两种电动修复的对比性研究

查振林 占淑娴

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司 武汉 430081)

0 引言

电动修复过程中通常采用稳压或稳流的方式供电。相关研究结果表明：较高的电流强度可以促进污染物的迁移，但修复过程中的能耗也会相对增加，能耗与电流的平方成正比[1-3]。有研究人员采用脉冲供电、阴阳极性互换供电、原电池、微生物燃料电池及太阳能电池等供电方式，以减少修复过程中不必要的电能损耗，提高电动修复的效率。在电动修复中，脉冲供电方式已被证实为一种节能降耗的供电方式。丁飒[4]首次采用脉冲供电方式对铜污染土壤进行修复研究，并将修复结果同同等条件下的直流脉冲修复结果进行对比，最终结果表明：脉冲电动修复铜污染土壤的效果优于直流电动修复铜污染土壤的效果。除此之外，有研究发现：利用脉冲供电方式可以减弱电动修复过程中产生的活化极化、电阻极化和浓差极化带来的不良影响[5-6]。

本文拟采用脉冲电源和直流电源供电对相同污染浓度的重金属镉污染土壤进行修复，对比研究脉冲电动修复和恒直流电动修复效果，以衡量脉冲电动修复法与传统恒直流电动修复法的优劣。

1 材料与方法

1.1 实验土壤、实验仪器与药品

采田地表层土(0～20 cm土层)，自然风干，研磨过100目筛。将一定浓度的Cd(NO3)2溶液加入到土样中后风干，制备实验土样。实验土样的理化性质为：pH值5.86，Cd2+含量69.1 mg/kg。

自制的电动力学装置如图1所示，主要部件包含：直流脉冲电源、电解槽(长×宽×高=750 mm×545 mm×470 mm)和组合式电极。

1.2 实验方案

将实验土样分多次加入到电解槽中，同时加入适量自来水，室温条件下进行电动修复实验，测定电流、pH值和阴极电导率等参数[7-8]。修复结束后，将电解槽中的土样平均分为3份，依次为C(阴极区)、M(阴阳极中间区)、A(阳极区)，风干后检测每份土壤中镉的含量。对比实验结束后土壤中镉的残余量和修复过程中的能耗，以此研究脉冲电动修复法与传统恒直流电动修复法的优劣。开展脉冲电动修复和恒直流电动修复实验时需分别将直流脉冲电源装置的脉冲/直流档调至脉冲档和直流档。具体实验参数见表1。

图1 实验装置工艺

表1 实验参数

2 结果与讨论

2.1 pH值

恒直流和脉冲电动修复过程中，pH值随时间的变化如图2所示。

图2 pH值随时间的变化

由图2可得，两种电动修复过程中系统pH值随时间的变化趋势相似，大致为：阳极区的pH值在反应前2 h内由6.0降至3.1，2 h后随着反应时间的增加pH值稳定在3.1不变；阴阳极中间区pH值在反应前2 h内迅速升高，脉冲电动修复和恒直流电动修复下阴阳极中间区pH值由6.0分别升至7.0,8.3,2 h后随着反应时间的增加而缓慢升高，反应60 h后，脉冲电动修复和恒直流电动修复下阴阳极中间区域pH值分别为9.8，11.0；阴极区的pH值在反应前2 h内随着反应时间的增加而急剧升高，pH值由6.0升高至12.3，2 h后，随着反应时间的增加，pH值先缓慢升高后稳定不变，反应60 h后，脉冲电动修复和恒直流电动修复下阴极区pH值分别为12.7，13.1。对比可得脉冲电动修复的电解效率高于恒直流电动修复的电解效率。

2.2 阴极电导率

两种电动修复过程中阴极电导率随时间的变化趋势大致相似(见图3)，均为阴极电导率随反应时间的增加而增大，且脉冲电动修复过程中阴极电导率总体值略高于恒直流电动修复过程中的阴极电导率。

图3 阴极电导率随时间的变化

两种电动修复过程中阴极电导率相对增长率随时间的变化如图4所示。

图4 阴极电导率相对增长率随时间的变化

相对增长率(RGR)计算方式为

(1)

式中，RGR为阴极电导率相对增长率；Kp为脉冲电动修复过程中的阴极电导率；KD为恒直流电动修复过程中的阴极电导率。

由图4可得，随时间增加，阴极电导率相对增长率以极缓慢的速度升高，在此修复过程中，阴极电导率相对增长率为29.9%～31.5%。即在对镉污染浓度为69.1 mg/kg的土壤样品进行对比性实验过程中，以阴极电导率为指标间接反映修复效果时，与恒直流电动修复法相比，在相同修复时间内，脉冲电动修复法的修复效果提高了29.9%～31.5%。

2.3 土壤中镉的残留量

经脉冲电动修复和恒直流电动修复60 h的处理后，土壤中镉的残留量如图5所示。

经脉冲电动修复和恒直流电动修复两种修复方法60 h的修复后，土壤中重金属镉的含量均低于初始值，且均从阳极向阴极逐渐升高。即土壤中重金属镉离子从阳极向阴极迁移，并富集在阴极附近区域。与恒直流电动修复相比，脉冲电动修复处理后的土壤中的镉含量更低，即具有更高的去除效率。脉冲电动修复和恒直流电动修复处理后土壤中重金属镉的去除率对比分析如表2所示。与恒直流电动修复法相比，脉冲电动修复法处理之后土壤中镉的去除率提高29.6%～31.0%。

图5 电动修复结束后土壤中镉的残留量

表2 两种电动修复后土壤中镉的去除率 %

2.4 电流

采用脉冲和恒直流两种供电方式分别对重金属镉污染土壤进行电动修复，修复过程中，两种不同供电方式下电流随时间的变化见图6所示。

图6 电流随时间的变化

如图6所示，脉冲电动修复下的电流和恒直流电动修复下的电流随时间的变化趋势大致相同，均为在反应前期，电流迅速升高，后随着时间的增加而趋于稳定。其中，脉冲电动修复下的电流总体值略高于恒直流电动修复下的电流。

2.5 能耗分析

电动修复过程中，采用恒直流电源和脉冲电源时能耗计算公式[4,9]分别为

(2)

(3)

式中，W是电动修复过程中单位质量土壤所消耗的电能，(kW·h)/kg；ms是处理土壤质量，kg；U是电压，V；I是电流，A；t是修复时间，h；η是脉冲占空比。

经过脉冲电动修复处理和恒直流电动修复处理后，达到相同修复效果时，即脉冲电动修复处理和恒直流电动修复处理过程中阴极电导率均为1 285 μs/cm时，脉冲电动和恒直流电动修复的电能损耗分别为2.9×10-3，7.4×10-3(kW·h)/kg。与恒直流电动修复相比，在达到相同的修复效果时，脉冲电动修复的能耗可节省60.8%。

3 结论

(1)脉冲电动修复镉污染土壤的修复效果优于恒直流电动修复镉污染土壤的修复效果。

(2)与恒直流电动修复相比，在相同的修复时间内，脉冲电动修复处理之后土壤中镉的去除率提高29.6%～31.0%。

(3)与恒直流电动修复相比，在达到相同的修复效果时(即脉冲电动修复处理和恒直流电动修复处理过程中阴极电导率均为1 285 μs/cm)，脉冲电动修复的能耗可节省60.8%。