查振林 占淑嫻

(中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

0 引言

電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中通常采用穩(wěn)壓或穩(wěn)流的方式供電。相關(guān)研究結(jié)果表明：較高的電流強(qiáng)度可以促進(jìn)污染物的遷移，但修復(fù)過(guò)程中的能耗也會(huì)相對(duì)增加，能耗與電流的平方成正比[1-3]。有研究人員采用脈沖供電、陰陽(yáng)極性互換供電、原電池、微生物燃料電池及太陽(yáng)能電池等供電方式，以減少修復(fù)過(guò)程中不必要的電能損耗，提高電動(dòng)修復(fù)的效率。在電動(dòng)修復(fù)中，脈沖供電方式已被證實(shí)為一種節(jié)能降耗的供電方式。丁颯[4]首次采用脈沖供電方式對(duì)銅污染土壤進(jìn)行修復(fù)研究，并將修復(fù)結(jié)果同同等條件下的直流脈沖修復(fù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終結(jié)果表明：脈沖電動(dòng)修復(fù)銅污染土壤的效果優(yōu)于直流電動(dòng)修復(fù)銅污染土壤的效果。除此之外，有研究發(fā)現(xiàn)：利用脈沖供電方式可以減弱電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的活化極化、電阻極化和濃差極化帶來(lái)的不良影響[5-6]。

本文擬采用脈沖電源和直流電源供電對(duì)相同污染濃度的重金屬鎘污染土壤進(jìn)行修復(fù)，對(duì)比研究脈沖電動(dòng)修復(fù)和恒直流電動(dòng)修復(fù)效果，以衡量脈沖電動(dòng)修復(fù)法與傳統(tǒng)恒直流電動(dòng)修復(fù)法的優(yōu)劣。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)土壤、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

采田地表層土(0～20 cm土層)，自然風(fēng)干，研磨過(guò)100目篩。將一定濃度的Cd(NO3)2溶液加入到土樣中后風(fēng)干，制備實(shí)驗(yàn)土樣。實(shí)驗(yàn)土樣的理化性質(zhì)為：pH值5.86，Cd2+含量69.1 mg/kg。

自制的電動(dòng)力學(xué)裝置如圖1所示，主要部件包含：直流脈沖電源、電解槽(長(zhǎng)×寬×高=750 mm×545 mm×470 mm)和組合式電極。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

將實(shí)驗(yàn)土樣分多次加入到電解槽中，同時(shí)加入適量自來(lái)水，室溫條件下進(jìn)行電動(dòng)修復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定電流、pH值和陰極電導(dǎo)率等參數(shù)[7-8]。修復(fù)結(jié)束后，將電解槽中的土樣平均分為3份，依次為C(陰極區(qū))、M(陰陽(yáng)極中間區(qū))、A(陽(yáng)極區(qū))，風(fēng)干后檢測(cè)每份土壤中鎘的含量。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)束后土壤中鎘的殘余量和修復(fù)過(guò)程中的能耗，以此研究脈沖電動(dòng)修復(fù)法與傳統(tǒng)恒直流電動(dòng)修復(fù)法的優(yōu)劣。開(kāi)展脈沖電動(dòng)修復(fù)和恒直流電動(dòng)修復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)需分別將直流脈沖電源裝置的脈沖/直流檔調(diào)至脈沖檔和直流檔。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置工藝

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值

恒直流和脈沖電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中，pH值隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 pH值隨時(shí)間的變化

由圖2可得，兩種電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中系統(tǒng)pH值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相似，大致為：陽(yáng)極區(qū)的pH值在反應(yīng)前2 h內(nèi)由6.0降至3.1，2 h后隨著反應(yīng)時(shí)間的增加pH值穩(wěn)定在3.1不變；陰陽(yáng)極中間區(qū)pH值在反應(yīng)前2 h內(nèi)迅速升高，脈沖電動(dòng)修復(fù)和恒直流電動(dòng)修復(fù)下陰陽(yáng)極中間區(qū)pH值由6.0分別升至7.0,8.3,2 h后隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而緩慢升高，反應(yīng)60 h后，脈沖電動(dòng)修復(fù)和恒直流電動(dòng)修復(fù)下陰陽(yáng)極中間區(qū)域pH值分別為9.8，11.0；陰極區(qū)的pH值在反應(yīng)前2 h內(nèi)隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而急劇升高，pH值由6.0升高至12.3，2 h后，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，pH值先緩慢升高后穩(wěn)定不變，反應(yīng)60 h后，脈沖電動(dòng)修復(fù)和恒直流電動(dòng)修復(fù)下陰極區(qū)pH值分別為12.7，13.1。對(duì)比可得脈沖電動(dòng)修復(fù)的電解效率高于恒直流電動(dòng)修復(fù)的電解效率。

2.2 陰極電導(dǎo)率

兩種電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中陰極電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)大致相似(見(jiàn)圖3)，均為陰極電導(dǎo)率隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增大，且脈沖電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中陰極電導(dǎo)率總體值略高于恒直流電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中的陰極電導(dǎo)率。

圖3 陰極電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化

兩種電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中陰極電導(dǎo)率相對(duì)增長(zhǎng)率隨時(shí)間的變化如圖4所示。

圖4 陰極電導(dǎo)率相對(duì)增長(zhǎng)率隨時(shí)間的變化

相對(duì)增長(zhǎng)率(RGR)計(jì)算方式為

(1)

式中，RGR為陰極電導(dǎo)率相對(duì)增長(zhǎng)率；Kp為脈沖電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中的陰極電導(dǎo)率；KD為恒直流電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中的陰極電導(dǎo)率。

由圖4可得，隨時(shí)間增加，陰極電導(dǎo)率相對(duì)增長(zhǎng)率以極緩慢的速度升高，在此修復(fù)過(guò)程中，陰極電導(dǎo)率相對(duì)增長(zhǎng)率為29.9%～31.5%。即在對(duì)鎘污染濃度為69.1 mg/kg的土壤樣品進(jìn)行對(duì)比性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以陰極電導(dǎo)率為指標(biāo)間接反映修復(fù)效果時(shí)，與恒直流電動(dòng)修復(fù)法相比，在相同修復(fù)時(shí)間內(nèi)，脈沖電動(dòng)修復(fù)法的修復(fù)效果提高了29.9%～31.5%。

2.3 土壤中鎘的殘留量

經(jīng)脈沖電動(dòng)修復(fù)和恒直流電動(dòng)修復(fù)60 h的處理后，土壤中鎘的殘留量如圖5所示。

經(jīng)脈沖電動(dòng)修復(fù)和恒直流電動(dòng)修復(fù)兩種修復(fù)方法60 h的修復(fù)后，土壤中重金屬鎘的含量均低于初始值，且均從陽(yáng)極向陰極逐漸升高。即土壤中重金屬鎘離子從陽(yáng)極向陰極遷移，并富集在陰極附近區(qū)域。與恒直流電動(dòng)修復(fù)相比，脈沖電動(dòng)修復(fù)處理后的土壤中的鎘含量更低，即具有更高的去除效率。脈沖電動(dòng)修復(fù)和恒直流電動(dòng)修復(fù)處理后土壤中重金屬鎘的去除率對(duì)比分析如表2所示。與恒直流電動(dòng)修復(fù)法相比，脈沖電動(dòng)修復(fù)法處理之后土壤中鎘的去除率提高29.6%～31.0%。

圖5 電動(dòng)修復(fù)結(jié)束后土壤中鎘的殘留量

表2 兩種電動(dòng)修復(fù)后土壤中鎘的去除率 %

2.4 電流

采用脈沖和恒直流兩種供電方式分別對(duì)重金屬鎘污染土壤進(jìn)行電動(dòng)修復(fù)，修復(fù)過(guò)程中，兩種不同供電方式下電流隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6所示。

圖6 電流隨時(shí)間的變化

如圖6所示，脈沖電動(dòng)修復(fù)下的電流和恒直流電動(dòng)修復(fù)下的電流隨時(shí)間的變化趨勢(shì)大致相同，均為在反應(yīng)前期，電流迅速升高，后隨著時(shí)間的增加而趨于穩(wěn)定。其中，脈沖電動(dòng)修復(fù)下的電流總體值略高于恒直流電動(dòng)修復(fù)下的電流。

2.5 能耗分析

電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中，采用恒直流電源和脈沖電源時(shí)能耗計(jì)算公式[4,9]分別為

(2)

(3)

式中，W是電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中單位質(zhì)量土壤所消耗的電能，(kW·h)/kg；ms是處理土壤質(zhì)量，kg；U是電壓，V；I是電流，A；t是修復(fù)時(shí)間，h；η是脈沖占空比。

經(jīng)過(guò)脈沖電動(dòng)修復(fù)處理和恒直流電動(dòng)修復(fù)處理后，達(dá)到相同修復(fù)效果時(shí)，即脈沖電動(dòng)修復(fù)處理和恒直流電動(dòng)修復(fù)處理過(guò)程中陰極電導(dǎo)率均為1 285 μs/cm時(shí)，脈沖電動(dòng)和恒直流電動(dòng)修復(fù)的電能損耗分別為2.9×10-3，7.4×10-3(kW·h)/kg。與恒直流電動(dòng)修復(fù)相比，在達(dá)到相同的修復(fù)效果時(shí)，脈沖電動(dòng)修復(fù)的能耗可節(jié)省60.8%。

3 結(jié)論

(1)脈沖電動(dòng)修復(fù)鎘污染土壤的修復(fù)效果優(yōu)于恒直流電動(dòng)修復(fù)鎘污染土壤的修復(fù)效果。

(2)與恒直流電動(dòng)修復(fù)相比，在相同的修復(fù)時(shí)間內(nèi)，脈沖電動(dòng)修復(fù)處理之后土壤中鎘的去除率提高29.6%～31.0%。

(3)與恒直流電動(dòng)修復(fù)相比，在達(dá)到相同的修復(fù)效果時(shí)(即脈沖電動(dòng)修復(fù)處理和恒直流電動(dòng)修復(fù)處理過(guò)程中陰極電導(dǎo)率均為1 285 μs/cm)，脈沖電動(dòng)修復(fù)的能耗可節(jié)省60.8%。