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近年来,由于我国重金属污染土壤的面积不断增加,污染程度不断加深,导致土壤重金属污染进入集中爆发期,并对民众的健康和社会的稳定构成了一定的威胁,因此,找到一种快速、可行的修复技术迫在眉睫。电动修复被作为一种非常具有前景的快速修复技术被提出。但是,由于在修复过程中添加的溶剂产生的二次污染和对土壤生态的破坏制约了其广泛应用。
在重金属土壤污染的研究中,重金属Cd、As所引起的土壤污染问题一直备受关注,其二者在土壤中分别以阳、阴离子形式存在,化学行为迥异,二者在土壤中的复合污染修复研究报道也甚少。因此,添加溶剂对复合型重金属的土壤电动修复效果影响与机理研究有重要的学术价值和实践意义。
本文以环境友好的生物型表面活性剂鼠李糖脂做为提高电动修复效率的添加剂,开展电动修复技术处理Cd、As以及Cd-As污染的模拟土壤的研究。研究不同鼠李糖脂溶液的浓度(10 CMC-160 CMC)、酸碱度(pH=4.8,10)以及以土壤预处理剂和阴极添加剂2种添加方式对电动去除重金属Cd、As以及Cd-As效率的影响,探讨鼠李糖脂溶液对土壤中重金属Cd、As以及复合重金属Cd-As的活化机制,并以去除土壤中Cd为例,在富集点填充以粉煤灰陶粒做为吸附剂的可渗透反应墙,探讨电动修复+可渗透反应墙联用技术去除富集重金属的可行性,试验结果表明:
1)Cd污染土壤修复中,当pH=10的鼠李糖脂做为阴极添加剂,鼠李糖脂溶液能够在靠近阴极的修复区域与重金属Cd形成带负电荷的复合物,而抑制其在碱性条件下形成氢氧化物沉淀,并向阳极进行迁移,导致重金属Cd在整个土壤修复区域的5/8(靠近阴极侧)处产生富集,最大富集倍数为初始值365.63 mg kg-1的4.41倍。
中等浓度的鼠李糖脂(20 CMC-80 CMC)对重金属Cd有着很好的富集能力,富集倍数均为初始值的4倍以上。在富集点以3g粉煤灰陶粒做为吸附剂的可渗透反应墙能进一步去除富集的重金属Cd,可将此富集点的Cd的富集倍数由4.15降至0.58,整个土壤重金属Cd总去除率为38.84%,其中可渗透反应墙的对去除率的贡献比为86.71%,证明了电动修复+可渗透反应墙可实现重金属富集到去除的过程。
低浓度(10 CMC)和高浓度(160 CMC)的鼠李糖脂溶液均会导致重金属Cd的富集效率下降,富集倍数分别为2.37和2.25。此外,阴极添加剂的鼠李糖脂溶液的酸碱度以及碱性鼠李糖脂溶液的不同添加方式对重金属Cd都有着相似地迁移富集规律和富集量。但以pH=4.8,浓度为20 CMC的鼠李糖脂溶液作为预处理剂,重金属Cd并未出现富集现象,而是迁移到阴极电解池中,使去除效率达到了49.27%。
2)As污染土壤修复中,鼠李糖脂溶液形成的胶束能够增大土壤固相氧化物表面与砷负阴离子之间的静电斥力,抑制其在酸性条件下被氧化物专性吸附,同时,还可提高电渗迁移效率。
碱性鼠李糖脂溶液(pH=10)无论作为土壤预处理还是阴极添加剂都能提高电动修复重金属As效率,其去除率分别达到了23.76%和28.53%。但作为阴极添加剂酸性的鼠李糖脂溶液(pH=4.18)降低了重金属As的电动去除效率,最大去除率也仅有8.93%,酸性条件下作为阴极添加剂鼠李糖脂的浓度对重金属As的去除率未有显著的影响。
酸性鼠李糖脂溶液(pH=4.8)作土壤预处理剂能够在整个土壤修复区域的5/8(靠近阴极侧)处富集重金属As,其富集程度约为初始值401.29 mg kg-1的2.17倍。
3)Cd和As复合污染土壤中,重金属Cd2+与H2AsO4-在强酸性的条件下可形成带正电荷的Cd(H2AsO4-)+离子化合物,在酸性和碱性的条件下可分别形成Cd(H2AsO4)2和CdHAsO4沉淀化合物。重金属As可在鼠李糖脂溶液作用下通过Cd2+的架桥作用形成不带电荷的可溶性络合物。
碱性的鼠李糖脂(pH=10,20CMC)做为阴极添加剂能同时增大复合污染土壤中重金属Cd、As的去除效率,Cd、As总去除率分别为58%和19.63%。因此,在碱性鼠李糖脂溶液的作用下,电动修复同时去除重金属Cd、As是可行的。
鼠李糖脂作为土壤预处理添加剂使重金属Cd的去除率降至29%-31%之间,酸性鼠李糖脂溶液(pH=4.8,20CMC)无论作为土壤预处理还是阴极添加剂均未能提高重金属As的去除效率,其去除效率均在4%以下。