淋洗与电化学还原联用技术处理重金属污染土壤的研究

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本研究提出一种淋洗与电化学还原联用技术的重金属污染土壤修复方法。旨在探究联用技术中不同螯合剂种类、螯合剂浓度以及不同电流条件(电流值和电流模式)下土壤镉(Cd)和铅(Pb)的去除性能和机制。本研究选用某矿区周边污染土壤作为修复对象,一方面比较了不同类型的螯合剂在单独淋洗与联用技术下对土壤pH值、电导率(EC)及重金属去除效率的影响,筛选出处理效果较好、运行成本较低的螯合剂—联用修复体系,阐明联用技术下土壤重金属的迁移路径和螯合剂循环再生途径。另一方面分析了乙二胺四乙酸(EDTA)—联用修复体系下,不同EDTA浓度、电流值和电流模式对重金属传质过程、电沉积效率和重金属形态的影响。通过研究联用技术下不同操作条件对土壤性质、重金属去除效率、重金属形态以及成本等因素的分析,优选出经济效益最高的联用技术运行参数。主要研究结果如下:(1)螯合剂种类对重金属去除效率的影响与单独淋洗相比,联用技术下氨基多羧酸类螯合剂最大可将Cd和Pb的去除效率提高15.24%和27.05%;淋洗废液对Cd和Pb的再淋洗能力达到淋洗原液的60.47%~96.24%和73.48%~80.39%。小分子有机酸最大可将Cd和Pb的去除效率提高5.31%和10.24%;淋洗废液对Cd和Pb的再淋洗能力达到淋洗原液的14.39%~16.78%和21.1 2%~39.81%。表明,联用技术能有效地提高重金属的去除效率,且氨基多羧酸类螯合剂更适用于联用修复体系。(2)EDTA—联用修复技术运行参数对重金属去除效率及形态分布的影响联用技术可以将土壤中的重金属进一步去除,不同的运行参数(EDTA浓度,电流值,电流模式)下重金属的去除效率各不相同。总体上来看,Pb的去除效率高于Cd,EDTA浓度和电流值越大重金属去除效率越高,电流模式几乎不影响重金属的去除效率(p>0.05)。EDTA单独淋洗可有效去除土壤中可交换态重金属,且浓度越大去除效果越明显。低浓度EDTA淋洗对于可还原态、可氧化态和残渣态重金属去除能力有限。EDTA—联用技术下土壤中可交换态和可还原态重金属含量大幅度下降,可氧化态和残渣态重金属占比升高。电化学还原技术的引入使土壤中可还原态重金属被有效去除,电流值越大去除效果越明显。(3)EDTA—联用修复技术不同电流模式对传质过程的影响与连续通电(CC)模式相比,脉冲电流(PC)模式处理后上壤悬液上清液中的Cd从 0.186 mg 下降到 0.059~0.090 mg,Pb 含量从 5.163 mg 下降到 1.226~1.991 mg。PC模式下阴极平均电沉积Cd和Pb的质量分别是CC模式下的1.44倍和1.37倍。采用不同的电流模式会影响土壤悬液上清液与阴极电解板之间的传质过程。CC模式下长时间的电子输送会使阴极累积大量电子,促使土壤悬液中的H+还原,产生的H2屏障导致从土壤颗粒表面溶出的重金属滞留在土壤悬液中,阻碍传质过程。相比之下,PC模式能够打破连续通电模式下的传质屏障,促进土壤悬液上清液与阴极表面之间的传质过程,改善电沉积镀层的晶粒结构,降低运行系统的电能消耗。(4)联用技术协同增强效应机理联用技术的协同增强效应一方面体现在螯合剂在阴极的再生循环,达到多次淋洗土壤重金属的目的;另一方面联用技术可促进土壤中可还原态重金属深度去除。螯合剂种类不同,协同增强效果也不一致。影响协同增强效果的主要因素包括螯合剂本身的螯合能力,土壤pH值以及螯合剂在阴极的电沉积速率等。(5)联用技术成本效益分析联用技术中,氨基多羧酸类螯合剂和小分子有机酸类螯合剂在电能消耗上相差不大。在药剂费用方面,氨基多羧酸类螯合剂总体高于小分子有机酸类螯合剂。使用N,N-双(羧甲基)谷氨酸(GLDA)和亚氨基二琥珀酸(IDS)作为淋洗剂可以达到较高的重金属去除效率,但高昂的药剂费用限制其大范围的推广使用。柠檬酸(CA)和草酸(OA)的药剂费用较低,但在联用技术下重金属去除效率相对较低。相比之下,EDTA—联用修复体系最经济有效。48小时内EDTA—联用修复体系最经济有效的运行参数为:EDTA—10mM—PC—0.032A—32 min on/16 min off,其中 Cd 和 Pb 的去除效率分别为47.56%和77.00%,电能消耗为8.24 Wh。
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