金属离子结合形成沉淀，这对电动修复有阻碍作用。
原理：通过在污染土壤两侧施加直流电压形成电场梯度，土壤中的污染物质在电场产生的各种电动力学过程，如电迁移、电渗析和电泳等作用下被带到电极两端从而清洁污染土壤。
存在形式：土壤中铬的存在形态主要以 Cr(Ⅲ) 和 Cr(Ⅵ) 为主。
铬形态的不同，导致铬在土壤中的迁移性能不同，严重影响其电动修复的效率。
Cr(Ⅲ)在土壤中的存在形态取决于土壤的PH 值及其土壤成分，主要形态为()236 Cr H O +、()2Cr OH + 、()2Cr OH +、()3Cr OH 、()4Cr OH -和()25Cr OH -。
土壤中有机质的存在会增加Cr(Ⅲ)的吸附，导致其形态发生变化。
Cr(Ⅵ)在土壤中除了形成难溶的铬酸盐(4 C aCrO 、4 BaCrO 、4 Pb CrO )外，主要以可溶态的形式存在，通常为氧阴离子：227Cr O -、24H CrO 、4HCrO -和24CrO -。
实验装置装置中土壤质量为2kg ，制成长、宽、高分别为17.5cm ×13.5cm ×6.5cm ，铬含量为1000mg/kg 的土块。
采用覆盖滤纸的板状石墨电极(17.5cm ×10cm ×1cm) ， 在阴阳两极室加入蒸馏水作为电极溶液。
施加直流电，电压梯度为1V/cm 。
实验方法将一定量的重铬酸钾和氯化铬溶解后，定量加入到土壤中。
将土壤搅拌1h 之后放入容器，压实 。
在阴、阳极室各加入500mL 的蒸馏水。
连接直流电源，施加恒定电压。
修复时间，EK1为163.5h，EK2和EK3为153.5h。
土壤重金属污染修复
二 调节土壤的氧化还原电位
土壤的氧化还原电位，与土壤的水份成密切相关关系，可 以通过调节土壤水份来控制土壤中重金属行为。研究表明， 生长在氧化条件下（不淹水）的水稻，含镉量比生长在还 原状态下（淹水）的高得多。土壤处于还原状态下时，Fe （3+）还原为Fe（2+）；MnO2还原为Mn（2+）；SO4 （2-）还原为S（2-），因此可生成FeS， MnS，CdS共沉 淀。 当土壤中含硫较少时，适当加入含硫试剂。 在砷污染的土壤中，氧化还原条件的影响正相反，在氧化 条件下，砷酸根是稳定态，在还原条件下，亚砷酸根是主 要形态，而亚砷酸根对植物的毒性要比砷酸根大的多。所 以当出现砷与其它金属复合污染时，采取调节土壤氧化还 原电位的方法是不可取的。
三 水洗法
采用清水灌溉稀释或洗去重金属离子，使重金属离子迁移至较 深土层中，以减少表土中重金属离子的浓度；或者将含重金属 离子的水排出田外。但采用此法也应遵守防止二次污染的原则， 要将毒水排入一定的储水池或特制的净化装置中，进行净化处 理，切忌直接排入江河或鱼塘中。此法也只适用于小面积严重 污染土壤的治理。
物理方法
一 客土法、换土法
客土法：在被污染的土壤上覆盖上非污染土壤； 换土法：部分或全部挖除污染土壤而换上非污染土 壤。
换土的厚度愈大，降低作物中重金属含量的效果愈 明显。
客土法或换土法所需花费的人力和财力巨大，只适 用于小面积严重污染土000年初实行《土壤及地下水污染整治法》，加大 了土壤与地下水污染的稽查力度，一旦发现污染，立即采取 措施。如若发现农田存在某种污染，立即公告，要求休耕， 并给农民休耕补贴。
二 植物修复技术 植物修复技术因较其它的物理化学和生物方法成本低，对环境 扰动少，美化环境，易为社会接受。最近引起国内外同行的广 泛关注，植物去除金属主要通过植物萃取技术和植物固定化技 术。常用于土壤修复的植物，如印度芥菜根深0.3米，禾本植物 根深0.6米，苜蓿根深1.2～1.8米，杨树根深4.5米。
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重金属污染土壤电动力学修复技术乔志香 金春姬 贾永刚 李鸿江 李青松 向 勇(中国海洋大学岩土与环境工程系,青岛266003)摘 要 电动力学修复技术是把电极插入受污染的土壤并通入直流电,发生土壤孔隙水和带电离子的迁移。
土壤中的污染物质在外加电扬作用下发生定向移动并在电极附近累积,抽出处理从而被除去。
新兴的电动力学原位修复技术去除土壤重金属污染正越来越多地被各国研究人员接受。
一系列实验规模的研究和技术已日渐成熟,其中Lasagna 技术和Electro 2klean 技术已在美国肯塔基州和路易斯安那州等地进行了原位修复。
关键词 重金属污染 土壤 电动力学 修复技术T echnology of electrokinetic remediation ofheavy metals 2contaminated soilsQiao Zhixiang Jin Chunji Jia Y onggang Li Hongjiang Li Qingsong Xiang Y ong(Department of G eotechnical and Environmental Engineering ,Ocean University of China ,Qingdao 266003)Abstract In the technology of electrokinetic remediation ,we plug electrodes in soils and apply directcurrent ,the water and electriferous ions in soils are moving toward the electrodes ,so the pollutants in the soils are moving and cumulating around electrodes ,then they are pump out and treated.Electrokinetic soil remedia 2tion is an emerging in suit technology and is accepted by many researchers and countries.A series of pilot 2scale studies and techniques are growing up ,and the Lasagna and Electro 2klean processes have been carried out in Kentucky and Louisiana ,USA.K ey w ords heavy metals contamination ;soil ;electrokinetic ;remediation technology收稿日期:2003-05-27;修订日期:2003-07-17作者简介:乔志香(1975～),女,硕士研究生,主要研究方向:土壤污染治理。
E 2mail :qiaozx @ 目前,全世界每年约有数百万吨危险废物产生,大部分没有得到有效的控制和处置。
在农业生产上,由于不加节制的污水灌溉和过量使用化肥和农药,以及城市生活垃圾污泥堆肥施用于农田,使得土壤成为多种污染物的接纳体,污染物中的重金属通过各种方式进入了土壤。
在我国沈阳市西郊的张士污灌区,由于灌溉污水中含有冶炼厂排出的镉,导致土壤和作物受镉污染,污染严重土壤中含镉量5～7mg/kg ,稻米中含镉量1～2mg/kg [1]。
随着工农业的迅速发展,受重金属污染的农业土地越来越多,当前,我国受重金属污染的农业土地面积多达2000hm 2[2]。
与其他污染物不同,重金属不能被土壤微生物所分解却可被生物体富集,某些重金属能转化为毒性更大的有机化合物,通过食物链在人体内蓄积,达到一定的浓度从而造成人体健康受损。
如日本的水俣病就是水俣市氮肥厂含甲基汞的废水排入海水中,通过食物链在人体内蓄积造成的[3]。
而且土壤一旦受到重金属的污染,要彻底消除是十分困难的。
在过去的几十年里,出现了一些污染土壤的修复技术,如土壤淋洗法、土壤冲洗法、热解吸法、土壤蒸汽提取法、土壤稳定化和固化法以及近年来较热门的生物修复法等。
虽然这些方法在理论上较成熟,并在实验范围内也获得了成功,但运用于实际处理的较少。
同时,这些方法对受重金属污染的土壤的处理效果并不好[4～6]。
新兴的重金属污染土壤电动力学修复技术被越来越多的研究人员和国家接受,一系列实验规模的技术已日益成熟。
研究表明,一些重金属如铬、镉、铜、铀、汞、锌及有机化合物(如多氯联苯、苯酚、氯苯乙烷、甲苯、三氯乙烯和乙酸等)都适合电动力学法[4],并且在低渗透性土壤中去除效果更好。
1 原 理电动力学现象最初发现于19世纪,此后主要应第5卷第6期环境污染治理技术与设备Vol .5,No .62004年6月Techniques and Equipment for Environmental Pollution ControlJ un .2004用于土木工程领域,如水坝和土壤的脱水与夯实。
近年来开始用于环境工程领域,主要是受污染的地下水和土壤的修复。
当把电极插入受污染的土壤并通入直流电时,就会发生土壤孔隙水和带电离子的迁移。
土壤中带正电的离子向阴极移动,带负电的离子向阳极移动,不带电的污染物随着孔隙水的电渗析流而发生迁移,其迁移量和迁移速度受污染物浓度、土壤粒径和含水量、污染物离子的迁移性和电流强度的影响,此外,还与土壤孔隙水的界面化学性质和导水率有关。
在电动力学过程中,发生的电子转移主要是电极上水的电解反应(E0为标准电极电位):阴极:2H2O+2e-2OH-+H2(g)E0=-0.83V阳极:H2O2H++12O2(g)+2e-E0=-1.23V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。
电动力学修复过程中的3个现象是:(1)电渗析:这是由于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,引起孔隙水从阳极向阴极流动。
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:是带电离子或配位体在外加电场作用下向电极迁移(正离子向阴极迁移,负离子向阳极迁移)的过程;(3)电泳:是带电粒子或胶体在外加电场作用下的迁移,土壤中的胶体粒子包括细小土壤颗粒、腐殖质及微生物细胞等[7],吸附在这些颗粒上的污染物质随之迁移,从而可以除去这类污染物质。
2 几种电动力学修复方法和技术2.1 阳离子选择性膜法阳离子选择性膜法(cation2selective membrane)目前处于实验室研究阶段,在电动力学处理受污染的土壤的过程中,阴极和土壤之间靠近阴极的地方设一层阳离子选择性膜[8]。
在电渗析流、电迁移和电泳的作用下向阴极迁移的阳离子可以通过这层选择性膜,而阴极电解产生的OH-则不能通过,OH-与进入膜的H+反应生成水,使阴极附近土壤的p H 值下降,避免了金属离子在碱性环境中生成不溶物。
但该方法应用于现场还需进一步的研究。
此外类似的方法还有H+饱和的阳离子交换树脂法(H2saturated cation exchange resin)[9]。
该方法用H+饱和的阳离子交换树脂代替离子交换膜来中和阴极产生的OH-,从而使酸性离子迁移带能更多地溶解重金属离子,有利于抽出处理。
2.2 阳极陶土外罩法阳极陶土外罩法(ceramic casings)研究了非饱和性土壤中重金属污染的去除[10]。
在非饱和性土壤中,电动力学修复的效率与土壤的含水率有关,随着水的电解进行,阳极附近土壤含水率下降,从而土壤导电性降低而使通过的电流下降。
为了保持一定的电流强度,可通过阳极上的陶土外罩向土壤加水。
该方法目前已开始应用于现场修复,但在实际操作中要考虑加水量的问题,加水过多会使污染物渗入更深的土层中。
2.3 Lasagna技术该技术已经应用在美国肯塔基州的Paducah现场。
Lasagna的本意是烤宽面条,该技术的设施是由几个平行的渗透反应区组成,类似于烤宽面条。
在渗透反应区中加入了吸附剂、接触反应剂、缓冲液和氧化剂、外加电场使污染物质迁移到渗透反应区中进行物理化学处理[4,11～13]。
它的形式有水平和垂直2种,见图1。
图1 Lasagna法的水平形式和垂直形式Fig.1 Horizontal and vertical Lasagna configurations该技术通过电极井在阳极注入水,在外加电场的作用下污染物随水流迁移到阴极附近并抽出进行处理。
该技术的水平形式适用于深层密实土的污染,而垂直形式适用于浅层(15m内)污染和不太密实的土壤[4]。
该技术的优点是:可以有效地循环利用阴极抽出水,将其注入阳极既可降低阳极附近的H+浓度,又可以简化抽出水的处理工作。
通过改变电极的极性可促进多种污染物质进入处理单元,避免产生不均衡电位和p H突变。
此外该技术的成本(50～120美元/m3)较土壤化学氧化法(130～200美元/m3)18第6期乔志香等:重金属污染土壤电动力学修复技术和土壤蒸汽提取法(65～123美元/m 3)低[4]。
但应用该技术应防止电解产生的气泡覆盖在电极上以保证电极间有良好导电性。
为提高Lasagna 技术的效率,一些研究者开始研究将Lasagna 与生物修复法联合起来处理土壤重金属污染。
2.4 电动力学生物修复法电动力学生物修复法(electrokinetic bioremedia 2tion )原理是通过特殊的生物电技术向土壤土著微生物加入营养物质(主要是硝酸盐类),由于微生物对外界供给的电化学能量有接受的本性,添加的营养物能有效地增加微生物群体活性,促进其生长、繁殖,提高对污染物的降解能力[14,15]。
其反应过程是将营养物加入电极井,外加电场使之分散进入土壤中被微生物利用,Acar 等[14]在阳极加入铵离子,在阴极加入硫酸盐离子,研究了纹理细密的沙性土和高龄石中营养物的迁移规律。
为了保持土壤环境为中性,可在电极附近加入缓冲液。
电动力学生物修复法的优点是不需要外加微生物群体,但污染物浓度过高会毒害微生物甚至引起死亡,另外,修复时间较长。
电动力学生物修复方法见图2。
图2 电动力学生物修复的示意图Fig.2 Sketch map of electrokinetic bioremediation此外,还有Electro 2klean 技术、电化学自然氧化技术(electrokinetic geooxidation )和电吸附技术(electrosorb )等。