上海理工大学学报  2020, Vol. 42 Issue (4): 368-374, 403   PDF    
EK-PRB对Pb(II)污染土壤的修复效果研究
许佳慧, 周海东, 吕叔锋, 刘志勇     
上海理工大学 环境与建筑学院,上海 200093
摘要: 通过一种可变换阵列式电极的电动-可渗透反应墙(EK-PRB)装置,以沸石+粉煤灰组合为PRB材料,研究了电压梯度和土壤含水率在EK-PRB修复Pb(II)污染土壤的过程中对于去除效果的影响。试验过程中,修复周期定为5 d,设置了不同的电压梯度(1.5,2.0,2.5 V/cm)和含水率(25%,30%,35%),进行了9组正交试验。结果表明,提高电压梯度、增大含水率对于Pb(II)去除效果均具有增强作用,由此得出了以沸石+粉煤灰作为PRB材料时,EK-PRB修复Pb(II)污染土壤的含水率和电压梯度最佳组合,即在电压梯度和含水率分别为2.5 V/cm和35%时,Pb(II)的修复效果最好,去除率最高达到了80.7%。证明了沸石和粉煤灰作为组合材料时,EK-PRB联合修复技术在处理Pb(II)污染高岭土时的可行性,可以为EK-PRB在PRB材料的改性和创新上的发展提供支持和依据。
关键词: 重金属     电动修复     高岭土     可渗透性反应墙    
Effect of EK-PRB on the remediation of Pb(II) contaminated soil
XU Jiahui, ZHOU Haidong, LÜ Shufeng, LIU Zhiyong     
School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: By virtue of a device of electrokinetic (EK) with permeable reactive barrier (PRB) with swithchable array electrodes, the influences of voltage gradient and water content on the removing effects were studied when using a kind of soil heavy metal repairing device to remediate Pb(II)-contaminated kaolin, and using the combination of zeolite and fly ash as filling material. The repair period was set as 5 d. Different voltage gradients (1.5, 2.0, 2.5 V/cm) and water content (25%, 30%, 35%) were set and 9 orthogonal tests were conducted. The results show that both enhancing the voltage gradient and increasing water content have enhancement effect on removing Pb(II). It is concluded that when zeolite + fly ash is used as the PRB material, the optimal combination of water content and voltage gradient, in the EK-PRB remediation of Pb (II) contaminated soil is 2.5 V/cm and 35%. The removal rate reaches 80.7%. The feasibility of EK-PRB combined repair technology in the treatment of Pb(II) contaminated kaolin was proved when zeolite and fly ash were used as a composite material. The results provide the support and basis for the development of EK-PRB in the modification and innovation of PRB materials.
Key words: heavy metal     electrokinetic remediation     kaolin     permeable reactive barrier    

近年来,随着工业生产进程的快速发展,我国土壤污染问题日渐突出。金属冶炼和矿山开采等过程中工业废弃物的大气沉降、农药等农用物质的不合理施用以及污水农灌等产生的重金属污染对于土壤环境造成了极大威胁。由于其潜伏期长、迁移性强而导致的修复难度很大,造成的危害程度并不亚于空气和水污染造成的影响。土壤重金属污染被称作为“隐形杀手”,造成的土壤污染危害不可忽视[1-4],因此越来越受到广泛的关注。

1 研究现状

土壤重金属污染现状极其严重,尤其是土壤Pb污染。周向红等[5]对湖南某一冶炼制造企业厂区内土壤中Pb等重金属含量进行调查时,以湖南地方性土壤修复标准为背景值,对该区土壤进行风险评价,结果显示被调查的土壤重金属生态风险大部分处于严重污染状态,其中Pb是污染最为严重的重金属之一。刘硕等[6]以龙口市北部煤矿区为研究区,对于土壤中的Pb等5种重金属含量进行测定,结果发现龙口矿区的重金属含量均高于国家土壤环境质量第二级标准,并远高于山东省东部表层土壤环境中的重金属含量背景值。

当前对于重金属污染土壤的修复技术主要包括固化稳定化技术、土壤淋洗技术、电动修复技术、植物修复技术、微生物修复技术等[7-15]。受污染土壤组成、性质等的影响,单一修复技术往往难以达到较好的修复效果,因此通过联合修复技术控制重金属污染土壤的高效性成为新的研究重点。其中,电动–可渗透反应墙(EK-PRB)联合修复技术逐渐成为国内外土壤环境问题修复研究的重点[16-19]。EK-PRB联合修复技术是一种新型、绿色环保、对土层结构破坏性较小的土壤修复技术,通过将两种修复技术的优势很好地结合起来,能够得到较好的修复效果。同时,在修复过程中添加的对环境有害的化学试剂少,受环境因素影响和修复成本也较其他方法低,修复效果较彻底[20-21]

目前的EK-PRB联合修复技术的研究进展,主要是指调节pH值、添加化学物质改变土壤或者污染物性质以及EK-PRB与生物技术联用等方法。Rajic等[22]在改进阳极的基础上,同时移动阳极和增加阴极室长度,以强化电动修复铅污染的河流底泥,结果表明,该强化技术下,底泥中铅的去除率比传统处理技术的去除率高得多。Zhang等[23]在对Pb(II)污染的土壤进行EK修复时发现,EDTA(乙二胺四乙酸)和AA(乙酸)作为阴极液时,Pb(II)去除效果较单独的0.1 mol/L的EDTA作为阴极液时的去除率提高15%左右。Vieira等[24]以颗粒状的活性炭作为填充材料,对阿特拉津和乙氧氟草醚污染的土壤进行EK-PRB修复时,其中以SDS(十二万基硫酸钠)作为络合剂,并伴有反转电极,结果表明在该增强技术条件下,EK-PRB对两种除草剂均具有较好的去除效果。Mena等[25]用电动–生物可渗透反应墙技术对被不溶性有机物(柴油烃)污染的土壤进行修复,结果证明该技术对柴油烃具有较好的修复效果,进一步说明该技术在未来的原位修复中具有较好的发展前景。

PRB材料的创新以及改性是近年来EK-PRB联用技术另一方面的进展。常用的零价铁、活性炭等在重金属污染案的土壤中取得了较显著的效果。但是由于材料成本较高,且在电动过程中易受到酸腐蚀,因此寻找较经济且效果较好的PRB材料显得尤为重要。考虑到沸石及粉煤灰的吸附性、成本等因素,同时对以沸石、粉煤灰为PRB材料的研究还较少,因此其材料组合在EK-PRB修复中的效果值得探究。

本研究以模拟Pb(II)污染的高岭土作为研究对象,不同于传统的普通板状、单对电极的电动修复装置,采用可变换阵列式电极的EK-PRB土壤修复装置,以沸石+粉煤灰为PRB材料,考察在不同含水率及电压梯度下,EK-PRB对于Pb(II)污染土壤的修复效果,以探究修复Pb(II)污染土壤最佳效果时的含水率及电压梯度组合。

2 材料和方法 2.1 试剂和材料

实验所用高岭土为化学纯,其属性如表1所示。其中:EC为电导率;ORP为氧化还原电位;CEC为阳离子交换容量;ρd为土壤干密度;Sw为土壤饱和含水率。


表 1 实验用高岭土基本参数 Table 1 Basic parameters of experimental kaolin soil

实验所用粉煤灰为超细粉末状一级材料,沸石粒径2~4 mm,均购买于巩义市淼源水处理公司。土样消解试剂(HCl,HNO3,HF,HClO4)为优级纯,硝酸铅和一水合柠檬酸等均为分析纯,均购买自国药集团化学试剂有限公司。

模拟污染土样的制备 :首先将Pb污染浓度设定为1000 mg/kg,配制含水率为35%的污染土样;称取2 kg高岭土,由于Pb(NO32晶体相对分子质量为331,则Pb2+所占的质量比为(207/331)×100%=62.54%,即所需Pb(NO32晶体的质量为(1000 / 62.54%)×2=3198 mg;向750 mL水中加入3.198 g Pb(NO32晶体,溶解完全后均匀混入到2 kg高岭土中,得到完全混合均匀的含水率为35%的Pb(II)污染的土样。

2.2 实验装置

本实验采用自行设计的可变换阵列式电极的EK-PRB土壤重金属修复装置,装置实物图如图1所示。普通的板状、单对电极装置的修复效果不太理想,考虑环境因素且与实际工程修复差距遥远(板状电极不便安装,工程上修复范围大,板状电极在实际极间距大的情况下很难实现均匀电场的修复效果)。针对这些问题,多对电极下的联合电动力、渗透反应墙的原位、高效、更契合实际的修复技术,即可变换阵列式土壤重金属修复装置显现出了极大的优势。


图 1 可变换阵列式电极的EK-PRB土壤修复装置实物图 Fig. 1 Physical figure of EK-PRB soil remediation device with switchable array electrodes

该电动修复装置分为3部分,土壤室(内环ϕ250 mm×200 mm,中环ϕ300 mm×200 mm,外环ϕ400 mm×200 mm),PRB室(环形ϕ40~100 mm×200 mm),中心阴极室(ϕ40 mm×200 mm),周围阳极室(6个,每个75 mm×40 mm×200 mm)。采用阵列式电极排布,中心阴极室和PRB系统、土壤室(3个)之间为同心圆构造,周围阳极为矩形槽弧形扩散系统,有效体积为0.6 L,上海华励振环保科技有限公司生产;直流电源规格为0~60 V,3 A,东莞市广仪电子仪器有限公司生产。

2.3 实验过程和方法

将混合均匀的土样装入到可变化阵列式土壤重金属修复装置的土壤区,向各电极室中加入柠檬酸电解液,静置使其平衡稳定48 h。电动修复实验开始后,定期更换阳极和阴极电解液。设置不同的电压梯度以及含水率,研究在不同电压梯度及含水率组合时Pb(II)的去除效果。电动修复周期定为5 d。为探究含水率与电压梯度对于Pb去除效果的影响,分别设置了25%,30%,35%的含水率以及1.5,2.0,2.5 V/cm的电压梯度,实验方案设置如表2所示。实验结束后在距阳极10 mm(S1),25 mm(S2),40 mm(S3),55 mm(S4),70 mm(S5)处分别取样,取样量均为3 g左右,用于测定重金属Pb含量。


表 2 EK-PRB修复Pb(II)污染土壤实验方案 Table 2 Experiment program of soil remediating by EK-PRB
2.4 分析方法

分别准确称取经过烘干的修复前土样(取两个平行土样)0.2 g和修复后土样0.5 g,经HCl-HNO3-HF-HClO4消解后,用5%稀硝酸定容至50 mL,经0.22 μm水相针式滤器(聚醚砜)过滤后,土样经HNO3-HF-HClO4消解后,采用Optima8000型ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱仪分别测定配土重金属含量以及土壤剩余重金属含量,按照前后计算其去除率。土壤pH测定:按照土样与去离子水1∶2.5固液比(质量比)混合,振荡30 min后离心,采用梅特勒–托利多仪器(上海)有限公司FE20型实验室pH计测定上清液pH。电导率测定:土样与去离子水1∶5(土样以g计,去离子水以mL计)固液比混合后离心,采用梅特勒–托利多仪器(上海)有限公司FiveEasy型电导率仪测定上清液电导率。土壤Pb去除率通过式(1)计算。

$ {\rm{\eta = }}\frac{{{{{C}}_{\rm{0}}}{{ - C}}}}{{{{{C}}_{\rm{0}}}}} \times 100{\text{%}} $ (1)

式中:η为去除率,%;C0为初始Pb浓度,mg/L;C为修复后Pb浓度,mg/L。

3 结果与讨论 3.1 土壤pH的分布及变化

图2表示了EK-PRB处理后各部分土壤的pH值分布情况。模拟的Pb污染的高岭土初始pH值为6.8,修复后各部分土壤pH值均在3.5~4.8之间,相比于修复前,修复后各部分土壤pH值均有所下降。一方面,柠檬酸是一种有机弱酸,作为电解质加入土壤时会对土壤pH产生一定的影响;另一方面,土壤pH值的高低由土壤中H+与OH-的迁移速度以及环境中其他离子的初始浓度决定,有研究发现H+的迁移速度是OH-迁移速度的1.8倍[26-27],因此修复后的土壤基本上处于酸性环境。


图 2 处理后各部分土壤pH分布 Fig. 2 Soil pH distribution of each part after treatment

同时可以发现,在电压梯度一定时,含水率越高,pH越高,这可能与在较高含水率下发生了更多的水电解有关[28]。含水率较高时,pH值的升高有利于降低土壤对于Pb(II)的吸附能力。在1.5 V/cm电压梯度下,含水率为25%时,阴阳极pH值分别为3.73,4.56,高于含水率为35%时的4.01,4.73。同时含水率一定时,电压梯度对于pH的影响也是类似的。同时,从阳极至阴极呈现pH值上升的趋势,这是由于在电动过程中水发生电解使得阳极区产生H+(2H2O→4e+4H++O2),因此pH值偏低,阴极区产生OH,因而pH值较高[29]。这与Altin等[30]通过电动处理修复Pb(II)污染的土壤时的结果一致。

然而,在相同含水率的条件下,电压梯度对于各部分土壤pH影响较小。虽然施加的电压梯度对于电场强度有直接决定作用,由此使得土壤中各离子的迁移速率发生改变,但不能改变H+和OH在土壤中的分布趋势。

3.2 土壤电导率的变化

图3为不同条件下土壤各部分的电导率情况。首先,从阳极至阴极,电导率总体呈现下降的趋势,表明靠近阳极的自由离子数目高于阴极,这可能是由于在酸性条件下,离子更容易溶解、释放[31]


图 3 处理后土壤各部分电导率值 Fig. 3 Conductivity value of each part of soil after treatment

在电压梯度一定时,土壤修复后含水率与电导率呈正相关关系,这是由于土壤整体含水率越高,土壤孔隙传导离子的能力越强。另外,阴极室与土壤室之间隔着PRB系统,靠近阴极侧的土壤的水分含量较靠近阳极侧的低,阴极室中的电解液流向土壤室的过程中经过PRB材料,电解液中的离子可能被吸附而被截留在PRB系统中,也会导致阴极侧土壤电导率比阳极侧低。

含水率一定时,电压梯度对于电导率的影响也是如此,这是由于电压梯度较高时,土壤孔隙中离子迁移更强。

3.3 土壤电流密度随时间变化的情况

图4描绘了在不同电压梯度时电流密度随时间变化的情况。首先,根据图4的变化趋势可知,电流密度在初始一段时间内呈现从初始值上升至最高值的趋势,这可能是由于在电动过程中,某些离子在电场作用下逐渐溶解和释放,使得电流密度逐渐上升至最大值。随后,电流密度随时间的增加不断下降,表明随着处理时间的增加,土壤孔隙中溶解离子浓度不断降低。这与Zulfiqar等[32]和Fu等[33]的研究结果一致。通过比较在不同电压梯度下的电流密度值可以发现,电压梯度越高,电流密度越高。这可能与电压梯度较高时土壤中离子迁移程度较高有关。


图 4 电流密度在修复过程中随时间变化情况 Fig. 4 Current density changes over time during repair
3.4 EK-PRB修复时土壤中Pb(II)的去除 3.4.1 含水率对Pb(II)去除的影响

图5显示了在不同的电压梯度以及含水率条件下Pb(II)的修复效果,由图可知Pb(II)的去除率从阴极至阳极呈现上升的趋势,这与Pb(II)主要通过由阳极电迁移至阴极,最后通过PRB室内的填充材料的吸附而被除去这一过程有关。Pb(II)的去除机理具体为,带正电的Pb(II)在电迁移的作用下迁移至阴极,而PRB室位于较靠近阴极处,Pb(II)在向阴极迁移的过程中,被PRB室内的材料吸附、拦截,导致阳极附近Pb(II)去除率高于阴极区。


图 5 含水率对于去除率的影响. Fig. 5 Effect of water content on removal rate.

图5(a)所示,在1.5 V/cm的电压梯度下,Pb(II)各部分的去除率随着土壤初始含水率的升高而升高,例如初始含水率为35%时,S1,S5部分的去除率分别为76.7%和72.0%,相比于初始含水率为25%时S1与S5部分75.5%和69.2%的去除率、初始含水率为30%时S1与S5部分76.3%和71.4%的去除率来说,初始含水率增加,使得Pb(II)的去除率也得到了提升。在2.5 V/cm下,初始含水率35%时S1,S5部分的去除率为80.7%,74.1%,而初始含水率为25%时S1,S5部分的去除率仅为78.2%,73.9%,也出现了类似的去除率随含水率增加而得到提升的现象。这些可能是由于初始含水率较高的土壤中自由离子数目较多,且含水率较高时有利于离子物质迁移穿过土壤孔隙,而低含水率阻碍了离子的电迁移,降低了离子到达阴极的速度。

3.4.2 电压梯度对于Pb(II)去除的影响

通过比较图5(a)(c)可以发现,在含水率一定时,电压梯度对于Pb(II)去除效果也具有一定的增强效果。例如图5所示,在含水率为25%时,电压梯度为2.0 V/cm和2.5 V/cm时,各部分的Pb(II)去除效果相比于电压梯度为1.5 V/cm时均有一定的提高,体现了Pb(II)去除效果在较高电压梯度下的优势,即电压梯度越高,Pb(II)去除效果越好。这可能与在较高的电压梯度下发生了更多的水的电解有关,由此营造了更加有利于Pb(II)离子发生电迁移的较低的pH环境。总的来说,电压梯度在1.5~2.5 V/cm范围内,随电压梯度的增大,去除率增大,说明电压梯度对去除率有非常直接而显著的影响。

同时,文献[34]通过单对电极的电动装置修复Pb(II)污染的高岭土时,分别以CA和EDTA作为增强剂时分别得到了26.2%和57%的Pb(II)去除率;文献[35]通过单对电极的电动–可渗透性反应墙装置处理Pb(II)污染的高岭土,以活性炭作为PRB填充材料时Pb(II)最高去除率为73%,与该研究中用可变换阵列式电极的EK-PRB土壤重金属修复装置修复Pb(II)污染的高岭土时的处理效率相比,由此体现了该可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置的优势,采用阵列式、对角电极的排列方式,克服了阴阳电极之间电场力作用距离小的不足,可以基本实现均匀的电场条件,使土壤污染的修复效果得到提高。

4 结 论

利用可变换阵列式电极的EK-PRB土壤重金属修复装置对Pb污染土壤进行修复时,探究电压梯度、含水率不同时对于Pb(II)去除效果、pH、电导率及电流密度等的影响,得到以下结论:

a. 相比于使用传统的单对电极的土壤重金属修复装置或者单独的电动修复试验,该试验过程中,Pb(II)去除率最高达到了80.7%,证明了利用该可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置,以沸石+粉煤灰为填充材料通过EK-PRB联合修复技术在Pb(II)污染的高岭土修复上的可行性及优势。

b. 利用可变换阵列式电极的EK-PRB土壤重金属修复装置对Pb污染土壤进行修复时,Pb(II)是通过由阳极向阴极的迁移(电迁移)随后被靠近阴极处的PRB室内的吸附材料吸附而被去除的,而不是与其他离子形成配合物,或化合物形成螯合物通过电渗流或其他方式迁移。

c. 含水率及电压梯度对于Pb(II)去除效果均有一定的增强效果,即在电压梯度和含水率分别为2.5 V/cm和35%时,Pb(II)的去除效果最好。

d. 修复试验结束后,各部分土壤的pH值有所降低,在3.5~4.8之间。同时,从靠近阳极至阴极部分,各部分土壤pH值呈现逐渐下降的趋势;电压梯度一定时,较高的初始含水率会使得pH值有所提升;含水率一定时,电压梯度对于pH值产生的影响较微弱。

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