原位淋洗技术在实验教学中的应用

白 静， 赵勇胜， 秦传玉

(吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室， 吉林 长春 130021)

原位淋洗技术在实验教学中的应用

白 静， 赵勇胜， 秦传玉

(吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室， 吉林 长春 130021)

为进一步完善污染场地控制与修复课程实验教学效果，自行设计了原位淋洗实验操作平台，以有机玻璃柱为模拟装置，以蠕动泵为流速控制单元，研究了不同实验条件下Cu2+的淋洗去除效果，结果表明：淋洗剂种类是影响淋洗效果的重要因素，柠檬酸和EDTA2Na的淋洗效果都比较好，EDTA2Na的淋洗效果最好； 淋洗流速在一定范围内上升，可以提高淋洗修复效果，但存在一个最适淋洗流速，超过该流速时，淋洗效果反而受制约；粗砂中Cu2+的淋洗效果要优于细砂，说明介质粒径较大时利于Cu2+的淋洗去除。

土壤污染修复； 原位淋洗技术； Cu2+； 实验教学

原位淋洗技术是修复土壤污染行之有效的原位修复技术之一，其修复机理主要是使淋洗剂在利用外力或自身重力作用下注入污染地层，增大污染物的水相浓度和迁移性，并通过设置抽提井或人工沟渠等收集和清除淋洗液[1]。淋洗液可以是水、表面活性剂/共溶(助溶)剂[2-4]、酸或碱溶液[5-6]、氧化或还原溶剂、螯合剂或络合剂[7-8]等。化学淋洗技术修复效率受淋洗剂种类[9-12]、淋洗条件[13]、污染物的吸附/解吸作用及地层介质共同影响。针对原位淋洗技术的修复机理及影响因素，结合污染场地控制与修复实验教学要求，设计了原位淋洗技术修复重金属污染土壤的实验操作平台，实验平台以有机玻璃柱为模拟装置，以蠕动泵为流速控制单元。学生自主选择影响淋洗效果的影响因素，自行设计实验方案、制定实施步骤，并完成整个实验。

原位淋洗技术修复重金属污染土壤实验，以硝酸铜为目标污染物，分析不同淋洗剂种类、淋洗条件和场地条件下土壤中Cu2+的去除效果。实验选定的淋洗剂种类有柠檬酸和EDTA2Na，同时以蒸馏水做对照实验。淋洗条件：3种不同的淋洗流速，分别为1、5、10 mL/min；场地条件为不同粒径的细砂和粗砂。通过上述实验过程，使学生更加充分了解原位淋洗技术的机理和影响因素。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

0.1～0.25 mm细砂、1～2 mm粗砂、硝酸铜、乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸、滤布、乳胶管、止水夹、0.22 μm水系滤头、10 mL注射器、100 mL烧杯、蠕动泵、10 mL离心管、原子吸收分光光度计、高速离心机等

1.2 实验方法

实验装置示意图见图1。实验在一维有机玻璃模拟柱(土柱)内进行，模拟柱内径5 cm、高30 cm，在模拟柱下端设有取样口。在模拟柱内底部的布水板以上铺设单层滤布，防止介质阻塞布水板上的布水孔，然后按照少量多次的原则，逐次加入预先被硝酸铜污染的砂土，填装过程中不断夯实，避免出现大的孔隙和裂缝，填装高度25 cm。以蠕动泵控制淋洗液的淋洗流速，在模拟柱的上部泵入不同种类的淋洗液。以取样口有液流出为计时零点，每15 min取一次水样，利用注射器将水样过0.22 μm水系滤膜，置于比色管内，利用原子吸收测定吸光度。具体实验方案见表1。

图1 原位淋洗修复重金属污染土壤实验装置示意图

表1 原位淋洗实验方案

在填装模拟柱前，教师要提醒学生要充分考虑实验条件，如模拟柱检漏、铺设滤布等；在填装过程中，强调少量多次原则，避免单次填装砂土过多、过快，夯实不严；土柱填装同时，提醒同组其他学生调整蠕动泵转速为固定值；待土柱填装完毕，以蠕动泵泵入淋洗液，淋洗液的注入点一定要位于砂土表面中心位置；样品不能及时测定时要放在冷藏柜中冷藏保存，避免微生物滋生，影响过滤效果。在实验具体实施过程中，以上内容均由实验教师现场指导学生完成。

2 结果与讨论

2.1淋洗剂种类对重金属去除效果的影响

以粗砂为实验介质，选定淋洗流速为5 mL/min。不同淋洗液的淋出液中的Cu2+质量浓度C随时间t变化曲线见图2。由图2可知：3种淋洗剂的淋出液中Cu2+质量浓度基本上呈现先上升后下降的趋势，150 min后，淋出液中Cu2+质量浓度基本趋于平稳；淋洗剂为EDTA2Na，淋出液中Cu2+最高质量浓度为17.59 mg/L，质量浓度最高点出现时间为75 min；柠檬酸淋洗过程中Cu2+的最高质量浓度11.56 mg/L，小于EDTA2Na的淋洗最高质量浓度，并且最高质量浓度出现时间较EDTA2Na延后约10 min；蒸馏水淋洗过程中，淋出液中Cu2+的质量浓度始终低于其他2种淋洗剂，并且最高质量浓度出现时间均稍有延迟。

图2 不同淋洗剂的淋出液中Cu2+质量浓度随时间变化曲线

不同时间下3种淋洗剂中Cu2+的累积去除率γ见图3。由图3可知：随着淋洗时间延长，Cu2+的累积去除率逐渐上升，150 min后累积去除率的上升幅度明显变缓；其中EDTA2Na的累积去除率最高，195 min时达到了97%，其次为柠檬酸81%，蒸馏水的累积去除率较低，为30%。

图3 不同淋洗剂的Cu2+的累积去除率

对比分析3种淋洗剂的淋洗效果可以发现：蒸馏水能够在一定范围内去除一定量的Cu2+，这部分Cu2+主要是因为截留、吸附在介质表面，在水流冲洗作用下，能够溶解、解吸进入水中，从而被去除，但该部分Cu2+含量有限，因此蒸馏水的淋洗效果较差；柠檬酸和EDTA2Na的淋洗效果优于蒸馏水，这主要是2种淋洗剂和介质中的Cu2+形成了更加稳定的螯合物，能够使吸附在介质表面或内部的Cu2+进入水溶液中，从而将其去除；但柠檬酸的淋洗效果较EDTA2Na稍差，这主要是因为柠檬酸属于高分子物质，在淋洗过程中容易发生阻塞介质孔隙等现象，影响Cu2+的解吸及传质，从而影响淋洗效果。因此实际场地淋洗过程中，要根据场地具体情况，选择合适的淋洗剂。

2.2 淋洗流速对重金属去除效果的影响

以粗砂为实验介质、EDTA2Na为淋洗剂，不同淋洗流速条件下淋出液中Cu2+质量浓度随时间变化曲线见图4。由图4可知：1 mL/min的淋洗流速下，淋出液中Cu2+的最高质量浓度为10.24 mg/L，对应的时间为105 min；随着淋洗流速升高至5 mL/min，Cu2+的最高质量浓度上升至17.59 mg/L，最高质量浓度出现时间较1 mL/min的流速提前了30 min；但随着淋洗流速进一步增加，淋出液中Cu2+的最高质量浓度没有表现出上升趋势，反而下降到15.36 mg/L，对应的时间为90 min。

图4 不同淋洗流速下淋出液中Cu2+质量浓度随时间变化曲线

不同淋洗流速下Cu2+的累积去除率见图5，可知：3种淋洗流速下Cu2+的累积去除率均随着淋洗时间延长而增加；150 min后，累积去除率增加的幅度变缓，其中1 mL/min淋洗流速的累积去除率为87%，流速为5 mL/min和10 mL/min的累积去除率接近，分别为97%和95%。

图5 不同淋洗流速下淋洗效果

分析3种淋洗流速条件下的淋洗效果，可以发现：随着淋洗流速增加，淋出液中Cu2+的最高质量浓度和累积去除率均增加，但进一步提高淋洗流速，淋洗效果反而下降，主要原因可能是淋洗流速过快，虽然在一定程度上增加了对介质的扰动程度，但是却缩短了淋洗剂和污染物的接触时间，造成解吸不充分，从而影响了淋洗效果。因此在实际场地淋洗过程中，要选择淋洗流速，以避免造成淋洗效果下降、淋洗剂用量浪费的情况。

2.3 介质粒径对重金属去除效果的影响

以EDTA2Na为淋洗剂、淋洗流速为5 mL/min，不同粒径介质条件下淋出液中Cu2+的质量浓度随时间变化曲线见图6。可知：粗砂介质中，淋出液中Cu2+的最高质量浓度为17.59 mg/L，高于细砂中Cu2+的最高质量浓度9.56 mg/L，并且粗砂中最高浓度出现的时间较细砂提前。

图6 不同介质条件下淋出液中Cu2+质量浓度随时间变化曲线

不同介质条件下Cu2+的累积去除率见图7。可知：粗砂中Cu2+的累积去除率97%明显优于细砂的73%。

图7 不同介质条件下淋洗效果

在本实验条件下，介质粒径越大，淋洗效果越好，这可能是因为介质粒径大，介质孔隙相应就大，淋洗剂与污染物的接触就越充分。该实验结果表明在实际场地淋洗过程中要充分考察场地的介质条件。

3 结论

(1) 淋洗剂种类是影响淋洗效果的重要因素，在选择淋洗剂种类时，要结合具体的淋洗机理，选择合适的淋洗剂；

(2) 淋洗流速能够在一定范围内提高淋洗效果，但对于特定的场地，一般存在一个最适的淋洗流速；

(3) 粗砂中Cu2+的淋洗效果要优于细砂，这说明介质粒径较大时，利于污染物的去除；

(4) 通过原位淋洗技术修复重金属污染土壤实验教学，使学生更加深入直观地了解原位淋洗技术的机理及影响因素，提升了学生的实验技能和专业素质。

References)

[1] 赵勇胜. 地下水污染场地的控制与修复[M]. 北京: 科学出版社，2015.

[2] 孙涛, 陆扣萍, 王海龙. 不同淋洗剂和淋洗条件下重金属污染土壤淋洗修复研究进展[J]. 浙江农林大学学报, 2015, 32(1):140-149.

[3] 陈锋, 傅敏. 表面活性剂修复重金属污染土壤的研究[J]. 四川环境，2012, 31(4):61-64.

[4] 吴烈善, 吕宏虹, 苏翠翠,等.环境友好型淋洗剂对重金属污染土壤的修复效果[J]. 环境工程学报, 2014, 8(10):4486-4491.

[5] 梁金利, 蔡焕兴, 段雪梅, 等. 有机酸土柱淋洗法修复重金属污染土壤[J]. 环境工程学报, 2012, 6(9):3339-3343.

[6] 许中坚, 许丹丹, 郭素华, 等. 柠檬酸与皂素对重金属污染土壤的联合淋洗作用[J]. 农业环境科学学报, 2014, 33(8):1519-1525.

[7] 丁竹红, 胡忻, 尹大强. 螯合剂在重金属污染土壤修复中的应用研究进展[J]. 生态环境学报, 2009, 18(2):777-782.

[8] 刘霞, 王建涛, 张萌,等. 螯合剂和生物表面活性剂对Cu、Pb污染塿土的淋洗修复[J]. 环境科学, 2013, 34(4):1590-1597.

[9] 崔杰, 薛文平, 阎振元, 等. 不同表面活性剂修复重金属污染土壤的试验研究[J]. 大连工业大学学报, 2013, 32(4):279-282.

[10] 刘艺芸, 崔爽, 张倩茹, 等. 可降解氨基羧酸型螯合剂在重金属污染土壤修复中的应用研究进展[J]. 山东农业科学, 2015, 47(5):136-140.

[11] 李尤, 廖晓勇, 阎秀兰, 等. 鼠李糖脂淋洗修复重金属污染土壤的工艺条件优化研究[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(7):1287-1292.

[12] 李光德, 张中文, 敬佩, 等. 茶皂素对潮土重金属污染的淋洗修复作用[J]. 农业工程学报, 2009, 25(10):231-235.

[13] Lo I M C, Tsang D CW, Yip T CM, et al. Influence of injection conditions on EDDS-flushing of metal-contaminated soil [J]. Journal of Hazardous Materials, 2011,192:667-675.

Application of in-situ leaching technology in experimental teaching

Bai Jing, Zhao Yongsheng, Qin Chuanyu

(Key Laboratory of Ministry of Education for Groundwater Resources and Environment，Jilin University, Changchun 130021, China)

In order to improve the experimental teaching effect of the Contaminated Sites Control and Remediation course, the in-situ leaching operating platform is designed. By using a self-designed plexiglass column as an analog device and the peristaltic pump as a velocity control unit, the leaching removal efficiency of Cu2+under different experimental conditions is studied. The results show that the eluent types are the important factors influencing the leaching effect, the citric acid and EDTA2Na have the better leaching effect, and the EDTA2Na has the best leaching effect. When the leaching velocity increases in a certain range, it can improve the leaching remediation effect. However, there is an optimum leaching velocity, and when this velocity is exceeded, the leaching effect is restrained. The leaching effect of Cu2+in the coarse sand is better than that in the fine sand, indicating that the larger particle size is beneficial to the leaching removal of Cu2+.

soil pollution remediation; in-situ leaching technology; Cu2+; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.011

G642.0；X53

A

1002-4956(2017)11-0039-03

2017-05-16修改日期2017-07-03

国家自然科学基金项目“污染含水层原位空气扰动修复增强机理研究”(3A412S251425)

白静(1983—)，女，河北唐山，工学博士，高级实验师，主要从事污染场地控制与修复研究

E-mailbaijing927@jlu.edu.cn

赵勇胜(1961—)，男，内蒙古达茂旗，教授，博士生导师，主要从事污染场地控制与修复、地下水污染的模拟预测等研究.

E-mailzhaoyongsheng@jlu.edu.cn