土壤修復技術介紹——電動力學修復技術

電動力學修復技術是處理污染土壤的一項新的化學技術方法，已進入現場修復應用階段。電動力學修復是通過電化學和電動力學的復合作用(電滲、電遷移和電泳等)驅動污染物富集到電極區，進行集中處理或分離的過程。近年來，中國先后開展了銅、鉻等重金屬、菲和五氯酚等有機污染土壤的電動修復技術研究。

與傳統的清洗法、生物處理法等污染土壤修復技術相比，電動力學修復技術具有成本低、適用范圍廣(原位及異位修復皆可，處理飽和、不飽和土壤皆可)、接觸有害物質少、可控性強、處理快速且比較*(重金屬去除效率一般都可以達到90%以上)、不破壞原有自然生態環境(只處理陰陽兩極之間的污染物,不會對環境產生其他影響)等優點，特別適用于小范圍的粘質的多種重金屬污染土壤和可溶性有機物污染土壤的修復。不過對于不溶性有機污染物，需要化學增溶，易產生二次污染。

電動力學法的基本原理是在污染土壤區域插入電極，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。

電動力學修復過程中污染物的遷移機理有3個現象:

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

(2)電遷移：帶電離子或配位體在外加電場作用下向電性相反的電極遷移(正離子向陰極遷移, 負離子向陽極遷移)的過程;

(3)電泳：土壤中帶電膠體粒子，包括細小土壤顆粒、腐殖質及微生物細胞等，在外加電場作用下的遷移。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。

總之，電動力學修復的目的是使土壤中的污染物質在外加電場作用下通過電滲析, 電遷移和電泳發生定向移動并在電極附近累積起來, 從而被除去。

電動力學處理過程中陽極應該選用惰性電極如石墨、鉑、金、銀等，在實際應用中多選用高品質的石墨電極，陰極可以用普通的金屬電極。陽極產生的H+ ,在直流電場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,進行遷移。電動力學修復重金屬污染土壤的影響因素

pH值的影響

土壤的pH值變化對電動力學修復影響很大，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。電動修復Zeta電位升高，可加快電動力學修復的效率。

土壤溫度的影響

電動力學修復過程中，電流過大會產生一定的熱量，導致土壤的溫度升高，影響電遷移和電滲過程，進而降低修復效率，因此在電動力學修復試驗中，選擇佳的電流密度，減少電流帶來的熱效應的影響，可提高重金屬污染物的去除率。

土壤理化性質的影響

影響電動力學修復的土壤理化性質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，可影響陽離子交換量進而影響修復效率，這是因為具有較大陽離子交換量的黏粒可使重金屬的解吸受阻，從而降低了其去除率。土壤孔隙水電解產生的氫離子可與土壤表面接觸，促進了被吸附重金屬離子的解吸，但孔隙過大氫離子與土壤表面接觸減少，可導致被吸附的重金屬不能*解吸。

土壤含水率的影響

電動力學修復中土壤含水率必須達到一定值，土壤含水率過低修復效果會不明顯。

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對電動力學修復產生影響，不同的電極材料會影響其在電動修復中電場的分布、放電速率。

技術應用中出現的一些問題

酸性帶遷移

酸性帶遷移電動力學修復過程中, 陽極上水的電解反應使得陽極附近H+濃度增加,pH值下降, 從而形成了酸性帶。在外加電場的作用下, 酸性帶通過電滲析流, 擴散流和水平對流從陽極向陰極遷移。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 值過低會使土壤的Zeta電位變化到零電位, 甚至改變符號。這樣會導致電滲析流減弱或變向,為了修復過程的進行, 必須增大電壓以保持一定的電滲析流, 從而使得能耗加大, 修復成本增加。

土壤pH控制

電動力學過程中陰極上的電解反應使得陰極附近OH-濃度增加, pH值上升, 從而形成了堿性帶。在外加電場的作用下, 堿性帶也通過電滲析流向陽極遷移。在堿性環境中, 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, 為了過程的進行,有必要向土壤中加入酸。加酸的不利之處是, 會引起土壤酸化, 目前無法確定土壤恢復酸堿平衡所需時間, 此外, 加酸也會影響土壤的Zeta電位, 導致電滲析流的減弱或變向。極化問題

通過的電動力學實驗, 發現了3 個導致電流降低的極化現象:活化極化、電阻極化和濃差極化現象。

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

(2)電阻極化:在電動力學過程中會在陰極上形成一層白色膜, 其成分是不溶鹽類或雜質。這層白膜吸附在電極上會使電極的導電性下降, 電流降低。

(3)濃差極化:這是由于電動力學過程中H+向陰極遷移,OH-向陽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。如果酸堿沒有被及時中和, 就會使電流降低。

實際應用中常用技術手段

極性交換技術

極性交換技術是在特定的時間間隔改變極性，使陽極產生的氫離子和陰極產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效率，但其切換電極的周期難以控制，且隨著修復的進行，產生的氫離子和氫氧根離子也會減少，切換電極的周期將不再適合。

逼近陽極技術

逼近陽極技術是一種新型的電動力學修復技術，修復前在土壤中距離陰極不同處分別插入一系列電極，隨著修復的進行重金屬離子在電場作用下不斷向陰極遷移，當陽極附近的重金屬濃度達到修復要求時，切換工作陽極，以此類推。該技術的優點是修復效果好，可降低能耗，缺點是對陽極移動距離和時間難以控制。

注入緩沖溶液技術

注入緩沖溶液技術是為了控制pH值的變化，往陰陽電極區加入緩沖溶液，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、重金屬離子絡合性、*的溶解性、安全無毒性，因此常被用作調節pH值的緩沖溶液。注入緩沖溶液的優點是能很好地控制體系的pH值，增加離子強度，提高電流密度，可絡合重金屬促進其遷移，提高修復效率;缺點是需要的緩沖溶液量會變化，只能靠經驗加入。

總結與展望

電動力學修復技術在處理土壤重金屬污染方面有很好的效果及很多優點，但是其應用效果取決于土壤中重金屬離子的溶解與沉淀程度，在實際應用中為解決這些問題此可能會引起土壤的酸化，發生反應產生新的污染。今后電動力學修復重金屬污染土壤技術研究工作應著重研究開發新的電動力學修復裝置，提高修復效率。更多的開展電動力學修復重金屬污染土壤技術的現場研究，并結合實際問題研究修復工藝，使電動力學修復技術形成工業化模式，更好地修復受污染的土壤，這將會為修復污染的土壤做出巨大的貢獻。