专利名称：预防土壤及地下水电动修复聚焦现象的方法
技术领域：
本发明涉及如何在污染土壤和地下水电动修复过程中预防或减弱聚焦现象发生的方法。
背景技术：
当工业生产过程中产生的废水和固体废物进入土壤时，会导致土壤和地下水的污染，当该场地改为居住、农业等用地时，必须进行土壤和地下水的修复，消除其中的污染物。土壤和地下水修复的主要方法有(1)物理修复物理分离修复、固化/稳定化修复、蒸汽浸提修复、电动修复等；( 化学修复化学淋洗修复、溶剂浸提修复、高温焚烧修复、氧化还原修复等；C3)生物修复预备床法、土壤堆腐法、泥浆生物反应器法、土地耕作法等。按照土壤是否要挖掘，这些技术可分为原位(in situ)修复技术和异位(ex situ) 修复技术。原位修复技术又可分为原位处理技术和原位控制技术。原位处理技术是指通过物理、化学、生物等方法在原位将污染物从土壤和地下水中去除；而原位控制技术是指通过各种方法将污染物限制在原位的一定区域内阻止其向外扩散。异位修复技术是指将污染土壤从原来的位置挖出来在场地内的某个地方或场地外某个地方进行修复或控制填埋。电动修复技术是利用电化学原理(图1)，在污染土壤1、2、3的两端插入正电极4 和负电极5，形成直流电场，在电场作用下，土壤和地下水中的污染物(主要是以离子态存在的重金属污染物)根据各自所带电荷的不同而向两电极迁移(即电迁移)，最后进入电极工作液中，实现将污染物从土壤和地下水中去除的目的。电动修复技术通常作为原位修复技术进行使用。当采用电动修复技术对污染土壤和地下水进行原位修复时，通常会发生聚焦现象 2(图1和图幻，S卩目标污染物在修复场地内的某些区域2积聚，导致这些区域污染物浓度异常增高，可高达电动修复前浓度的数倍。聚焦带出现的位置与污染物浓度的初始分布情况并无直接关系，即重金属初始浓度高的区域并不一定是聚焦带出现的位置。聚焦位置出现的不确定性和超高浓度为场地修复后的验收采样和评估工作带来了巨大的困难。此外，聚焦带的移动速度非常缓慢，远远低于重金属在非聚焦带的移动速度，导致整个场地电动修复时间延长数倍、电耗也相应增加数倍。电动修复的研究至今已有近三十多年的历史， 实验室研究有大量成功案例，但极少见到工程实际应用，聚焦现象导致的实地修复效果、费用及时间的不稳定性是其主要原因之一。对于聚焦现象产生的机理鲜见专门的研究，一般认为是由于重金属离子在迁移过程中与Off离子或其他阴离子发生反应生成沉淀的结果， 但这无法解释只要施加足够高的电压、通电时间足够长，聚焦带依然可以缓慢定向移动的现象(沉淀物是电中性，是不会在电场作用下定向移动的)。本专利申请人经过长期的研究证明，电动修复过程中聚焦带2的形成并不是一种化学反应现象，而是一种物理现象，只有在重金属离子由低电导区域1电迁移进入高电导区域3的情况下才会发生，位置在两个区域的交界处3。这是由于阳极4和阴极5之间的低电导区域1和高电导区域3为串联关系， 导致低电导区域1上的电压梯度高于高电导区域3，而重金属离子在土壤中电迁移速率与施加在土壤上的电压梯度(电场强度)成正比，因此，当重金属离子从高电压梯度区域(即低电导区域1)电迁移进入低电压梯度区域(即高电导区域3)时，迁移速度陡降，在两个区域的交界处2聚集形成聚焦带(就像汽车从快车道突然进入慢车道形成的塞车现象一样)。 高电导区与低电导区的电导差异越大，聚焦现象越严重，而且高电导区的电导越大，聚焦带的移动越慢。但如果重金属离子从低电压梯度区域(即高电导区域幻电迁移进入高电压梯度区域(即低电导区域1)时，就不会发生聚焦现象(就像汽车从慢车道突然进入快车道不会形成塞车现象一样)。这种由于土壤水中离子浓度的不同引起的土壤电导不同，进而导致电动修复中电压梯度不同的情况称之为离子诱导电压阱捕集效应(ion-induced potential well trapping effect)。在含水率相同的情况下，土壤电导的高低主要由土壤水中离子的总浓度决定，这些离子包括K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Cl_、S042_、N03_等以及作为修复目标污染物的重金属离子。通常，重金属离子在其中所占的比例非常低(百分之几到万分之几)，因此，仅依靠目标重金属离子的浓度一般不能判定土壤电导的高低，需要实际测量。天然场地由于土壤理化性质的不均性导致其土壤电导分布也不均勻，在场地上建设了工厂之后，由于建设和排污的影响，整个场地电导分布的不均勻性进一步加大，因此， 在污染土壤和地下水的电动修复过程中，聚焦现象或轻或重地普遍存在。此外，在电动修复过程中如果电极工作液控制不当，也会导致在电极附近土壤中发生聚焦现象(图2)。电极工作液6中加入电解质的主要目的是为了导电或中和电解产物(如H+离子和0H—离子)。但如果电解质浓度高了，会导致由电极工作液6扩散进入电极区土壤的电解质量大于由电极区土壤扩散进入电极工作液6的量，使得电极附近土壤电导升高，形成高电导区3。当这种电导升高幅度较大时，就会在电极附近土壤中发生明显聚焦现象2。
发明内容
根据上述聚焦现象发生的机理，本发明提出了一套共5个预防或减弱聚焦现象发生的方法方法一使电场方向与土壤电导梯度方向垂直(图3)。首先利用电压梯度预测法测量绘制场地内电动修复过程中潜在的聚焦带的位置，然后按照图3所示重新安排电极的位置，使电场方向(箭头方向)与电极之间土壤的电导梯度(3至1方向)垂直。此种电极排布方式使得低电导区1中的离子在电迁移过程中不经过高电导区3，预防了聚焦现象的发生。方法二采用高电导区在上游方向的电极布置方式。对于带正电的重金属离子 (要去除的目标污染物)使高电导区位于阳极端，低电导区位于阴极端(图4)；如果目标离子带负电(如Cr042—)则使高电导区位于阴极端，低电导区位于阳极端。方法三按电导的不同对场地进行分区修复(图5)。当两个相邻区域的电导差异较大、面积也较大时，可采用图5所示分区电动修复，使两个区的离子不跨区迁移，预防或减弱聚焦现象的发生。方法四采用低浓度电极工作液预防电极附近发生聚焦现象2(图。采用电解质浓度较低的电极工作液6 (如0. 05M的醋酸/醋酸钠缓冲液)，以防电极附近土壤的电导受工作液影响而升高，导致聚焦现象发生。方法五用清洁水做电极工作液预防电极附近发生聚焦现象2(图2、。当土壤中水溶性电解质浓度较高时，可用清洁的地表水或饮用水做电极工作液6加入电极池中，浸泡一段时间，使电极附近土壤中的电解质溶解进入电极工作液6中，使原先电导率非常低的地表水或饮用水导电，然后再通电进行电动修复。
图1 土壤及地下水电动修复聚焦带形成原理示意图。图2电极附近土壤聚焦带形成原理图。图3电场方向与土壤电导梯度方向垂直的电极排布示意图(顶视)。图4高电导区在上游方向的电极布置方式图5按电导不同分区修复示意图(顶视)。
具体实施例方式(1)首先，利用“土壤及地下水电动修复聚焦现象预测方法及装置”(见同时提交的另一发明专利)测量整个修复场地内的土壤电导分布的情况并预测可能发生聚焦现象的位置。(2)根据第一步的测量结果，结合场地的地形地貌等条件，分别或联合采用上文所述的5个方法预防或减弱聚焦现象的发生。
权利要求
1.一套通过对电极的合理布局预防或减弱污染土壤及地下水电动修复过程中发生聚焦现象的方法；其特征在于通过三种电极的合理布局来预防或减弱污染土壤及地下水电动修复过程中可能发生的聚焦现象；第1种电极排布方式是让电场方向与阳极和阴极之间土壤的电导梯度方向垂直，此种电极排布方式使得低电导区中的离子在电迁移过程中不经过高电导区，预防了聚焦现象的发生；第2种电极排布方式是让高电导区位于目标离子迁移方向的上游，对于带正电的重金属离子(要去除的目标污染物)使高电导区位于阳极端，低电导区位于阴极端，如果目标离子带负电(如Cr042_)则使高电导区位于阴极端，低电导区位于阳极端；第3种电极排布方式是按电导的不同对场地进行分区修复，当两个相邻的电导差异较大的区域面积都较大时，采用分区电动修复，使两个区的离子不跨区迁移，避免聚焦现象的发生。
2.一种通过对电极工作液浓度的合理控制预防或减弱污染土壤及地下水电动修复过程中在电极附近土壤内发生聚焦现象的方法；其特征在于通过两种对工作液浓度的合理控制预防或减弱由于电极工作液浓度控制不当导致的在电极附近土壤内发生聚焦现象；第1种方法是采用低浓度电极工作液(如 浓度不高于0. 05M的醋酸/醋酸钠缓冲液)，预防电极附近土壤的电导因工作液中电解质浓度高而升高，导致聚焦现象发生；第2种方法是将清洁的地表水、饮用水或当地地下水注入电极池中，浸泡一段时间后，电极池壁四周土壤中的电解质逐渐溶解进入池中，使电极池中的水电导升高，形成电极工作液，这时再通电进行电动修复，可预防电极附近土壤中发生聚焦现象。
全文摘要
本发明基于污染土壤及地下水电动修复过程中导致聚焦现象发生的离子诱导电压阱捕集效应提出了一套预防聚焦现象发生的方法，分2个类型共5种方法。第一类方法是通过对电极的合理布局来预防电动修复过程中聚焦现象的发生，共有3种方法，即(1)使电场方向与土壤电导梯度方向垂直；(2)将高电导区置于目标离子迁移方向的上游；(3)按土壤电导的不同对场地进行分区修复。第二类方法是通过对电极工作液浓度的合理控制预防在电极附近土壤内聚焦现象的发生，共有2种方法，即(1)采用低浓度电极工作液；(2)用清洁的地表水、饮用水或当地的地下水溶解电极池周围土壤中的电解质制成电极工作液。上述方法根据场地情况可组合使用。
文档编号B09C1/08GK102259111SQ20111008251
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者李 东 申请人:重庆大学