鉻污染土壤電動修復技術影響因素

鉻（Cr）是一種銀白色金屬元素，自然界一般不存在游離態(tài)的鉻，鉻元素在地殼里的濃度范圍為80～200毫克/公斤，鉻化合物是重要的無機化工產品，是人類生產生活的重要基礎材料，在社會發(fā)展中，具有不可替代的作用。鉻及其化合物對生命體有較大毒性，其中六價鉻具有“三致效應”可在人體內積累。近年來隨著鉻化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，大量含鉻廢水、廢渣、廢氣排放到環(huán)境中去。我國有約400萬畝耕地因鉻污染而廢耕，約3000萬畝耕地存在鉻污染風險。土壤鉻污染后果嚴重，影響長遠，而修復效果滯后，探究高效鉻污染修復技術是許多國家優(yōu)先選項、也是污染治理領域亟需突破的技術瓶頸。目前鉻污染土壤的修復主要從物理、化學、生物及其交叉領域著手，電動修復技術是基于物理原理的電化學修復方法，具有費效比低，操作簡單，耗時相對較短，去除效率高、對土壤結構、地形地貌、地面景觀、地表植被破壞小等優(yōu)勢。電動修復適用于低滲透性，低氧化還原電位，高陽離子交換容量和高粘度土壤。為了提高修復效率，國內外學者進行了大量的理論和應用研究，并取得了一些進展。

1 含鉻污染物性質

土壤中的鉻元素的化合價主要是三價和六價，以六價為主。Cr（Ⅲ） 主要以Cr（H2O）3 +6等陽離子的形式呈現(xiàn)，以沉淀形式存在;Cr（Ⅲ）的氫氧化物、碳酸化物均為沉淀形式，Cr（VI）主要以Cr2O2-7 、CrO2-4 等陰離子的形式呈現(xiàn)，在很大的pH范圍內均為可溶，不易被土壤顆粒吸附。不同價態(tài)的鉻對應的反應機理不一致，導致修復的難度提高。一定條件下，天然土壤中以Cr（Ⅲ）和Cr（VI）形式存在的鉻，可通過絡合、溶解沉淀、氧化還原、吸附解吸等過程發(fā)生遷移和轉化。土壤中遷移和轉化主要受土壤pH值和氧還化原電位（Eh）的制約和影響，例如土壤中Cr（Ⅵ）在有機質等還原物質作用下，易被還原為Cr（Ⅲ） ，并轉變?yōu)橛袡C結合態(tài)和沉淀態(tài)等存在狀態(tài)固定下來，失去移動性。

尹晉等研究了土壤中鉻的價態(tài)對電動修復效率的影響，對于污染濃度均為1克/公斤的Cr（VI）、Cr（Ⅲ）污染土壤，Cr（T）去除率分別達到了59.7%、6.2%、Cr（VI）、Cr （Ⅲ）均勻混合污染的土壤樣品修復率則僅為18.7%，Cr（Ⅵ）的可提取形態(tài)受影響最大， Cr（Ⅲ）的可提取形態(tài)幾乎不受影響。李青青等采用BCR四步連續(xù)提取法對電動修復前后鉻污染土壤中鉻的形態(tài)變化進行分析，結果表明，可氧化態(tài)和弱酸可提取態(tài)的鉻受到了較大影響，去除率較高，而殘渣態(tài)影響輕微，含量幾乎不變。

2 電流電場特性

早期研究多采用的是均勻電場，有文獻報道表明均勻電場具有一系列不足，易致土壤固化、酸化，隨著反應進行到一定程度，費效比迅速升高，而采用非均勻電場則能彌補這些不足，并可以加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在酸性條件下，采用弱直流電透過被污染的土體，若使用較大直流電，效果則降低，因為電流的熱效應導致土壤溫度升高而影響去除效率。間歇直流電能夠減少電極腐蝕和降低陽極的電能消耗，不影響去除效率。電場的應用方式和電壓梯度對效率有一定影響，Zhang P等使用水平電場和垂直電場形成的二維疊加電場對鉻污染土壤進行了電動修復研究，孟凡生等對受鉻酸鉀污染的高嶺土進行了電動修復研究，發(fā)現(xiàn)電壓梯度范圍為1～1.5V/厘米時修復效果較為經濟有效。邵友元等以黏土為研究對象，通過正交試驗和對比試驗研究發(fā)現(xiàn)，電壓梯度是首要影響因素，其次為兩極pH，電極形狀。

3 電極材料特性

陽極電極材料應選用石墨、金、銀、鉑、鈦合金等惰性材質，通常使用石墨電極，陰極通常使用普通金屬電極，也可用石墨等材質，研發(fā)新型電極是未來突破電動技術瓶頸的關鍵技術之一。

蘇鳳等以鐵作為陽極，石墨作為陰極對鉻污染黃土進行了電動修復研究，結果發(fā)現(xiàn)，Cr（Ⅵ）還原為Cr（Ⅲ）占主導反應，鐵作為陽極可以增強陽極的還原反應，提高電動修復的去除率。劉崢等采用鈦—鐵雙陽極去除電鍍廢水中Cr（Ⅵ）進行了研究，去除率最高達96.57%。付融冰等將零價鐵、沸石等活性材料附著在電極上構成可滲透反應復合電極對鉻的去除效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)在鉻的去除效果及pH控制方面都有明顯的改善和提高，胡士勤等通過發(fā)明一種使用塑料電極構成的電動修復系統(tǒng)，具有快速降低重金屬含量，環(huán)境友好的優(yōu)點。蔡宗平等采用不同電極材料（石墨、不銹鋼和鈦板）對尾礦附近的土壤進行電動修復，研究了修復效率及土壤pH隨時間的變化情況。

潘大偉等發(fā)明一種以活性炭構建復極性電動反應裝置，Cr（Ⅵ）、Cr（T）去除率可以達到84.1%～89.6%、74.2%～81.5%。孫孝慶以活性炭構建復極性電極能夠使Cr（Ⅵ）還原成Cr（Ⅲ），活性碳可以和水解產生的氫離子發(fā)生反應，以降低土壤pH和氧化還原電位，若采用鐵屑構建復極性電極，會達到同樣的效果，只是反應機理有些區(qū)別。

4 電極布置及構型

電極平面布置一般采用三角形、正方形和六邊形，范向宇等通過對幾種布置形式的分析比較得出“中”字形和六邊形為最優(yōu)布置形式，劉芳等從電場強度的有效性角度出發(fā)進一步指出，1-D-1型的正方形是一維電極構型最優(yōu)選擇，2-D-3型的正六邊形是二維構型中最優(yōu)的電極構型，土壤pH值的變化、重金屬的去除與電場強度的分布有密切關系。近年來，有研究者采用3-D電極系統(tǒng)結合活性炭電極構成的電動修復系統(tǒng)對受鉻污染土壤進行修復研究;Yan Y等使用活性碳鐵離子作為第三極，Cr（Ⅵ）的去除率為80.2%;F Xued等通過將二維電極與具有石墨電極作為第三電極的可滲透反應屏障（PRB）耦合來研究鉻污染土壤的三維電動力學修復，對污染土壤的浸出效率和去除率均有較好的效果。

作者簡介：王春風，男，碩士研究生，農藝師。研究方向：農業(yè)技術研究推廣及土壤修復。