土壤重金屬污染的電化學修復

1、土壤重金屬污染的電化學修復摘要： 電化學修復技術是近年來迅速發(fā)展的一種污染土壤的綠色原位修復技術。這種技術具有安裝方便、操作簡單和成本低廉的特點，而且不影響生態(tài)環(huán)境，是非常有發(fā)展前景的一種環(huán)境修復技術。本文介紹了其原理，影響因素，優(yōu)點及缺點。關鍵詞 重金屬 污染土壤 修復 Abstract Electrochemistry remediation is an in-situ remediation technique。it develops recently.This technology is convenient in installation, simple in operation ,

2、cheap and does not disrupt environment, thus is a potential remediation technology .This paper introduces the principle, influence factors, advantages and disadvantages.Keyword heavy metal contaminated soils remediation一 前言 隨著工業(yè)廢水和城市垃圾的大量排放，污水的農(nóng)業(yè)灌溉，土地的重金屬污染已成為突出的環(huán)境問題。就土壤本身而言來講，均含有一定量的重金屬元素，其中很多是作物生長

3、所需要的微量元素，如Mn、Cu、Zn等，因此只有當進入土壤的重金屬元素積累的濃度超夠了作物需要和可忍受程度，而變現(xiàn)出受毒害的癥狀，或作物生長雖并未受害但產(chǎn)品中某種重金屬含量超過標準，造成對人畜的危害時，才能認為土壤被重金屬污染。土壤污染中，重金屬污染比較突出。這是因為重金屬不能被微生物分解，而且能被土壤膠體所吸附，被微生物所富集，有時甚至能轉(zhuǎn)化為毒更強的物質(zhì)。土壤一旦被污染，就很難徹底消除。土壤的重金屬污染不僅危害農(nóng)作物的生產(chǎn)，而且還能通過食物鏈危害人類的健康和生命。日本的“痛痛病”和“水俁病”引起了人們對重金屬污染的重視。近年來，人們找到了許多治理和修復重金屬污染的方法，按原理可分為物理、化

4、學、生物、農(nóng)業(yè)等幾大類。其中，本文將介紹一種安裝簡單，成本低廉，適用于地下土壤環(huán)境重金屬污染原位修復的方法電化學方法。二 電化學方法機理 電化學方法的機理：在一定的電流和電壓下，不同離子能在電滲和電遷移的作用下向相反的電極移動，氫離子和金屬離子向陰極定向移動，同時溶解土壤中的金屬離子?；驹硎窃谖廴就寥绤^(qū)域插入電極，施加直流電后形成電場，土壤中的污染物在直流電場作用下定向遷移，富集在電極區(qū)域，再通過其他方法(電鍍、沉淀共沉淀、抽出、離子交換樹脂等)去除。在去除過程中，最主要電極反應有：陽極反應：2H2O 4e O2 4H+ 陰極反應：2H2O 2e H2 2OH 電極反應在陽、陰極分別產(chǎn)生大

5、量的H+ 和OH，導致電極附近的pH值相應地下降和升高。在電場作用下，H+和OH又將以電遷移、電滲流、擴散和水平對流等方式分別向陰、陽兩極移動，直到兩者相遇且中和。在相遇的區(qū)域產(chǎn)生pH值突變。并從該區(qū)域?qū)⒄麄€操作區(qū)間劃為酸性和堿性區(qū)域。其中，H+遷移速度是OH的1.8倍。在酸性區(qū)域內(nèi)，金屬離子的溶解度增大，有利于土壤中重金屬離子的解吸。而在堿性區(qū)域，重金屬離子容易生產(chǎn)沉淀，從而限制污染物的去除效率。三 電化學方法的應用1 去除河道底泥中的重金屬 利用電化學法修復河道底泥是20世紀80年代末興起的。在被污染的河道底泥兩端加上低壓直流電場，利用電場的遷移力，主要是電滲和電遷移的作用，將重金屬離子遷

6、移到一端電極室(一般為陰極室)，從而得到分離。電化學修復去除河道底泥重金屬在實驗條件下，已經(jīng)收到了一定的效果。目前，歐美許多國家都已將該技術應用在實際工程中，對于處理一般污染河道底泥和一些特殊污染的河道底泥有良好的效果，形成了一套行之有效的電化學去除污泥重金屬的方法。電化學修復方法與傳統(tǒng)的河道底泥修復技術（如清洗法、蒸發(fā)法）相比，具有人工少、接觸毒害物質(zhì)少等優(yōu)點；與生物修復和化學修復等相比，具有周期短、見效快、無毒副作用的優(yōu)點。2 重金屬污染土壤原位修復用電化學原地修復重金屬污染土壤在國外已經(jīng)有較深的研究，有許多工程應用實例。二十多年前美國路易斯安那州立大學最早研究利用電化學方法凈化重金屬污染

7、土壤，他們在土壤中插入電極，通入低強度直流電。結(jié)果發(fā)現(xiàn):土壤Pb含量從100mg/kg降至510mg/kg。但此法受土壤性質(zhì)的限制，不適用于滲透性較高，傳導性較差的土壤和沙性土壤。同時存在聚焦效應，即向陰極遷移的金屬離子與陰極產(chǎn)生OH一形成沉淀，吸附在土壤表層，不利于重金屬的去除。近年來發(fā)展了許多改進措施。Li在陰極與土壤之間加入導電溶液，使重金屬不會在土壤中析出,可使污染土壤中的重金屬去除率達90 %。四 電化學法的影響因素 影響土壤修復的因素很多，主要包括土壤類型、pH值、污染物性質(zhì)、電勢梯度和電流大小、電極材料和形式等，解決好這些問題是土壤電動修復研究的關鍵。實驗表明最小值可能在1020

8、。研究表明土中碳酸鹽和赤鐵礦會對修復過程產(chǎn)生不利的影響。 1土壤類型雖然試驗表明動電修復技術對于各種土壤都適用，但是污染物在土中的傳送效率與土的類型以及環(huán)境因素密切相關。土壤性質(zhì)影響污染物的去除效率，包括吸附、離子交換、緩沖能力以及土壤pH值等。土壤含水率必須高于某一最小值，電動修復才起作用。實驗表明最小值可能在1020。研究表明土中碳酸鹽和赤鐵礦會對修復過程產(chǎn)生不利的影響。2. pH值 試驗裝置陰極pH值的控制是電動修復技術的關鍵。當直流電施加在飽和土壤上時，導致水在陽極發(fā)生氧化反應，生成酸性遷移帶；而在陰極發(fā)生還原反應，生成堿性遷移帶。陽極生成的酸性遷移帶向陰極推進，同時陰極生成的堿性遷移

9、帶也向陽極推進。由于氫離子的淌度是氫氧根離子淌度的1.8倍，并且電滲流的方向是向陰極的，所以一段時間以后，整個土壤體系中除了陰極區(qū)以外其余都是顯酸性。不過對于緩沖性很強的土壤，得不到這種趨勢。當酸堿相遇時發(fā)生中和反應生成水，引起pH值的突躍，這會影響污染物的溶解度、形態(tài)以及在土壤表面的吸附特性。3.污染物類型及濃度污染物的溶解性和脫附能力對該技術的成功應用有重要影響?？紫度芤褐须x子濃度高，增加了電導率，但降低了電滲流的效率。Kim等研究發(fā)現(xiàn)土壤中以水溶態(tài)和可交換態(tài)存在的重金屬較易被電動修復，可達到90，而以有機結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)存在的重金屬將較難被去除，約為30。一般情況下，酸性增加將加速其他形態(tài)

10、存在的污染物向溶液中轉(zhuǎn)化。4.電極材料和構(gòu)型電極材料是影響電動修復污染土壤的一個重要因素。選擇電極材料的因素，包括導電性、材料易得、容易加工、安裝方便以及成本低廉等。陰極材料要求避免堿性條件下離解或者發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，陽極材料要求避免在酸性條件下腐蝕。金屬電極電解過程中發(fā)生溶解，產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，因此需采用惰性物質(zhì)如石墨、鉑或鍍鈦、鉑的金屬等作為陽極，所有在酸溶液中不溶蝕的導電材料都可作為陰極材料。五 電化學方法修復的優(yōu)點和缺點 電化學方法處理重金屬污染的優(yōu)勢有：（1） 花費少，經(jīng)濟上可行。（2） 可以作為一種原位土壤修復技術，不需要操作工人同污染土壤進行直接接觸，避免了操作工人的風險暴露。（3）

11、傳統(tǒng)的土壤修復技術往往只適用于滲透性土壤，對粘性土壤的處理效果非常差，而電化學技術對粘性土壤具有非常好的適應性。（4） 可控性強。重金屬的遷移方向受電遷移和電滲析方向的影響，可以通過外加電場和土壤性質(zhì)來調(diào)控，具有較好的可控性。（5） 重金屬去除效率高，一般都可以達到90以上。 電化學方法的缺點有：（1） 極化現(xiàn)象。即隨著實驗的進行，土壤中的電流密度會減小。經(jīng)分析，可能是由活化極化，電阻極化和濃差極化三種原因引起的。 活化極化 電解過程中產(chǎn)生的氫氣，氧氣覆蓋在電極表面，這些氣體是良好的絕緣體，導致了電導性下降，電流降低。 電阻極化 不溶性鹽類或其他雜質(zhì)吸附在陰極表面，使電導率下降，降低了電流強度

12、。 濃差極化 陰極產(chǎn)生的氫離子和陽極產(chǎn)生的氫氧根各自向電性相反的電極遷移，如果產(chǎn)生的酸堿沒有被及時中和，就會使電流降低。 （2）溫度問題。當向污染土壤加比較高的電壓，通電時間較長時，土壤溫度會升高，這樣可能會降低電動力學處理重金屬的效率。（3） 土壤中的雜質(zhì)問題。如果污染土壤中含有碳酸鹽、赤鐵礦以及大塊的巖石、沙礫時，對重金屬的去除效率就會降低。（4） 后續(xù)處理。電化學技術處理污染土壤，更多的是將土壤中的污染物遷移出土壤后再進行后續(xù)處理。五 發(fā)展前景 電化學法由于其對現(xiàn)場環(huán)境影響小、處理周期短、效果明顯等優(yōu)點，可能適合于不能改變現(xiàn)場環(huán)境的區(qū)域(如受污染區(qū)域上有建筑物)，對于質(zhì)地均勻的粉土、粘土處理效果更為顯著。電化學法作為一種新興的土壤原位修復技術，從國外一些室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗的結(jié)果來看，是適合去除土壤中的重金屬污染的。該技術目前已經(jīng)在德國、美國等國家進行了大范圍的工程試驗。面對國內(nèi)日趨嚴重的重金屬污染，有必要在一些具體的地點小范圍內(nèi)采用電化學法來修復受重金屬污染的土壤，對具體的試驗數(shù)據(jù)進行分析研究，找到電化學處理技術的最優(yōu)參數(shù)，以解決我國土壤環(huán)境的重金屬污染問題。參考文獻1金春姬 李鴻江 賈永剛 羅先香 郭秀軍 電動力學法修復土壤環(huán)境重金屬污染的研究進展J環(huán)境污染與防治2004,26(5)2譚浩 趙新華 馬偉芳 電化