[發明專利]預防土壤及地下水電動修復聚焦現象的方法

無效

• 申請號: 201110082512.3
• 申請日: 2011-04-01
• 公開（公告）號: CN102259111A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 李東
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B09C1/08
• 分類號: B09C1/08;C02F1/48
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及如何在污染土壤和地下水電動修復過程中預防或減弱聚焦現象發生的方法。

背景技術

當工業生產過程中產生的廢水和固體廢物進入土壤時，會導致土壤和地下水的污染，當該場地改為居住、農業等用地時，必須進行土壤和地下水的修復，消除其中的污染物。

土壤和地下水修復的主要方法有：(1)物理修復：物理分離修復、固化/穩定化修復、蒸汽浸提修復、電動修復等；(2)化學修復：化學淋洗修復、溶劑浸提修復、高溫焚燒修復、氧化還原修復等；(3)生物修復：預備床法、土壤堆腐法、泥漿生物反應器法、土地耕作法等。按照土壤是否要挖掘，這些技術可分為原位(in?situ)修復技術和異位(ex?situ)修復技術。原位修復技術又可分為原位處理技術和原位控制技術。原位處理技術是指通過物理、化學、生物等方法在原位將污染物從土壤和地下水中去除；而原位控制技術是指通過各種方法將污染物限制在原位的一定區域內阻止其向外擴散。異位修復技術是指將污染土壤從原來的位置挖出來在場地內的某個地方或場地外某個地方進行修復或控制填埋。

電動修復技術是利用電化學原理(圖1)，在污染土壤1、2、3的兩端插入正電極4和負電極5，形成直流電場，在電場作用下，土壤和地下水中的污染物(主要是以離子態存在的重金屬污染物)根據各自所帶電荷的不同而向兩電極遷移(即電遷移)，最后進入電極工作液中，實現將污染物從土壤和地下水中去除的目的。電動修復技術通常作為原位修復技術進行使用。

當采用電動修復技術對污染土壤和地下水進行原位修復時，通常會發生聚焦現象2(圖1和圖2)，即：目標污染物在修復場地內的某些區域2積聚，導致這些區域污染物濃度異常增高，可高達電動修復前濃度的數倍。聚焦帶出現的位置與污染物濃度的初始分布情況并無直接關系，即：重金屬初始濃度高的區域并不一定是聚焦帶出現的位置。聚焦位置出現的不確定性和超高濃度為場地修復后的驗收采樣和評估工作帶來了巨大的困難。此外，聚焦帶的移動速度非常緩慢，遠遠低于重金屬在非聚焦帶的移動速度，導致整個場地電動修復時間延長數倍、電耗也相應增加數倍。電動修復的研究至今已有近三十多年的歷史，實驗室研究有大量成功案例，但極少見到工程實際應用，聚焦現象導致的實地修復效果、費用及時間的不穩定性是其主要原因之一。對于聚焦現象產生的機理鮮見專門的研究，一般認為是由于重金屬離子在遷移過程中與OH^-離子或其他陰離子發生反應生成沉淀的結果，但這無法解釋只要施加足夠高的電壓、通電時間足夠長，聚焦帶依然可以緩慢定向移動的現象(沉淀物是電中性，是不會在電場作用下定向移動的)。本專利申請人經過長期的研究證明，電動修復過程中聚焦帶2的形成并不是一種化學反應現象，而是一種物理現象，只有在重金屬離子由低電導區域1電遷移進入高電導區域3的情況下才會發生，位置在兩個區域的交界處3。這是由于陽極4和陰極5之間的低電導區域1和高電導區域3為串聯關系，導致低電導區域1上的電壓梯度高于高電導區域3，而重金屬離子在土壤中電遷移速率與施加在土壤上的電壓梯度(電場強度)成正比，因此，當重金屬離子從高電壓梯度區域(即低電導區域1)電遷移進入低電壓梯度區域(即高電導區域3)時，遷移速度陡降，在兩個區域的交界處2聚集形成聚焦帶(就像汽車從快車道突然進入慢車道形成的塞車現象一樣)。高電導區與低電導區的電導差異越大，聚焦現象越嚴重，而且高電導區的電導越大，聚焦帶的移動越慢。但如果重金屬離子從低電壓梯度區域(即高電導區域3)電遷移進入高電壓梯度區域(即低電導區域1)時，就不會發生聚焦現象(就像汽車從慢車道突然進入快車道不會形成塞車現象一樣)。

這種由于土壤水中離子濃度的不同引起的土壤電導不同，進而導致電動修復中電壓梯度不同的情況稱之為離子誘導電壓阱捕集效應(ion-induced?potential?well?trapping?effect)。

在含水率相同的情況下，土壤電導的高低主要由土壤水中離子的總濃度決定，這些離子包括：K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Mn²⁺、Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-等以及作為修復目標污染物的重金屬離子。通常，重金屬離子在其中所占的比例非常低(百分之幾到萬分之幾)，因此，僅依靠目標重金屬離子的濃度一般不能判定土壤電導的高低，需要實際測量。