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电场作用下重金属污染物的迁移转换

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学社皮皮 发表于 2019-9-17 14:50 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
假设将水饱和土壤视为一个简单的固/液相系统,电动力修复的根本途径是:重金属污染物在一系列的电化学的作用下,转变为离子和可溶态进入液相系统;重金属污染物在电场的作用下以液相系统(水)为介质通过离子迁移和电渗定向迁移出土壤。根据以上推断,就可以将电动力修复机理分为两个过程来进行探讨。
% \$ \+ b) M. Y) \6 p2 L" u
" |/ u6 B5 l: j5 a  Z% e% ^8 l2 v4 W(1)不同形态的重金属污染物转换为可溶态,从固相系统(土壤)进入液相(水)系统;
9 }" z, [6 i8 K- T- @
. _% K- }) a2 ?- [9 P" l* J* L+ f! A* p(2)液相系统中的重金属污染物在电场力的作用下,通过电渗和离子迁移定向迁移出土壤,并富集于阴极区。2 ^) I& c6 S6 c. \& M* r. t' k2tech.cn

4 C5 ^' Q- O- {' p/ N2 j" V2 _) o根据上面提出的两个过程,可以系统完整地探讨电动力修复中各种影响因素对这两个过程的影响。9 s( W7 e/ V9 x5 }& c2tech.cn
0 F) C7 W+ A( t2tech.cn
影响土壤中重金属存在形态的主要因素

3 Z- h7 @. c+ |: p0 J) W1 E9 N5 P: G+ C2tech.cn
(1)重金属污染物在土壤中有可交换态、碳酸盐态和氢氧化物、铁锰氧化物结合态、有机结合态和痕留态等5种存在形态。对于可交换态来说,土壤内的阳离子(含H+)浓度可直接影响它的含量,而对于后4种存在形态来说,土壤的pH值可直接影响着4种存在形态的含量,因此,土壤的pH值是影响重金属存在形态的主要因素之一。
% J! ?  ~5 y3 P2 K
  l- [; |6 A" L" H, L' ](2)根据溶质的溶解平衡,单位质量土壤的溶质的量可直接影响单位土壤溶解的污染物的量,因此土壤含水率也是影响重金属存在形态的主要因素之一;. p# s0 I9 a, f  z6 c$ I# f2tech.cn
0 [% @/ S# ]6 o0 Q' O7 @2tech.cn
1.1土壤pH值对重金属存在形态的影响* C3 f1 [) w4 {" c2tech.cn
8 U  J# H' \& N) t, i* }+ n2tech.cn
重金属的沉淀与溶解作用是土壤中重金属迁移的重要形式,可以根据浓度积的一般原理,结合环境条件(pH值),来了解其变化规律。以氢氧化物沉淀为例,若不考虑其它反应,可写成以下的平衡反应式:, ~: I" W3 X7 q, r6 v$ X: d4 I3 _: R2tech.cn
: ?( r0 L  c, }' a/ X3 S2tech.cn
环境学社1.jpg . O* v* r7 ~" k0 c$ m  \2tech.cn
5 u  ~1 m' L, f% [  {2tech.cn
由公式2可知,土壤中重金属阳离子浓度的对数与土壤pH值成反比,即土壤酸性越强,土壤中的重金属离子浓度越高。
, j5 i( u) j* _9 C% {# [/ o0 H  Z; x: D3 O, I- N0 _2tech.cn
据Bobby研究表明,土壤pH值越低,土壤中的重金属溶出率越大。/ [3 O7 i' r! P* ?6 \1 u2tech.cn
9 Z0 z2 T5 o) s! z) U8 O' v2tech.cn
1.2土壤含水率对重金属存在形态的影响& ^" `& U( D2 O& A2tech.cn
" I% ^9 c; |$ L+ H' z2tech.cn
对于任何一种重金属,无论以哪一种形态存在,在一定的条件下,它都有一个饱和溶解度(k)。而对于土壤这种固/液相系统来说,单位土壤溶解某种重金属的质量可用下面的公式表达:
& R1 A2 A. E$ t: C8 \) h* I4 e& n; Y5 V( o" u& c' k2tech.cn
环境学社2.jpg 0 d& k9 Z0 s5 K8 g" H' g: D- j2tech.cn

: h7 I2 V1 ~& j式中,N一单位土壤溶解某种重金属的质量;7 v/ [7 U$ I, Q! N: b7 n2tech.cn
        m一土壤的质量,kg;6 R% d3 |' j& {: b2tech.cn
        H20%一土壤的含水率;
5 {/ F: K% `- M* ~/ M% X/ O0 s1 ^        ki—某一种金属在不同存在形态下的饱和溶解度。
. H! P3 A. J3 [# X% L! u( Y+ ]) c& T3 e( d) i) W8 p! @( n2tech.cn
由公式可知,单位土壤溶解重金属的量与含水率成正比。7 M4 b5 t* P# i4 g/ g2tech.cn

$ o' K/ x+ L5 _" N
影响重金属污染物迁移的主要因素

- G2 m$ p8 l, I! e' J! y2 @* z2 D2 W- w- M3 w# X; F6 |4 [2tech.cn
电动力修复过程中,污染物主要是通过离子迁移和电渗这两种电化学过程进行迁移。! z1 \1 q; S, n! s  Y0 T6 a2tech.cn
" e9 j. q6 u6 a4 c" {2tech.cn
1、影响离子迁移的主要因素5 O& w& L* U5 ]1 @2 i  O  K' L2tech.cn

0 w. i. i0 N" y: ^* |/ G7 `在溶液中,离子在电场作用下的迁移速率可以写作:
4 z/ S9 p" K' L- j. K9 c+ _5 M5 x- Y
& g% s" p5 Z. Y2 d$ k3 x9 _2 L$ o' G 环境学社3.jpg
+ W2 Z; T  o7 J0 _- m1 Q0 r- L! |) C! B' L8 j2tech.cn
式中,U-离子淌度(离子迁移率),m2/s/V;/ x1 Y+ c% R7 E* k! r; e2tech.cn
        dE/dl—电场强度,V/m。
5 q& t: `  D+ r" g$ i' r+ t
0 |% c- w/ U) \; @由于土壤是一个复杂的固/液相多组分系统,离子在土壤中的迁移速率更为复杂。
1 y8 W/ E" f9 G6 o: h2 [- J' D5 {! d# v. H2tech.cn
假定土壤为均质土壤,土壤毛细孔扭曲系数为τ,那么,离子在土壤中的迁移速率r可写作:# @( l5 E& D  T5 Y2tech.cn
% u" a9 o! H. T( Q* q5 F+ f/ i2tech.cn
环境学社4.jpg
& D: S$ @3 `2 Q$ E7 L! _' K* I# u0 T0 h& r; f% I2tech.cn
式中,I—电流,A; R—电阻,Ω。1 G0 P8 ?" k% N2 W6 W: q2tech.cn
0 V" o. c5 p! X& c! g' S2tech.cn
环境学社5.jpg * _5 r* |: k8 l7 S$ u2tech.cn
! X4 {5 R% N9 H* }2tech.cn
式中,k—电导率,s/m; c一离子浓度,mol/L; A—溶液的截面积,m2; Λm一摩尔电导率,s*m2/mol;+ r! k; m+ y$ N3 W& E/ B) f1 B6 D2tech.cn
        β—在一定温度下,对于指定的溶质和溶剂来说,为常数; α一离子的电离度;
1 o' U* {# t# W- W 环境学社7.jpg —极限摩尔电导率,s*m2/mol。% w; D6 s* f6 @8 \  C2tech.cn
把下式代入上式得,
* v4 `% S2 S$ z3 W. ^. x' R4 e) o" o  K, m/ k" _" ]' q/ E2tech.cn
环境学社1.jpg
0 H6 }: }  v" }. |0 G: p5 s# v+ J! K( ~1 T, @2tech.cn
那么单位土壤的重金属离子迁移通量可用下式表达:
. _! s6 W8 @, p7 H8 S! P
  O& `% U6 c  U# m6 U8 P( h% C 环境学社8.jpg 1 U5 \4 Q3 G) U$ ]2tech.cn
4 o0 M+ w- ?, I% J) H7 o- v! Z2tech.cn
对于指定的重金属离子和特定的土壤来说,:τ、U+、I、和β均为常数,因此有重金属离子迁移通量和重金属离子的浓度成递增关系。3 ?" O/ U2 e% |4 Z8 {2tech.cn
. b; H6 h4 }( Q! ?8 s2tech.cn
由于土壤pH值越低,土壤中的重金属离子浓度越大,因此,土壤pH值是决定土壤中重金属去除效率的主要因素。
+ R7 Y) H$ n  K$ t7 R6 f1 M4 Y3 f5 I4 s" I4 s6 w2 F! V2tech.cn
在电动力修复过程中,整个土壤区域是一个非均质系统,具体表现在:
$ o$ w5 p# M9 _4 t4 `; D! c' ]% g/ J: ]  Y2tech.cn
(1)土壤内部温度不均一;- s) V2 H8 F8 {) {7 r  X2tech.cn
(2)土壤毛细孔扭曲系数为τ不均一。! a0 ^* y7 x* ?3 D# r% {+ h" ^2tech.cn

* T$ L& z& t& B4 n# M2 ^/ }. ?因此,对于实际修复过程来说,除了pH值之外,土壤温度变化和物理化学性质对电动力修复效率均会产生影响。
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精彩评论1

 楼主| 学社皮皮 发表于 2019-9-17 14:51 | 显示全部楼层
2、影响电渗的主要因素
; e+ ?% D8 e# J$ [1 w3 q7 `" c% z( T$ P0 v% S. z* H2tech.cn
电渗是指在外加电场作用下,分散介质通过多孔膜或极细的毛细孔向阴极移动,即固相不动而液相移动。在电动力土壤修复过程中,单位面积内的电渗流通量Je。可用下面的公式表达:+ ]: c4 x' D5 O* C' P# ^2tech.cn

. s6 Z. G) Y7 A8 U2 g 环境学社1.jpg
$ Y- O  y4 A+ L2 O* G: e4 @
2 H; `5 U9 d  P% q1 F0 x# o! ]式中,n—孔隙率; Cj—化学物质的质量浓度; Cw—水的质量浓度(约=1);
  i- K4 ^6 @: W7 V% [) l4 a 环境学社2.jpg —有效电导率;
. N; p* ^8 F8 }# d        e一介质的介电常数; ζ—固液界面的电极电位; A、B—均为常数; η—流体的粘度系数; Ct一电解质的总浓度。
* }9 C- [4 B. N/ y& X" R: f7 ^
$ e, h# A! V4 u; V. v由公式可以看出,土壤电渗通量与土壤的的物理化学性质(孔隙率、含水率、介电常数和 ζ电位)有很大的关系。
4 S! E1 ~9 H9 v, Y5 k/ ^
7 L+ K" F! c8 ^# P# t; F电动力修复过程中,由于蒸发作用和电渗流导致土壤的含水率下降,这不利于电渗。
+ `% S  X% _! p" O
% w9 w4 |- ]* ~$ ~0 V低的土壤pH值增加液相系统中污染物质的含量从而有利于土壤修复,但是随着修复时间的增加,会引起土壤内电解质的总浓度增加,使得 ζ电位改变符号,进一步引起逆向电渗(电渗流从阴极流向阳极),这也不利于土壤修复。
! ?' k5 r1 h4 [$ a9 f" J" ^/ [" s9 h+ w- Z$ P! p. |2tech.cn

% Y% B3 D2 Z0 r$ K/ N5 L  t- s
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