电动土工塑料排水板修复重金属污染高岭土试验研究

孙 慧, 李从安, 邱金伟

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010)

0 引 言

土壤是环境要素的重要组成部分,它位于自然环境的中心位置。实现污染土壤的修复对于保护生物多样性,维持生态平衡,保证粮食安全生产等具有非常重要的意义[1]。近年来,我国重金属污染呈现出加剧的态势,人体血铅超标、尿镉超标等时有报道,重金属污染出现了工业向农业转移、城区向农村转移、地表向地下转移、上游向下游转移,从水土污染到食品链转移,由逐步积累的污染正在进入突发性、连锁性、区域性的爆发阶段,土壤重金属污染,对生态环境、食品安全和人体健康构成严重威胁。

土壤重金属污染物的多元化和复杂化使得其在土壤中移动性差、滞留时间长、恢复的难度大[2]。针对土壤污染的现状,人们已经开发了多种修复技术。其中常见的有生物修复、植物修复和化学淋洗法等[3-10],这些修复技术的特点是事先基本上不需要把污染的土壤固相或液相介质从污染的现场挖出或抽提出去,而是依靠物理、化学和生物学过程直接把污染物从污染的现场清除掉。但是这几种方法都有一定的适用范围。例如,生物修复法中微生物在土壤中的移动性差,易受污染物的毒性效应抑制,降低修复效率,并且微生物或者酶制剂会带来次生污染;植物修复法中超积累植物对污染物的吸收和积累极为缓慢,修复往往需要几个生长季节,甚至更久;而淋洗法对土壤的要求较高,土壤必须具有较高的渗透能力,并且淋洗剂土壤截留会带来二次污染。

电动修复污染土技术是20世纪80年代末兴起的一门绿色修复技术,其基本原理是在土壤场地中施加直流电,使两电极之间形成直流电场,驱动重金属离子沿电场方向迁移,从而将污染物富集至阴极区,然后再通过电沉积、离子交换等方法予以分离,达到修复污染土壤的目的。由于其经济、低耗的特点而被认为是一种绿色的修复方法,是现今环境岩土工程研究的热点问题之一。电动土工塑料排水板(Electrokinetic Geosynthetics, EKG)是在有机聚合物如聚乙烯(Polyethylence,PE)、聚氯乙烯(Polyethylene Chloride,PVC)等绝缘体中加入导电金属物质铜制成的一种新型土工合成材料,与普通电极材料相比,EKG具有很强的耐腐蚀性。同时EKG可以作为排水通道,还可以作为加固后地基中的结构材料。席永慧等[11]采用自制的实验装置研究重金属污染土壤的电动力学修复性能,通过间歇断电法和提高电压法提高单一重金属污染土壤的重金属去除率,取得了良好的效果,并且对多离子污染土壤的电动修复进行了研究。胡艳平等[12]、胡园等[13]、万玉山等[14]分别采用电动修复技术对重金属Cd污染土壤开展了不同条件下的试验研究,取得了可观的成果。但是由于现场修复的情况复杂,污染物种类繁多,需要综合考虑多种因素,致使电动修复技术的推广应用受到限制,电动修复重金属污染技术主要是人为配置污染土壤的室内实验室研究,并且还处于初步探索阶段。

本研究采用电动土工塑料排水板作为电极材料,以纯高岭土加入重金属锌和镉的化合物作为污染物修复试验土样,通过室内试验研究了电势梯度、通电时间、含水率对电动修复重金属污染物去除率的影响,开展了不同电极材料、不同重金属离子污染物和添加缓冲溶液条件下的重金属去除效果试验研究。

1 试验材料与方法

1.1 高岭土

表1为本试验采用的模型高岭土土样的基本物理特性参数。由表1可知该土样的塑限Wp=32%,干密度为ρd=1.24 g/cm3,渗透系数K20=8.31×10-8cm/s,相对密度为2.58。

表1 高岭土的基本物理特性参数Table 1 Basic physical properties of kaolin

1.2 电动土工塑料排水板

电动土工塑料排水板是一种可以导电的排水板,这种排水板可以导电,沿长度方向纵向分布排水凹槽,并且纵向长度可达几十米,横向宽度10 cm,两股铜丝距离排水板中心位置分别3 cm,距离排水板边缘2 cm,外面包裹白色滤布,可避免淤堵,如图1所示。

图1 电动土工塑料排水板滤膜和导电芯材Fig.1 Filter membrane and conductive core material of EKG drainage board

1.3 污染土配置

选用化学试剂ZnCl2、NaCl、CdCl2配置试验电动修复重金属污染土试样,所用试剂均为分析纯。按照污染物和高岭土质量之比为1 000 mg/kg进行试验污染土配置。首先,取一定量的重金属化合物分析纯在烧杯中,加20 mL纯水,再用玻璃棒不断搅拌,使其充分溶解;然后,用保鲜膜将烧杯杯口密封,放置待用;最后,分次称量高岭土和水在玻璃容器中配置设计要求的含水率土样,同时将污染物溶液倒入土体中,充分拌合,完成污染土试样制备。将装污染土样的玻璃容器开口用保鲜膜密封,放置24 h后待用。

1.4 试验装置

为了测定重金属离子在土壤中的迁移特性,分析污染土壤的修复效果,设计了一套室内试验装置系统,如图2所示。

图2 电动修复试验装置系统Fig.2 Electrokinetic remediation test device

该装置系统包括:模型箱、电极、稳压直流电源、电脑、电流表、导线、酸度计以及数据自动采集等。模型箱是用有机玻璃板制成,箱体尺寸为500 mm×200 mm×200 mm(长×宽×高),其中,模型箱两侧分别用打孔的有机玻璃板隔开成宽度为50 mm,长度为200 mm的阴阳极格室,电动修复室的长度为400 mm,阴极格室的底端布置了直径为5 mm的泄水孔,以便排水和收集污染物渗滤液。其中,直流稳压稳流电源表型号为WYK-10010,数字多用表型号为VICTOR 86D。

1.5 试验步骤

重金属污染土壤电动修复试验主要有以下几个步骤:

(1)模型箱及电极准备。清洗模型箱,确认排水口通畅。按照模型箱两边尺寸,裁剪滤纸,在模型箱正负极两边铺设滤纸,以免污染土透过打花的有机玻璃板流出。按照试验方案设计电极尺寸及数量等,并将电极紧挨滤纸布置于模型箱正负极两边。

(2)装样。将污染土样分层填放到模型箱中,均匀压实,并与阴阳电极充分接触。同时记录土样在模型箱中的初始高度。

(3)接线。用导线将正负电极与电流表和稳压直流电源仪器连接,形成闭合电路,同时将电流表与电脑连接,实时监测模型箱回路中的电流,并自动采集数据。

(4)通电。开启稳压直流电源仪器,调整电压值。

(5)排水。 通电后, 由于电解作用会加速污染土体的脱水固结, 打开排水孔, 用玻璃容器收集水体进行检测。 同时定时记录土样在模型箱中的高度。

(6)取样。按照布置的监测点沿模型箱一边取样,每次取样控制在10 g左右,以降低取样孔洞对后期电流、污染物迁移造成影响。依据设计方案,定时取样,直至试验结束。监测重金属污染物的迁移过程。

(7)断电。重金属污染物迁移趋于稳定后,断开电源,结束试验。详细观察模型箱各部位的变化情况,并作好记录分析。

1.6 除去率的计算

由于金属离子最终富集在阴极处,需要采用客土法等集中将其最终处理。在计算阳极处重金属离子除去率为

(1)

式中:Er为重金属离子除去率;m0为试验前加入土中阳极处的重金属离子含量;mt为试验一段时间后阳极处的的重金属离子含量。

2 试验成果分析

2.1 初始含水率对重金属污染土电动修复的影响

为了研究初始含水率对电动修复试验的影响,开展了直流电压为20 V,电势梯度为0.5 V/cm,污染土初始含水率分别为40%、60%、80%、100%以及120%条件下重金属污染土电动修复试验。其中,初始含水率为配置污染土时水和土颗粒质量之比。电动试验过程中,阳极和阴极电解水后,阳极处H+增多,高岭土逐渐酸化;阴极处OH-增多,高岭土逐渐碱化。电极材料为电动土工塑料排水板,其阴、阳两极分别为3段尺寸相同为250 mm×60 mm(长×宽)的EKG串联组成,缓冲溶液除了纯水,无其他溶液,重金属污染物为锌,配置浓度为1 000 mg/kg。在模型箱中不同检测点和不同修复时间,假定阴极位于横坐标0 cm处,阳极位于横坐标40 cm处,重金属Zn的含量变化如图3所示。

图3 不同初始含水率条件下阳极重金属Zn除去率Fig.3 Removal rate of Zn at anode with varying initial water content

从图3中可以看出,在电势梯度为0.5 cm/V(直流电压20 V)的作用下,随着修复时间的增加,阴极处的重金属Zn的除去率逐渐增加,增长趋势逐渐变缓,这主要是因为,在电动修复初期电渗和电迁移较快,重金属离子交换和运动速率较高,后期由于含水率降低,试验箱中电阻变大,电流变小,离子运行速率和交换变慢;修复8 d后,土壤中的重金属Zn的最高除去率达到56%;初始含水率越高,阴极处重金属Zn的除去率越高。

2.2 电势梯度对重金属污染土电动修复的影响

电势梯度为两点间的电势差(电压差)与沿电场强度方向的距离之比, 电势梯度用于描述电场中电势沿某一方向的变化率。 图4为不同电势梯度条件下阳极处重金属污染物含量变化与时间关系曲线。 从图4可以看出: 在不同直流电压作用下, 随着修复时间的增加, 阳极处的重金属污染物除去率逐渐增加, 趋势逐渐变缓; 电势梯度为1 V/cm(40 V直流电压)作用下, 重金属Zn的除去率明显高于0.5 V/cm(20 V直流电压), 这主要是因为电势梯度越大, 模型箱中的电场强度越大, 离子的迁移量和交换量越多, 相应的速率也越快; 修复8 d后, 土壤中的重金属污染物除去率分别为49%和58%。

图4 不同电势梯度下阳极重金属Zn的除去率Fig.4 Removal rate of Zn at anode with varying potential gradient

2.3 不同重金属污染土的电动修复效果分析

分别选用重金属Cd和Zn作为污染物进行室内电动修复试验。试验结果如图5所示。

图5 不同重金属污染土阳极处Zn、Cd的除去率Fig.5 Removal rates of Zn and Cd at anode of different heavy-metal-contaminated soils

从图5可以看出:在电势梯度0.5 V/cm(直流电压20 V)的作用下,随着修复时间的增加,阳极处的重金属污染物除去率逐渐增加,趋势逐渐变缓;电动修复期间,土壤中的重金属Cd污染物除去率明显高于Zn,重金属Cd污染物除去率最高达到79%以上,这一结果明显低于Almeira等在利用电动修复技术对人工Cd污染高岭土进行修复时,高岭土中98%的Cd得到除去,究其原因可能是Almeira等[15]在修复土壤中加了0.06 mol/L的缓冲溶液HNO3,提高了修复效果。

2.4 电极对重金属污染土电动修复的影响

图6为试样在不同电极条件下的电动修复试验,其中EKG1是阴阳极分别为1段(长度为30 cm,宽度为6 cm)电动土工塑料排水板作为电极进行试验,如图6(a)所示;EKG2是阴、阳极分别为2段(长度为30 cm,宽度为6 cm)电动土工塑料排水板串联作为电极进行试验,如图6(b)所示;EKG3是阴、阳极分别为3段(长度为30 cm,宽度为6 cm)电动土工塑料排水板串联作为电极进行试验;石墨电极是试验箱阴阳极处分别采用1块宽度为6 cm,长度为30 cm作为电极进行试验,如图6(c)所示。

图6 不同材料作为电动修复的电极试验Fig.6 Test of different materials as electrodes for electrokinetic remediation

试验后,EKG和石墨电极均没有被腐蚀,主要原因是EKG中导体铜丝被塑料包裹着,有效避免了外界环境的侵蚀;石墨电极化学稳定性很高,能够承受高温高压,本身不易被腐蚀。图7为不同电极对阳极处Zn的除去率与时间的关系曲线,从图7可以看出:在直流电压20 V的作用下,随着修复时间的增加,阳极处的重金属Zn的除去率逐渐增加,增加趋势逐渐变缓;修复8 d后,土壤中的重金属Zn的除去率最高达到40%以上;选用EKG材料作为电极对重金属Zn的除去率比石墨高;同样材料作为电极,电极数量越多,电场强度越大,重金属修复效果越好。

图7 初始含水率100%下不同电极对阳极处Zn的除去率Fig.7 Removal rate of Zn at anode by different electrodes at 100% intial water content

3 结 论

(1)电动修复模型箱中不同位置处重金属污染物的含量各不相同:阴极位置处重金属污染物含量随修复时间的增长逐渐增加,阳极则逐渐降低;修复时间越长,重金属污染物向阴极迁移的量越多,由于试样含水率降低,电流减小,电渗和迁移速度逐渐变慢。

(2)电极材料相同时,加直流电压20 V,初始含水率为100%条件下,重金属污染物Cd的除去率明显高于Zn。

(3)40 V直流电压作用下,重金属Zn离子的除去率明显高于20 V直流电压下的去除率,即电势梯度越高,则电动修复效果越好。

(4)不同电极条件下的电动修复试验表明,其他条件一致时,选用EKG材料作为电极对重金属Zn的除去率比石墨高;3段相同长度和宽度的EKG作为电极时的修复效果比1段的要好,说明电极数量多,则修复效果较好。