兩種電動修復的對比性研究

查振林 占淑嫻

(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

0 引言

電動修復過程中通常采用穩(wěn)壓或穩(wěn)流的方式供電。相關(guān)研究結(jié)果表明：較高的電流強度可以促進污染物的遷移，但修復過程中的能耗也會相對增加，能耗與電流的平方成正比[1-3]。有研究人員采用脈沖供電、陰陽極性互換供電、原電池、微生物燃料電池及太陽能電池等供電方式，以減少修復過程中不必要的電能損耗，提高電動修復的效率。在電動修復中，脈沖供電方式已被證實為一種節(jié)能降耗的供電方式。丁颯[4]首次采用脈沖供電方式對銅污染土壤進行修復研究，并將修復結(jié)果同同等條件下的直流脈沖修復結(jié)果進行對比，最終結(jié)果表明：脈沖電動修復銅污染土壤的效果優(yōu)于直流電動修復銅污染土壤的效果。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修復過程中產(chǎn)生的活化極化、電阻極化和濃差極化帶來的不良影響[5-6]。

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

1 材料與方法

1.1 實驗土壤、實驗儀器與藥品

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

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

1.2 實驗方案

將實驗土樣分多次加入到電解槽中，同時加入適量自來水，室溫條件下進行電動修復實驗，測定電流、pH值和陰極電導率等參數(shù)[7-8]。修復結(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(陰陽極中間區(qū))、A(陽極區(qū))，風干后檢測每份土壤中鎘的含量。對比實驗結(jié)束后土壤中鎘的殘余量和修復過程中的能耗，以此研究脈沖電動修復法與傳統(tǒng)恒直流電動修復法的優(yōu)劣。開展脈沖電動修復和恒直流電動修復實驗時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。具體實驗參數(shù)見表1。

圖1 實驗裝置工藝

表1 實驗參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值

恒直流和脈沖電動修復過程中，pH值隨時間的變化如圖2所示。

圖2 pH值隨時間的變化

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

2.2 陰極電導率

兩種電動修復過程中陰極電導率隨時間的變化趨勢大致相似(見圖3)，均為陰極電導率隨反應時間的增加而增大，且脈沖電動修復過程中陰極電導率總體值略高于恒直流電動修復過程中的陰極電導率。

圖3 陰極電導率隨時間的變化

兩種電動修復過程中陰極電導率相對增長率隨時間的變化如圖4所示。

圖4 陰極電導率相對增長率隨時間的變化

相對增長率(RGR)計算方式為

(1)

式中，RGR為陰極電導率相對增長率；Kp為脈沖電動修復過程中的陰極電導率；KD為恒直流電動修復過程中的陰極電導率。

由圖4可得，隨時間增加，陰極電導率相對增長率以極緩慢的速度升高，在此修復過程中，陰極電導率相對增長率為29.9%～31.5%。即在對鎘污染濃度為69.1 mg/kg的土壤樣品進行對比性實驗過程中，以陰極電導率為指標間接反映修復效果時，與恒直流電動修復法相比，在相同修復時間內(nèi)，脈沖電動修復法的修復效果提高了29.9%～31.5%。

2.3 土壤中鎘的殘留量

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

經(jīng)脈沖電動修復和恒直流電動修復兩種修復方法60 h的修復后，土壤中重金屬鎘的含量均低于初始值，且均從陽極向陰極逐漸升高。即土壤中重金屬鎘離子從陽極向陰極遷移，并富集在陰極附近區(qū)域。與恒直流電動修復相比，脈沖電動修復處理后的土壤中的鎘含量更低，即具有更高的去除效率。脈沖電動修復和恒直流電動修復處理后土壤中重金屬鎘的去除率對比分析如表2所示。與恒直流電動修復法相比，脈沖電動修復法處理之后土壤中鎘的去除率提高29.6%～31.0%。

圖5 電動修復結(jié)束后土壤中鎘的殘留量

表2 兩種電動修復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重金屬鎘污染土壤進行電動修復，修復過程中，兩種不同供電方式下電流隨時間的變化見圖6所示。

圖6 電流隨時間的變化

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

2.5 能耗分析

電動修復過程中，采用恒直流電源和脈沖電源時能耗計算公式[4,9]分別為

(2)

(3)

式中，W是電動修復過程中單位質(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是修復時間，h；η是脈沖占空比。

經(jīng)過脈沖電動修復處理和恒直流電動修復處理后，達到相同修復效果時，即脈沖電動修復處理和恒直流電動修復處理過程中陰極電導率均為1 285 μs/cm時，脈沖電動和恒直流電動修復的電能損耗分別為2.9×10-3，7.4×10-3(kW·h)/kg。與恒直流電動修復相比，在達到相同的修復效果時，脈沖電動修復的能耗可節(jié)省60.8%。

3 結(jié)論

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

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

(3)與恒直流電動修復相比，在達到相同的修復效果時(即脈沖電動修復處理和恒直流電動修復處理過程中陰極電導率均為1 285 μs/cm)，脈沖電動修復的能耗可節(jié)省60.8%。