1、土壤重金属污染的电化学修复摘要： 电化学修复技术是近年来迅速发展的一种污染土壤的绿色原位修复技术。这种技术具有安装方便、操作简单和成本低廉的特点，而且不影响生态环境，是非常有发展前景的一种环境修复技术。本文介绍了其原理，影响因素，优点及缺点。关键词 重金属 污染土壤 修复 Abstract Electrochemistry remediation is an in-situ remediation technique。 it develops recently.This technology is convenient in installation, simple in operation
2、,cheap and does not disrupt environment, thus is a potential remediation technology .This paper introduces the principle, influence factors, advantages and disadvantages.Keyword heavy metal contaminated soils remediation一 前言随着工业废水和城市垃圾的大量排放，污水的农业灌溉，土地的重金属污染已成为突出的环境问题。就土壤本身而言来讲，均含有一定量的重金属元素，其中很多是作物生长
3、所需要的微量元素，如 Mn、Cu 、Zn 等，因此只有当进入土壤的重金属元素积累的浓度超够了作物需要和可忍受程度，而变现出受毒害的症状，或作物生长虽并未受害但产品中某种重金属含量超过标准，造成对人畜的危害时，才能认为土壤被重金属污染。土壤污染中，重金属污染比较突出。这是因为重金属不能被微生物分解，而且能被土壤胶体所吸附，被微生物所富集，有时甚至能转化为毒更强的物质。土壤一旦被污染，就很难彻底消除。土壤的重金属污染不仅危害农作物的生产，而且还能通过食物链危害人类的健康和生命。日本的“痛痛病”和“水俣病”引起了人们对重金属污染的重视。近年来，人们找到了许多治理和修复重金属污染的方法，按原理可分为物
4、理、化学、生物、农业等几大类。其中，本文将介绍一种安装简单，成本低廉，适用于地下土壤环境重金属污染原位修复的方法电化学方法。二 电化学方法机理电化学方法的机理：在一定的电流和电压下，不同离子能在电渗和电迁移的作用下向相反的电极移动，氢离子和金属离子向阴极定向移动，同时溶解土壤中的金属离子。基本原理是在污染土壤区域插入电极，施加直流电后形成电场，土壤中的污染物在直流电场作用下定向迁移，富集在电极区域，再通过其他方法(电镀、沉淀共沉淀、抽出、离子交换树脂等)去除。在去除过程中，最主要电极反应有：阳极反应：2H 2O 4e O2 4H+ 阴极反应：2H 2O 2e H2 2OH电极反应在阳、阴极分别
5、产生大量的 H+ 和 OH ，导致电极附近的 pH 值相应地下降和升高。在电场作用下，H +和 OH 又将以电迁移、电渗流、扩散和水平对流等方式分别向阴、阳两极移动，直到两者相遇且中和。在相遇的区域产生 pH 值突变。并从该区域将整个操作区间划为酸性和碱性区域。其中，H +迁移速度是 OH 的 1.8倍。在酸性区域内，金属离子的溶解度增大，有利于土壤中重金属离子的解吸。而在碱性区域，重金属离子容易生产沉淀，从而限制污染物的去除效率。三 电化学方法的应用1 去除河道底泥中的重金属利用电化学法修复河道底泥是 20 世纪 80 年代末兴起的。在被污染的河道底泥两端加上低压直流电场，利用电场的迁移力，
6、主要是电渗和电迁移的作用，将重金属离子迁移到一端电极室(一般为阴极室)，从而得到分离。电化学修复去除河道底泥重金属在实验条件下，已经收到了一定的效果。目前，欧美许多国家都已将该技术应用在实际工程中，对于处理一般污染河道底泥和一些特殊污染的河道底泥有良好的效果，形成了一套行之有效的电化学去除污泥重金属的方法。电化学修复方法与传统的河道底泥修复技术（如清洗法、蒸发法）相比，具有人工少、接触毒害物质少等优点；与生物修复和化学修复等相比，具有周期短、见效快、无毒副作用的优点。2 重金属污染土壤原位修复用电化学原地修复重金属污染土壤在国外已经有较深的研究，有许多工程应用实例。二十多年前美国路易斯安那州立
7、大学最早研究利用电化学方法净化重金属污染土壤，他们在土壤中插入电极，通入低强度直流电。结果发现: 土壤 Pb 含量从 100mg/kg 降至 510mg/kg。但此法受土壤性质的限制，不适用于渗透性较高，传导性较差的土壤和沙性土壤。同时存在聚焦效应，即向阴极迁移的金属离子与阴极产生 OH 一形成沉淀，吸附在土壤表层，不利于重金属的去除。近年来发展了许多改进措施。Li 在阴极与土壤之间加入导电溶液，使重金属不会在土壤中析出, 可使污染土壤中的重金属去除率达 90 %。四 电化学法的影响因素影响土壤修复的因素很多，主要包括土壤类型、pH 值、污染物性质、电势梯度和电流大小、电极材料和形式等，解决好
8、这些问题是土壤电动修复研究的关键。实验表明最小值可能在 1020。研究表明土中碳酸盐和赤铁矿会对修复过程产生不利的影响。1土壤类型虽然试验表明动电修复技术对于各种土壤都适用，但是污染物在土中的传送效率与土的类型以及环境因素密切相关。土壤性质影响污染物的去除效率，包括吸附、离子交换、缓冲能力以及土壤 pH值等。土壤含水率必须高于某一最小值，电动修复才起作用。实验表明最小值可能在 1020 。研究表明土中碳酸盐和赤铁矿会对修复过程产生不利的影响。2.pH 值试验装置阴极 pH 值的控制是电动修复技术的关键。当直流电施加在饱和土壤上时，导致水在阳极发生氧化反应，生成酸性迁移带；而在阴极发生还原反应，
9、生成碱性迁移带。阳极生成的酸性迁移带向阴极推进，同时阴极生成的碱性迁移带也向阳极推进。由于氢离子的淌度是氢氧根离子淌度的 1.8 倍，并且电渗流的方向是向阴极的，所以一段时间以后，整个土壤体系中除了阴极区以外其余都是显酸性。不过对于缓冲性很强的土壤，得不到这种趋势。当酸碱相遇时发生中和反应生成水，引起 pH 值的突跃，这会影响污染物的溶解度、形态以及在土壤表面的吸附特性。3.污染物类型及浓度污染物的溶解性和脱附能力对该技术的成功应用有重要影响。孔隙溶液中离子浓度高，增加了电导率，但降低了电渗流的效率。Kim 等研究发现土壤中以水溶态和可交换态存在的重金属较易被电动修复，可达到 90，而以有机结
10、合态和残留态存在的重金属将较难被去除，约为 30。一般情况下，酸性增加将加速其他形态存在的污染物向溶液中转化。4.电极材料和构型电极材料是影响电动修复污染土壤的一个重要因素。选择电极材料的因素，包括导电性、材料易得、容易加工、安装方便以及成本低廉等。阴极材料要求避免碱性条件下离解或者发生腐蚀现象，阳极材料要求避免在酸性条件下腐蚀。金属电极电解过程中发生溶解，产生腐蚀性物质，因此需采用惰性物质如石墨、铂或镀钛、铂的金属等作为阳极，所有在酸溶液中不溶蚀的导电材料都可作为阴极材料。五 电化学方法修复的优点和缺点电化学方法处理重金属污染的优势有：（1）花费少，经济上可行。（2）可以作为一种原位土壤修复
11、技术，不需要操作工人同污染土壤进行直接接触，避免了操作工人的风险暴露。（3）传统的土壤修复技术往往只适用于渗透性土壤，对粘性土壤的处理效果非常差，而电化学技术对粘性土壤具有非常好的适应性。（4）可控性强。重金属的迁移方向受电迁移和电渗析方向的影响，可以通过外加电场和土壤性质来调控，具有较好的可控性。（5）重金属去除效率高，一般都可以达到 90以上。电化学方法的缺点有：（1）极化现象。即随着实验的进行，土壤中的电流密度会减小。经分析，可能是由活化极化，电阻极化和浓差极化三种原因引起的。活化极化 电解过程中产生的氢气，氧气覆盖在电极表面，这些气体是良好的绝缘体，导致了电导性下降，电流降低。电阻极化
12、 不溶性盐类或其他杂质吸附在阴极表面，使电导率下降，降低了电流强度。浓差极化 阴极产生的氢离子和阳极产生的氢氧根各自向电性相反的电极迁移，如果产生的酸碱没有被及时中和，就会使电流降低。 （2）温度问题。当向污染土壤加比较高的电压，通电时间较长时，土壤温度会升高，这样可能会降低电动力学处理重金属的效率。（3）土壤中的杂质问题。如果污染土壤中含有碳酸盐、赤铁矿以及大块的岩石、沙砾时，对重金属的去除效率就会降低。（4）后续处理。电化学技术处理污染土壤，更多的是将土壤中的污染物迁移出土壤后再进行后续处理。五 发展前景 电化学法由于其对现场环境影响小、处理周期短、效果明显等优点，可能适合于不能改变现场环
13、境的区域(如受污染区域上有建筑物) ，对于质地均匀的粉土、粘土处理效果更为显著。电化学法作为一种新兴的土壤原位修复技术，从国外一些室内试验和现场试验的结果来看，是适合去除土壤中的重金属污染的。该技术目前已经在德国、美国等国家进行了大范围的工程试验。面对国内日趋严重的重金属污染，有必要在一些具体的地点小范围内采用电化学法来修复受重金属污染的土壤，对具体的试验数据进行分析研究，找到电化学处理技术的最优参数，以解决我国土壤环境的重金属污染问题。参考文献1金春姬 李鸿江 贾永刚 罗先香 郭秀军 电动力学法修复土壤环境重金属污染的研究进展J环境污染与防治 2004,26(5)2谭浩 赵新华 马伟芳 电化学法去除河道底泥重金属的研究J安徽农业科学 2006， 34（12）3杨秀丽 王学杰 重金属污染土壤的化学治理和修复J浙江教育学院学报 2002,3（2）4高翔云 汤志云 李建和 王力 国内土壤环境污染现状与防治措施J 污染控制 2006,25袁松虎 持久性有毒物质污染土壤/沉积物的电动力学修复技术和机理研究6张锡辉 王慧 罗启仕 电动力学技术在受污染地下水和土壤修复中新进展J水科学进展 2001，6 （12）
