电动力学修复技术范文

导语：如何才能写好一篇电动力学修复技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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摘要：喹啉属于中等毒类物质，对环境和人体健康具有很大的危害。本实验模拟了喹啉污染土壤，利用电动力学的方法处理污染土壤，使喹啉迁移，最终达到降解喹啉的目的。结果表明，电动力学过程能有效地促进土壤中喹啉的迁移，电渗析和电迁移是其主要的作用机理;在恒定的电压下，缓冲溶液的添加对喹啉的降解性能影响很大;缓冲溶液的浓度越大，喹啉的降解速度越快。

关键词：喹啉；电迁移；电渗析；电动力学；修复

中图分类号：X530.5文献标识码：A

1．喹啉来源及危害

喹啉、异喹啉及其衍生物作为溶剂和原料在化工、医药等行业用途很广，喹啉是冶金、染料、聚合物以及农用化学品工业的重要中间体。另外在一些石化行业及木材加工业产生的废水中也含有大量喹啉，喹啉已成为土壤和水体中的常见污染物。它们对生物体有致癌、致畸、致突变性，被公认为是一种有毒难降解有机化合物。因此研究喹啉的降解过程，不仅可以找出去除它们的有效方法，而且可以为N-杂环类的其它有机物的降解和去除提供理论上的指导。

2．实验原理——电动力学土壤修复技术

电动力学修复是上世纪80–90年提出的一种绿色可行的原/异位修复技术，在土壤和地下水污染处理方向均有大量的研究报道[1-2]。在土壤修复方面，电动力学技术最受推崇之处是它对于水力渗透性差的粘性土壤污染具有较好的修复效果。

电动力学土壤治理技术的基本原理是在土壤/沉积物污染区域施加低压直流电场，使得污染物在电场的作用下向两极迁移得到富集和去除。污染物的迁移可以通过电迁移、电渗析和电泳来实现。电迁移是指土壤孔隙水中的阴阳离子或带电颗粒向电性相反的电极移动的过程，它主要是针对土壤中溶于水的离子态物质，因而对于重金属和解离态的有机分子迁移去除起到决定性作用。电渗析是在电场作用下，由于扩散双电层作用，土壤中的孔隙溶液在电场中从一极向另一极的定向移动。其中电迁移和电渗析是污染物主要的迁移去除途径。笔者应用电动力学技术对喹啉污染土壤的修复进行了实验，研究土壤中喹啉在电场力作用下的迁移特征及改变电压和加入表面活性剂、控制液后对其迁移的影响，为喹啉污染土壤的电动力学修复提供理论依据。

3．实验装置及方法

3.1 实验装置

图1：电动力学装置示意图

实验装置主要由直流电源、电流表、电解槽、电极室、电极、双头泵、纱网及滤纸、量筒、橡胶管等组成。

3.2 实验测试指标

1）电流：由直接与铜电极棒相连的电流表读取。

2）土壤pH值：取10g土壤试样，精确到0.0001g，置于锥形瓶中，加入50mL去离子水，超声10min，静止30min，用pH测试仪测定上清液的pH值。

3）土壤含水率：烘干称重法。

4）土壤中喹啉含量：各取样点取湿土壤1g，加去离子水10ml于聚乙烯管中，离心机离心分离10min，离心速度4000r/min。离心后静置10min，取上清液用分光光度法测定喹啉的含量。

3.3 实验方法

称取500g高岭土，加入1g/L的喹啉溶液250mL，再加入56mL蒸馏水，使土壤中的含水率为38%。将配好的土壤均匀后填入电解槽，避光，恒定压力下压实24 h。以高纯石墨板做电极，用导线将阳极和阴极分别与电源的正负极相连。电极室定量加入去离子水或硫酸钠或碳酸钠溶液作为电解液，两极室中的溶液由蠕动泵进行串联循环，每天定时更新电极室中的溶液，在恒定7V·cm-1电压下运行10d，每天9:00、15:30、21:00三个时间点分别测定电流强度、电渗流和溶液PH。实验结束后，将电解槽中的土壤平均分成7份，依次从阳极至阴极编为1-7号，测定各部分的含水率及土壤中污染物的含量，风干后测定土壤pH值及电导率，电解液中的喹啉含量以分光广度法进行测定。共进行3 组实验，实验主要研究不同的电解质溶液及不同浓度的电解质溶液对电动修复土壤中的喹啉污染物的影响，实验初始条件见表1。

表1：实验初始条件

编

号 控制因素

初始PH 初始含水率

（%）

添加液 浓度（mg/L） 电压（v）

T-1 碳酸钠 0.05 7 8.82 38

T-2 碳酸钠 0.1 7 8.82 38

L-1 硫酸钠 0.1 7 7.00 38

3.4 缓冲溶液的配制

（1）硫酸钠溶液的配置：用Na2S04粉末配成浓度为0.1mol/L的硫酸钠溶液。

（2）碳酸钠溶液的配置：用碳酸钠粉末配成浓度为0.1mol/L的碳酸钠溶液。

3.5 喹啉标准使用液的配制

取0.92mL喹啉纯液，加去离子水稀释，配成浓度为0.1mol/L的喹啉标准使用液。

3.6 标准曲线的绘制

（1）配制：在6个10mL哈气瓶中，分别加入0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0mL喹啉标准使用液，各加去离子水至l0mL，摇匀,配成浓度分别为10、30、50、70、90、100mg/L的喹啉溶液。于312nm处测定吸光度标准曲线如图2所示。

图2：标准曲线

4．结果与分析

4.1 喹啉的吸附及初始含量的确定

土壤吸附会使污染物水相浓度和迁移能力降低，为有效地反映电动力学过程对污染物的解吸附和迁移作用，喹啉初始含量宜低于其饱和吸附量。吸附实验结果如图3。图3表明，每克土壤吸附的喹啉量在0.14到0.64mg范围内吸附量呈上升的趋势，说明在0.5mg未达到饱和吸附量，故实验中选择以0.5mg/g浓度制备喹啉污染土壤是可行的。

图3：喹啉吸附等温线

4.2 土壤中电流的变化

实验过程中土壤的电流随时间的变化曲线如图4所示。在不同电解液种类及浓度变化下，电流在电解初期逐渐增大，但速率较慢，50h后电流显著增大。大约在实验运行200-250h处达到最大值，然后有降低的趋势。以硫酸钠溶液为电解液时，浓度大于以碳酸钠为电解液时的电流。当碳酸钠浓度为0.05 mol·L-1时差距尤为明显。

电解初期，电解液向土壤中的迁移及土壤矿物的溶解需要一段时间，通过土壤的电流较小；随着电解液在电渗析及电迁移的作用下，土壤孔隙溶液中的离子浓度逐渐升高，电流增大；随着电解时间的延长，一方面孔隙溶液中阴阳离子的电迁移量减少，另外，电解反应产物或其它的化学物质也可能与迁移的离子发生反应(例如向阴极迁移的H+与向阳极迁移的OH-中和形成水而稀释了土壤溶液中的离子浓度)，从而使通过土壤的电流逐渐减小[3]。两极电解反应使土壤pH值发生变化，可能使土壤中的矿物发生溶解或沉淀，导致土壤中可迁移的离子浓度发生变化，土壤中电流也随之轻微波动。

图4：电流变化示意图

4.3 土壤中电渗析流的变化

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关键词：地下水；修复技术；研究进展

1 引言

随着社会经济的发展和人类对自然资源开发利用活动的日益加强，大量污染物（如重金属、持久性有机物等）通过不同途径进入土壤系统中，进而通过迁移、扩散和渗透作用进入地下水环境，对土壤和地下水环境造成污染，破坏了其原有的生态平衡。这些污染物还可以通过饮用水或地下水-土壤-植物系统，经食物链进入人体，因此也影响到人类的健康。鉴于地下水污染的严重性，国内外学者已广泛开展对地下水污染修复技术的研究，同时地下水污染修复技术在大量实践应用中得到了不断地改进和创新。

2 基本概念

2.1 地下水的定义。

地下水是指埋藏在地面以下，存在于岩石和土壤孔隙中可流动的水体 [1] ，狭义上是指浅层地下水，即第一个隔水层以上的重力水，即地下水资源。地下水是自然界水体的组成部分，并参与自然的水循环，又是水资源的重要组成部分。

2.2 地下水污染的主要原因。

过度开采地下水，引起地下水位下降，沿海地区海水倒灌；农业生产中大量使用化肥、农药以及污水灌溉等，污染物渗入地下水中；受污染的地面水体或废水渠、废水池、废水渗井等连续渗漏。地下水一经污染后，总矿化度、总硬度升高，硝酸盐、氯化物含量升高，有毒物质增加，溶解氧下降，有时还会出现病原体。

地下水污染不易被发现，难以治理和恢复，影响供水水质，加剧水资源短缺，应限制开发，合理使用，从而保护地下水资源。

2.3 地下水污染的来源。

向水体排放或释放污染物的来源和场所都称为水体污染源，这是造成水体污染的罪魁祸首。各种水体及其循环过程中涉及到许多类型复杂的污染源，从不同的角度可将水体污染分为多种不同的类型，就地下水污染而言，其根源有以下几种：

（1）沿海地区海水入侵和倒灌。

（2）工业“三废”。

（3）农业污染。

（4）城市生活污染。

3 地下水的主要修复技术

3.1 渗透性反应墙（PRB）。

PRB是一种原位被动修复技术，由透水的反应介质组成，一般安装于地下水污染羽状体的下游，通常与地下水水流相垂直，并且它也可以作为污染地下水的地面处理设施。当地下水在自身水力梯度作用下通过活性渗滤墙时，污染物与墙体材料发生各种反应而被去除，从而达到地下水修复的目的 [2] 。

3.1.1 PRB概念与结构。

（1）概念。

美国环保署定义：PRB是一种为达到一定环境污染治理目标而将特定反应介质安装在地面以下的污染处理系统，它能够阻断污染带、将其中的污染物转化为环境可接受的形式，但不破坏地下水流动性 [3] 。

（2）结构。PRB有两种基本结构：①隔水漏斗导水门式结构。此种结构适用于埋藏浅的大型的地下水污染羽状体，地下水通过比较小的渗透反应门，优点是反应介质的装填量减少，缺点是干扰了天然地下水的流场；②连续墙式的结构。用于地下水污染的羽状体较小时，墙体垂直于污染羽状体的迁移途径，横切整个羽状体的宽度和深度，优点是对天然地下水流场干扰小，易于设计 [4] 。

3.1.2 PRB反应机理。

（1）无机离子去除机理。

含高价重金属的无机离子，是地下水中的重要污染物之一，其中工业废物、尾矿和核废料污染的地下水中浓度很高。金属铁与无机离子发生氧化还原反应，将重金属以不溶性化合物或单质的形式从水溶液中析出。 [5] 研究表明，PRB能够将无处处理厂排出的含硝氮90mg/L的水迅速降解到饮用水标准10mg/L以下 [6] 。

（2）脱卤反应去除卤代有机物机理。

在脱卤降解反应中，金属铁提供电子，发生氧化反应，而有机污染物为电子受体。Fe0修复有机污染物的地下水，主要是对氯代烃类进行还原脱氯。例如PCE（C 2Cl 4）的脱氯过程有两条路径：

一是C 2Cl 4C 2HCl 3C 2H 2Cl 2C 2H 4C 2H 6

二是C 2C 14 C 2HCl 3C 2H 2C 2H 4C 2H 6

路径为连续的氢解作用，其中间产物C 2H 2Cl 2的降解速度比C 2HCl 3慢，而第二条路径的中间产物C 2HCl能很快地还原为C 2H 2。因此，第二条路径的还原速度较快于第一条 [7] 。

（3）微生物修复机理。

微生物的活动可影响氮、硫、铁、锰等元素的循环。微生物可直接用于硝酸盐、硫酸盐的去除以及通过形成硫化物来沉淀金属离子。

（4）催化降解反应机理。

采用比铁活性大的金属作为墙体材料，比铁具有更强的还原性，容易提供电子，铝硅酸盐可以作为缓冲溶液使pH值能保持在较低值（7～8），使金属铁更易被氧化 [8] 。试验证明，金属铁中加入铝硅酸盐时，Cr 6+ 的半衰期比铁和石英砂混合物作为反应材料减少一个数量级，比单纯铁作反应材料减少两个数量级。

3.1.3 PRB的应用案例。

在北美和欧洲等国，已进行了大量该方法的工程研究和商业应用，目前全世界有200多座PRB，其中Fe0-PRB120多座，取得了良好的治理效果。部分应用见表1。

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厌氧生物反应墙修复某地挥发性有机氯化物的深度污染案例：

在一家化学清洗厂旧址，四氯乙烯的肆意排放造成了当地土壤严重污染。这家化学清洗厂曾在此地连续开办了75年，污染范围将近75000m2，深度在地下50m。

2001年，有关方面对表层污染源进行了挖掘，随后采用原位生物降解的方式对被污染的土壤进行修复，采取这种方式的原因是此处的污染物正在发生自燃降解。他们在自燃降解的基础上采取了注入含碳物质的办法，对四氯乙烯和三氯乙烯等污染物进行厌氧还原脱氯。这是一种临时性的土壤修复措施，持续了一年左右的时间，大大缓解了当地严重的土壤污染。大约一年后，这一临时性土壤修复措施停止执行。这时，对地下水中的挥发性有机氯化物进行降解的条件已经具备。他们利用前段时间积累的经验，在此地建起了大规模的还原脱氯设施，这套设施包括若干厌氧性生物反应墙，从三个地点对这片污染区域进行“围堵”。建立这些生物反应器的目的不仅仅是控制污染，而是对被污染的土壤和地下水进行修复，以便彻底消除这一地区的污染。由于此地属于高度城市化地带，这些生物反应墙都建在街道附近，这样便于向栅内注入反应物。作为反应物的含碳物质须定期注入栅内，三年一般应注入10～15次。

此外，临时性修复措施的实施提高了地下水中产甲烷菌的含量，为挥发性有机氯化物的降解提供了良好的条件。修复前污染源下游一带每升地下水中含有数万微克的四氯乙烯和三氯乙烯，而现在这些物质的含量仅为10μg或者更低；顺式1，2-二氯乙烯和氯乙烯的含量曾一度有所上升，随后又下降到每升几十微克，最后分解为乙烯、乙烷等对环境无害的物质。

污染区的中心位于生物反应墙附近（75m左右），目前这里仍能监测到顺式1，2-二氯乙烯和氯乙烯等污染物的存在，但乙烯和乙烷的稳定增长以及监测管中大量产甲烷菌的存在表明这一带微生物活动活跃，污染物正在进行彻底地还原脱氯过程。上述情形证明，生物反应墙的下游确实是化学反应十分强烈的区域。监测管显示，某些位置的顺式1，2-二氯乙烯和氯乙烯含量有所上升；发生这一现象的原因是由于微生物活动导致的吸附反应增强。目前他们在污染修复方面已经实现了每1.5～2年降低污染物60%的目标。

3.1.4 PRB存在的问题。

（1）去除污染物的机理方面尚存在一些未能明晰的方面。

（2）在PRB实际应用中将会出现沉淀产生介质的阻塞、反应材料失活或者双金属系统可能引起地下水二次污染等不良影响。

（3）因为受到地下水流和开沟槽的深度限制，目前该技术多用于有地下水流的饱和污染层的修复。

（4）需要进一步研究可同时去除多种并存污染组分的技术。

3.2 原位曝气修复技术（AS）。

原位曝气修复技术最大程度减少了对土壤介质和周围环境的扰动，主要用于处理可挥发性有机物（VOCs）造成的地下水污染。一般与土壤气相抽提技术（SVE）联合使用 [9] 。不会造成环境的二次污染，与其他修复技术相比具有经济、高效的显著优势 [10] 。该技术被认为是去除地下水挥发性有机物的最有效方法。C.D.Johnston等 [11] 将原位曝气法和土壤蒸气抽提法相结合，去除砂质地下含水层中的石油烃，结果表明与单独使用土壤蒸气抽提法比较，28天后石油烃去除量提高1.9倍，同时原位曝气还为地下水中残留的NAPL（非水相液体）的去除创造了更有利条件。曝入的空气能为地下水中的好氧微生物提供足够氧气，促进土著微生物的降解作用 [12] 。该技术在可接受的成本范围内，能够处理较多的受污染地下水，系统容易安装和转移，容易与其他技术组合使用。但是对既不容易挥发又不易生物降解的污染物处理效果不佳，并且对土壤和地质结构的要求比较高 [13] 。

3.3 原位生物修复方法。

原位生物修复是利用生物的代谢活动减少现场环境中有毒有害化合物的工程技术系统 [14] 。用于原位生物修复的微生物一般有三类：土著微生物、外来微生物和基因工程菌 [15] 。目前地下水有机物原位生物修复方法主要包括生物注射法、有机粘土法、抽提地下水系统和回注系统相组合法等 [16] 。

原位生物修复技术有其独特的优势，表现在：①现场进行，从而减少运输费用和人类直接接触污染物的机会；②以原位方式进行，可使对污染位点的干扰或破坏达到最小；③使有机物分解为二氧化碳和水，可永久地消除污染物和长期的隐患，无二次污染，不会使污染物转移；④可与其他处理技术结合使用，处理复合污染；⑤降解过程迅速、费用低，费用仅为传统物理、化学修复法的30%～50% [17] 。

目前有人将原位生物修复和旋转电动力学——太阳能技术相结合，形成新型的修复技术。电动力学技术是将电极插入受污染的地下水区域，在施加低压直流电后，形成直流电场。由于土坡颗粒表面具有双电层，孔隙水中粒子或顺粒带有电荷，引起水中的离子和顺粒物质沿电场方向进行定向运动。

4 展望

随着地下水污染修复技术研究的深入开展以及各修复技术的逐渐成熟，各种修复技术将会更广泛地应用于现场地下水污染修复工作中。针对我国地下水以石油烃类、TCE、氯苯、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和重金属的污染最为严重的实际情况，PRB技术是一个较好的选择。

未来利用基因工程技术培养纯化特效降解菌，从而提高修复效率以及如何解决反应墙生物淤堵问题以延长反应墙体的使用寿命等，都将成为重要的研究方向 [18] 。

参考文献

[1] 蔡勇.吸附-降解修复石油烃污染地下水的方法研究[D].西安：陕西科技大学硕士学位论文，2006.

[2] 王伟宁，许光泉.PRB修复地下水污染的研究综述[J].能源环境保护，2009-6，23（3）.

[3] 周启星，林海芳.污染土壤及地下水修复的PRB技术及展望[J].环境污染治理技术与设备，2001，2（5）：48- 53.

[4] 陆泗进，王红旗，杜琳娜.污染地下水原位治理技术-透水性反应墙法[J].环境污染与防治，2006，6（28）.

[5] 杜连柱，张兰英，王立东等.PRB技术对地下水中重金属离子的处理研究[J].环境污染与防治，2007，8（29）.

[6] 张桂华.垃圾渗滤液污染地下水的PRB修复技术研究[D].广州：华南理工大学，2005.

[7] 王伟宁，许光泉.PRB修复地下水污染的研究综述[J].能源环境保护，2009-6，23（3）.

[8] 王伟宁，许光泉.PRB修复地下水污染的研究综述[J].能源环境保护，2009-6，23（3）.

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[10] 陈鸿汉，何江涛，刘菲等.太湖流域某地区浅层地下水有机污染特征[J].地质通报，2005，24（8）：735-739.

[11] C.D.Johnston，J.L. Rayner， D. Briegel. Effectiveness of in situ air sparging for removing NAPL gasoline from a sandy aquiferb near Perth， Western Australia[J].Contaminant Hydrology，2002，59：87- 111.

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[15] 卢杰，李梦红，潘嘉芬.有机氯代烃污染地下水环境的治理与修复[J].山东理工大学学报，2008，22（4）：90- 93.

[16] 黄国强，李鑫钢，李凌等.地下水有机污染的原位生物修复进展[J].化工进展，2001，（10）：31-36.