电动力学修复是利用土层和污染物电动力学性质对环境进行修复的新兴技术。
电动力学修复原理
电动力学修复技术既能避免传统技术严重影响土层结构和地下水所处生态环境,又可以克服现场生物修复过程非常缓慢、效率低的缺点,而且投资少、成本低。电动力学修复技术的基本原理类似电池,利用插入介质 (土壤或沉积物)中的两个
电极在污染介质两端加上低压直流电场,在低强度直流电的作用下,水溶的或者吸附在
土壤颗粒表层的污染物根据各自所带电荷的不同而向不同的电极方向运动:阳极附近的酸开始向介质的毛细孔移动,打破污染物与介质的结合键,此时,大量的水以电渗透方式在介质中流动,土壤等介质毛细孔中的液体被带到阳极附近,这样就将溶解到介质溶液中的污染物吸收至土壤表层得以去除。通过电化学和电动力学的复合作用,土壤中的带电颗粒在电场内定向移动,土壤污染物在电极附近富集或者被收集回收。污染物去除主要涉及
电迁移、
电渗析、
电泳和酸性迁移4种电动力学过程。
电迁移
电迁移是指带电离子在电场中的迁移运动,和带电离子的淌度 (在单位电场梯度中的迁移速度)有关。电迁移量与离子浓度和电位梯度成正比关系。在无限稀释的溶液中,离子淌度在1×10-8~10×10-8m2/(V▪cm)之间;在土壤中,由于孔隙的作用,离子迁移的路径长而曲折,实际淌度大约在3×10-9~10×10-8m2/(V▪cm)之间。
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。
扩散双电层引起孔隙水沿电场从阴极向阳极方向流动称为电渗析。孔隙水流动速度与双电层厚度 (土壤孔隙表面的Zeta电位)或者说与水流所携带的动电电流成正比,而与水流中电解质的浓度关系不大。土壤颗粒表面的双电层厚度一般约为10nm左右。不同类型的土壤带有的电荷及形成的双电层厚度是不同的:沙土<细沙土<高岭土<蒙脱土。
电渗析流与外加电压梯度成正比:在电压梯度为1V/cm时,电渗析流量可高达10-4cm3/(cm2▪s)。电渗析流用方程描述:Q=ke×ie×A
式中:Q为体积流量;ke为电渗析导率系数;ie为电压梯度;A为截面积。系数ke 一般范围在1×10-9~10×10-9m2/(V▪s)。电渗析在土壤孔隙中产生的水流比较均匀,流动方向容易控制。右图比较了土壤孔隙水的电渗析流动与水力流动。对于结合紧密的黏土土壤,电渗析产生的水流渗透率高于水力学渗透率的几个数量级,而且动力消耗低。电渗析流的速度一般约为2.5cm/d。通过电渗析方法,密实土壤中的污染物可以被抽取出来以便进行适当的处理。但是,电渗析流也容易引起土壤夯实或裂缝,不易稳定地长期操作。
电泳
土壤中带电胶体颗粒 (包括细小土壤颗粒、腐殖质和微生物细胞等)的迁移运动称为电泳。土壤中胶体粒子包括细小土壤颗粒、腐殖质和微生物细胞等。其运动的方向和大小取决于电场和毛细孔隙的直径等因素。
酸性迁移
在电动力学技术运行中,电极表面可能发生电解。阳极电解产生氢气和
氢氧根离子,阴极电解产生氢离子和氧气。
阴极反应:2H2O-4e→O2↑+4H+ EO=-1.23V
阳极反应:2H2O+2e→H2↑+2OH- EO=-0.83V
电解反应导致阴极附近呈酸性、PH值可能低至2,带正电的
氢离子向阳极迁移;而
阳极附近呈碱性、PH值可高至12,带负电的
氢氧根离子向阴极迁移。氢和氢氧根离子的迁移速率比一般其他离子迁移速率高一个数量级,这是因为该两种离子与水容易离合,传递速率快。其中,氢离子因为半径小,其迁移速率又是氢氧根离子的两倍。加之氢离子的迁移与电渗析流同向,容易形成酸性迁移带。酸性迁移带的好处是使离子与土壤表面的金属离子发生
置换反应,有助于沉淀的金属重新离解为离子,进行迁移。但是,酸性带也影响土壤表面的
离子交换容量、吸附能力、Zeta电位的大小甚至符号。
因此,如果对酸性带不加控制,将导致电渗析流减弱。这是因为相应PH值的变化总是降低电渗析流效应,无论电渗析流方向是向阴极或阳极。例如,如果Zeta电位开始是负的,向阳极的流动将把低PH值的水从阴极方向带过来,导致Zeta电位降低,甚至使Zeta电位反转而变为正的。相反,如果Zeta电位开始是正的,电渗析流是流向阴极,那么阳极附近的高PH值水将流进来,使得Zeta电位向负值方向变化。这种现象也导致操作电压的升高和能耗的增加。
电动力学修复技术应用
1、去除重金属污染
电动力学技术可以有效地去除地下水和土壤中的重金属离子。在施加直流电场后,带正电荷的重金属离子开始向阳极迁移,其迁移速度比同方向流动的电渗析流快得多。金属离子的迁移速率与离子半径有关。离子尺寸愈小,迁移速率愈快。
在处理过程中,首先需要将一系列电极按预定的设计置于污染区地下。电极材料一般是惰性的炭电极,以避免额外物质的导入。极区附近的水流需要进行循环,主要目的是输入需要的配合剂,强化离子的传输,控制电极上的反应,避免极化现象,避免
氢氧化物的沉淀。输入的循环液还能够协助重金属脱附和溶解。重金属离子最终可能沉淀在电极上或者被抽取出来另行处置。
在操作过程中,适当添加一些配合剂配合剂的选择随污染物质和土壤结构而异,需要通过实验具体评定。另外,在阳极室加入乙酸,也可以控制阳极的极化反应。
2、去除有机物
近年来,人们开始应用电动力学以抽取地下水和土壤中的
有机污染物,或者用清洁的流体置换受污染的地下水和洗刷受有机物污染的土壤。有关实验表明,这种方法用于去除吸附性较强的有机物效果也比较好。PH值对去除极性有机物的影响比较大。因为,PH值能够改变有机物的极性或存在形式,影响其吸附特性。添加
表面活性剂,有助于有机物从土壤表面脱附,保持在孔隙水流中,提高有机物的浸出率。但是表面活性剂的极性也可能导致电动力学现象进一步复杂化,改变电渗析流的方向和速率。