電動(dòng)力學(xué)修復(fù)

電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)是利用土壤和污染物電動(dòng)力學(xué)性質(zhì)對(duì)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)的新興技術(shù)。電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)既克服傳統(tǒng)技術(shù)嚴(yán)重影響土壤結(jié)構(gòu)和地下水所處生態(tài)環(huán)境的缺點(diǎn)，又可以克服現(xiàn)場(chǎng)生物修復(fù)過(guò)程非常緩慢、效率低的缺點(diǎn)，且投資比較少，成本比較低廉。技術(shù)原理將電極插入受污染的地下水及土壤區(qū)域，在施加直流電后，形成直流電場(chǎng)。由于土壤顆粒表面具有雙電層、孔隙水中離子或顆粒帶有電荷，引起土壤孔隙水及水中的離子和顆粒物質(zhì)沿電場(chǎng)方向進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)稱為動(dòng)電效應(yīng)或電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。土壤孔隙表面帶負(fù)電荷，并與孔隙水中的離子形成雙電層。擴(kuò)散雙電層引起孔隙水沿電場(chǎng)從陰極向陽(yáng)極方向流動(dòng)，成為電滲析。孔隙水流動(dòng)速度與雙電層厚度(土壤孔隙表面的Zeta電位)或者說(shuō)與水流所攜帶的動(dòng)電電流成正比，而與水流中電解質(zhì)的濃度關(guān)系不大。土壤顆粒表面的雙電層厚度一般約為10nm左右，不同類型的土壤帶有的電荷及形成的雙電層厚度是不同的：沙土＜細(xì)沙土＜高嶺土＜蒙脫土。電滲析流與外加電壓梯度成正比。在電壓梯度為1V/cm時(shí)，電滲析流量高達(dá)10-4cm3/(cm2?s)0電滲析流用以下方程描述：Q=keXieXA式中^是體積流量，ke是電滲析導(dǎo)率系數(shù)，一般范圍在1X10-9?10X10-9m2/(V?s)，ie是電壓梯度，A是截面積?！?6電滲析在土壤孔隙中產(chǎn)生的水流比較均勻，流動(dòng)方向容易控制。對(duì)于結(jié)合緊密的粘土土壤，電滲析產(chǎn)生的水流滲透率高于水力學(xué)滲透率的幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且動(dòng)力消耗低。電滲析流的速度一般約為2.5cm/d。通過(guò)電滲析方法，密實(shí)土壤中的污染物可以被抽取出來(lái)以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。但是電滲析流也容易引起土壤夯實(shí)或裂縫，不易穩(wěn)定的長(zhǎng)期操作。電動(dòng)力學(xué)第二種機(jī)理是帶電離子的遷移活動(dòng)，簡(jiǎn)稱電遷移。在直流電場(chǎng)中，正離子向陽(yáng)極遷移，負(fù)離子向陰極遷移。離子在單位電場(chǎng)梯度(也就是1V/cm)中的遷移速度稱為離子淌度。淌度與離子的濃度有關(guān)。在無(wú)限稀的溶液中，淌度在1X10-8?10X10-8m2/(V?cm)之間。在土壤中，由于孔隙的作用，遷移的路徑長(zhǎng)而曲折，實(shí)際淌度大約在3X10-9?1X10-8m2/(V?cm)之間。電動(dòng)力學(xué)第三種機(jī)理是土壤中帶電膠體粒子的遷移運(yùn)動(dòng)，稱為電泳。土壤中膠體粒子包括細(xì)小土壤顆粒、腐殖質(zhì)和微生物細(xì)胞等。運(yùn)動(dòng)的方向和大小取決于電場(chǎng)和毛細(xì)孔隙的直徑等因素。在電動(dòng)力學(xué)技術(shù)運(yùn)行中，電極表面可能發(fā)生電解。陽(yáng)極電解產(chǎn)生氫氣和氫氧根離子，陰極電解產(chǎn)生氫離子和氧氣。陰極反應(yīng)：2H2O—4e-fO2+4H+E°=—1.23V陽(yáng)極反應(yīng)：2H2O+2e-fH2+2OH-E0=—0.83V電解反應(yīng)導(dǎo)致陰極附近pH呈酸性，pH可能低至2,帶正電的氫離子向陽(yáng)極遷移；而陽(yáng)極附近呈堿性，pH可高至12，帶負(fù)電的氫氧根離子向陰極遷移。氫和氫氧根離子的遷移速度比一般其他離子遷移速度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，只是因?yàn)樵搩煞N離子與水容易離合，傳遞速度快。其中，氫離子因?yàn)榘霃叫。溥w移速度又是氫氧根離子的兩倍。加之氫離子的遷移與電滲析流同向，容易形成酸性遷移帶，酸性遷移帶的好處是氫離子與土壤表面的金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)，有助于沉淀的金屬重新理解為離子，進(jìn)行遷移。但是，酸性帶也影響土壤表面的離子交換容量、吸附能力、2cm電位的大小甚至符號(hào)。因此，如果對(duì)酸性帶不加控制，將導(dǎo)致電滲析流減弱，這是因?yàn)橄鄳?yīng)pH的變化總是降低電滲析流效應(yīng)，無(wú)論電滲析流方向是向陰極或陽(yáng)極。例如，如果Zeta電位開(kāi)始是負(fù)的，向陽(yáng)極的流動(dòng)將把低pH的水從陰極方向帶過(guò)來(lái)，導(dǎo)致Zeta電位降低，甚至使Zeta電位反轉(zhuǎn)而

變成正的。相反，如果Zeta電位開(kāi)始是正的，電滲析流是流向陰極，那么陽(yáng)極附近的高pH水將流進(jìn)來(lái)，使得Zeta電位向負(fù)值方向變化。這種現(xiàn)象也導(dǎo)致操作電壓的升高和能耗的增加。土壤類型和性質(zhì)是影響污染物的遷移速度及去除效率的主要因素。高水分、高飽和度、低反應(yīng)活性的土壤適合污染物的遷移。反之，具有反應(yīng)活性的土壤容易導(dǎo)致污染物的吸附和表面化學(xué)反應(yīng)等，不利于污染物通過(guò)遷移而去除。污染物與土壤組分相互之間的復(fù)雜作用隨著土壤顆粒表面及孔隙水的化學(xué)性質(zhì)而發(fā)生變化。電動(dòng)力學(xué)過(guò)程中發(fā)生的土壤和污染物的相互作用機(jī)理尚未得到徹底的研究。電壓和電流是電動(dòng)力學(xué)過(guò)程操作的主要參數(shù)。盡管較高的電流強(qiáng)度能夠加快污染物的遷移速度，但是能耗也迅速升高。電能耗與電流的平方成正比。一般采用的電流強(qiáng)度范圍約為10?100mA/cm2，電壓梯度約在0.5V/cm左右。對(duì)特定的污染物和土壤，需要根據(jù)土壤特性、電極構(gòu)型和處理時(shí)間等因素通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)確定。電極材料也是一個(gè)重要因素。選擇電極材料的因素也包括導(dǎo)電性、材料易得、容易加工、安裝方便以及成本低廉等。陰極材料要求避免酸性條件下離解或者發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，陽(yáng)極材料要求避免在堿性條件下腐蝕。此外，電極一般是多孔或者是中空的，以方便污染物的抽取或者調(diào)節(jié)液的注，入。電極可以垂直安裝也可以水平安裝，但大多數(shù)報(bào)道的實(shí)例采用垂直安裝。電動(dòng)力學(xué)以上各種過(guò)程和反應(yīng)原理綜合于下圖，實(shí)際操作系統(tǒng)可能包括：陰極、陽(yáng)極、電源、收集井（一般在陽(yáng)極一側(cè)）、注入井，以及循環(huán)液罐等。（苦于）｛孔障水）睇析電動(dòng)力學(xué)過(guò)程機(jī)理示意囹電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用（1）去除重金屬污染電動(dòng)力學(xué)技術(shù)可以有效地去除地下水和土壤中的重金屬離子。在施加直流電場(chǎng)后，帶正電荷的重金屬離子開(kāi)始向陽(yáng)極遷移，其遷移速度比同方向流動(dòng)的電滲析流快得多，金屬離子的遷移速度與離子半徑有關(guān)。離子尺寸愈小，遷移速度愈快，例如：Na>K>Ca>Ni。已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明這項(xiàng)技術(shù)的有效性。實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道的離子包括：格、鎘、銅、鉛、汞、鋅、錯(cuò)、鎳、鉆、鉬、鍶、鈾、釷和鐳。在處理過(guò)程中，首先需要將一系列電極按預(yù)定的設(shè)計(jì)置于污染區(qū)地下，電極材料一般是惰性的炭電極，以避免額外物質(zhì)的導(dǎo)入，極區(qū)附近的水流需要進(jìn)行循環(huán)，主要目的是輸入需要的配合劑，強(qiáng)化離子的傳輸，控制電極上的反應(yīng)，避免極化現(xiàn)象，避免氫氧化物的沉淀。輸入的循環(huán)液還能夠協(xié)助重金屬的脫附和溶解。重金屬離子最終可能沉淀在電極上或者被抽取出來(lái)另行裝置。在操作過(guò)程中，適當(dāng)添加一些配合劑，例如EDTA能夠保持金屬離子呈溶解狀態(tài)并隨電滲析流遷移。配合劑的選擇隨污染物質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)而異，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)具體評(píng)定。另外，在陽(yáng)極室加入乙酸，也可以控制陽(yáng)極的極化反應(yīng)。（2）去除有機(jī)物近年來(lái)，人們開(kāi)始應(yīng)用電動(dòng)力學(xué)以抽取地下水和土壤中的有機(jī)污染物，或者用清潔的流體置換受污染的地下水和洗刷受有機(jī)物污染的土壤。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，這種方法用于去除吸附性較強(qiáng)的有機(jī)物效果也較好。例如，對(duì)苯酚和乙酸，在高嶺土中，當(dāng)電壓是60V/m時(shí)，對(duì)450mg/kg的苯酚，使用土壤孔隙體積1.5倍的水置換，苯酚去除率大于94%:對(duì)0.5mol/L的乙酸，使用1.5倍孔隙體積的水流置換，95%的乙酸能夠被去除。pH值對(duì)去除極性有機(jī)物的影響比較大。因?yàn)椋琾H值能夠改變有機(jī)物的極性或存在形式，影響其吸附特性，添加表面活性劑，有助于有機(jī)物從土壤表面脫附，保持在孔隙水流中，提高有機(jī)物的浸出率，但是表面活性劑的極性也可能導(dǎo)致電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)一步復(fù)雜化，改變電滲析流的方向和速率。最新的發(fā)展趨勢(shì)是將電動(dòng)力學(xué)技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，強(qiáng)化電動(dòng)力學(xué)修復(fù)。電動(dòng)力學(xué)技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)生物修復(fù)技術(shù)優(yōu)化組合，用以現(xiàn)場(chǎng)講解和去除土壤和地下水中的有機(jī)污染物。在這種技術(shù)組合中，電動(dòng)力學(xué)方法克服水力輸送的缺點(diǎn)，有效地將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送至土壤微孔中去，或者將微生物輸送至污染區(qū)域，從而促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，提高其降解土壤有機(jī)物的效果。Aca