電動力學修復

電動力學修復是利用土層和污染物電動力學性質對環境進行修復的新興技術。

基本介紹

• 中文名：電動力學修復
• 外文名：Electrokinetic remediation
• 特點：速度快、效率高、成本低
• 套用：去除重金屬污染、有機物等

電動力學修復原理

電動力學修復技術既能避免傳統技術嚴重影響土層結構和地下水所處生態環境，又可以克服現場生物修復過程非常緩慢、效率低的缺點，而且投資少、成本低。電動力學修復技術的基本原理類似電池，利用插入介質 (土壤或沉積物)中的兩個電極在污染介質兩端加上低壓直流電場，在低強度直流電的作用下，水溶的或者吸附在土壤顆粒表層的污染物根據各自所帶電荷的不同而向不同的電極方向運動：陽極附近的酸開始向介質的毛細孔移動，打破污染物與介質的結合鍵，此時，大量的水以電滲透方式在介質中流動，土壤等介質毛細孔中的液體被帶到陽極附近，這樣就將溶解到介質溶液中的污染物吸收至土壤表層得以去除。通過電化學和電動力學的複合作用，土壤中的帶電顆粒在電場內定向移動，土壤污染物在電極附近富集或者被收集回收。污染物去除主要涉及電遷移、電滲析、電泳和酸性遷移4種電動力學過程。

電遷移

電遷移是指帶電離子在電場中的遷移運動，和帶電離子的淌度 (在單位電場梯度中的遷移速度)有關。電遷移量與離子濃度和電位梯度成正比關係。在無限稀釋的溶液中，離子淌度在1×10^-8～10×10^-8m²/(V▪cm)之間；在土壤中，由於孔隙的作用，離子遷移的路徑長而曲折，實際淌度大約在3×10^-9～10×10^-8m²/(V▪cm)之間。

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。擴散雙電層引起孔隙水沿電場從陰極向陽極方向流動稱為電滲析。孔隙水流動速度與雙電層厚度 (土壤孔隙表面的Zeta電位)或者說與水流所攜帶的動電電流成正比，而與水流中電解質的濃度關係不大。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，電滲析流量可高達10^-4cm³/(cm²▪s)。電滲析流用方程描述：Q=k_e×i_e×A

式中：Q為體積流量；k_e為電滲析導率係數；i_e為電壓梯度；A為截面積。係數k_e 一般範圍在1×10^-9～10×10^-9m²/(V▪s)。電滲析在土壤孔隙中產生的水流比較均勻，流動方向容易控制。右圖比較了土壤孔隙水的電滲析流動與水力流動。對於結合緊密的黏土土壤，電滲析產生的水流滲透率高於水力學滲透率的幾個數量級，而且動力消耗低。電滲析流的速度一般約為2.5cm/d。通過電滲析方法，密實土壤中的污染物可以被抽取出來以便進行適當的處理。但是，電滲析流也容易引起土壤夯實或裂縫，不易穩定地長期操作。

電泳

土壤中帶電膠體顆粒 (包括細小土壤顆粒、腐殖質和微生物細胞等)的遷移運動稱為電泳。土壤中膠體粒子包括細小土壤顆粒、腐殖質和微生物細胞等。其運動的方向和大小取決於電場和毛細孔隙的直徑等因素。

酸性遷移

在電動力學技術運行中，電極表面可能發生電解。陽極電解產生氫氣和氫氧根離子，陰極電解產生氫離子和氧氣。

陰極反應：2H₂O-4e→O₂↑+4H⁺ E_O=-1.23V

陽極反應:2H₂O+2e→H₂↑+2OH^- E_O=-0.83V

電解反應導致陰極附近呈酸性、PH值可能低至2，帶正電的氫離子向陽極遷移；而陽極附近呈鹼性、PH值可高至12，帶負電的氫氧根離子向陰極遷移。氫和氫氧根離子的遷移速率比一般其他離子遷移速率高一個數量級，這是因為該兩種離子與水容易離合，傳遞速率快。其中，氫離子因為半徑小，其遷移速率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使離子與土壤表面的金屬離子發生置換反應，有助於沉澱的金屬重新離解為離子，進行遷移。但是，酸性帶也影響土壤表面的離子交換容量、吸附能力、Zeta電位的大小甚至符號。

因此，如果對酸性帶不加控制，將導致電滲析流減弱。這是因為相應PH值的變化總是降低電滲析流效應，無論電滲析流方向是向陰極或陽極。例如，如果Zeta電位開始是負的，向陽極的流動將把低PH值的水從陰極方向帶過來，導致Zeta電位降低，甚至使Zeta電位反轉而變為正的。相反，如果Zeta電位開始是正的，電滲析流是流向陰極，那么陽極附近的高PH值水將流進來，使得Zeta電位向負值方向變化。這種現象也導致操作電壓的升高和能耗的增加。

電動力學修復技術套用

1、去除重金屬污染

電動力學技術可以有效地去除地下水和土壤中的重金屬離子。在施加直流電場後，帶正電荷的重金屬離子開始向陽極遷移，其遷移速度比同方向流動的電滲析流快得多。金屬離子的遷移速率與離子半徑有關。離子尺寸愈小，遷移速率愈快。

在處理過程中，首先需要將一系列電極按預定的設計置於污染區地下。電極材料一般是惰性的炭電極，以避免額外物質的導入。極區附近的水流需要進行循環，主要目的是輸入需要的配合劑，強化離子的傳輸，控制電極上的反應，避免極化現象，避免氫氧化物的沉澱。輸入的循環液還能夠協助重金屬脫附和溶解。重金屬離子最終可能沉澱在電極上或者被抽取出來另行處置。

在操作過程中，適當添加一些配合劑配合劑的選擇隨污染物質和土壤結構而異，需要通過實驗具體評定。另外，在陽極室加入乙酸，也可以控制陽極的極化反應。

2、去除有機物

近年來，人們開始套用電動力學以抽取地下水和土壤中的有機污染物，或者用清潔的流體置換受污染的地下水和洗刷受有機物污染的土壤。有關實驗表明，這種方法用於去除吸附性較強的有機物效果也比較好。PH值對去除極性有機物的影響比較大。因為，PH值能夠改變有機物的極性或存在形式，影響其吸附特性。添加表面活性劑，有助於有機物從土壤表面脫附，保持在孔隙水流中，提高有機物的浸出率。但是表面活性劑的極性也可能導致電動力學現象進一步複雜化，改變電滲析流的方向和速率。