基于EKG电动脱水去除稻田土壤重金属Cd的试验研究

2019-05-15王振华汤显强李青云胡

长江科学院院报 2019年5期

王振华汤显强李青云胡园

(1.长江科学院流域水环境研究所, 武汉 430010；2.长江科学院流域水资源与生态环境科学湖北重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

目前，我国稻田土壤重金属污染问题日益突出，引起越来越多的关注。稻田重金属污染土壤修复与治理迫在眉睫。国内外已有的稻田重金属污染土壤修复措施包括工程措施[1]、农艺调控[2]、原位钝化[3]、土壤淋洗[4-5]、电动脱水[6-8]、植物修复[9-10]、微生物修复[11-12]等。其中，土壤淋洗实施周期短、效率高，是一种行之有效的化学修复手段，但洗脱后的重金属有相当一部分残留在土壤孔隙水中，较难排出，特别是对于渗透性系数低的土壤[13]；电动脱水可通过电迁移和电渗析将土壤孔隙水中的重金属迁移出土壤，实现重金属从土壤中去除，但单一电动脱水效率不高[14]。针对土壤淋洗和电动脱水各自的优缺点，从优势互补的角度，将土壤淋洗和电动脱水进行优化集成，对于高效去除和削减稻田土壤重金属具有重要实践价值，然而目前对土壤淋洗-电动脱水联合治理稻田土壤重金属污染研究较少[15]。

电动脱水技术的关键因素是电极选择和土壤pH值控制。已有研究大多采用的电极是石墨电极或者金属电极，但这些传统电极材料容易腐蚀、电极笨重、成本高，易造成土壤pH值偏极化效应[16]。因此，选取合适电极材料十分关键。近年来，有研究发现，电动土工布材料(EKG)作为电极，具有导水导电、耐酸碱腐蚀、轻便等优点，能够脱除土体水分及水分中重金属离子，已在建筑物地基脱水加固施工过程中得到应用[17-18]。基于上述特性，EKG电极有应用于电动脱水的潜力，但目前有关EKG在电动脱水去除土壤重金属中的应用研究未见报道。

本研究以FeCl3为淋洗剂、以EKG为电动脱水的电极材料，在自制的电动脱水实验装置中对Cd污染稻田土壤进行了土壤淋洗-电动脱水室内模拟试验研究，重点考察了FeCl3淋洗后，施加不同电压梯度和电极间距条件下，土壤pH值变化特点和电动脱水同步脱除土壤Cd的效果。

2 材料与方法

2.1 稻田土壤

稻田土壤样品采自湖南省长沙县北山镇的湖南省农业科学院重金属污染水稻试验田。采用5点混合采样法采集原状土[19]，采样深度为0～20 cm[20]。采集的土壤样品运回实验室之后，首先置于油布上风干，然后捣碎，并装入塑料袋中密封保存。土壤过4 mm筛的用于淋洗试验，过0.149 mm筛的用于测定土壤Cd含量[19]。稻田土壤的基本理化性质如表1所示。

表1 稻田土壤的主要理化性质Table1 Main physical and chemical properties ofpaddy field soil

2.2 实验装置

电动脱水装置采用有机玻璃自制加工而成，电动脱水装置的高度和宽度分别为15 cm和20 cm，共有5套不同长度尺寸的装置,长度分别为10,20,30,40,50 cm。电动脱水实验装置如图1所示。电动脱水装置两端EKG电极分别接阳极和阴极，阴极底部设计一个直径为5 mm的孔，并安装出水阀。通电后，稻田土壤中的重金属废水在电渗析的作用下从阳极迁移至阴极，经阴极侧的出水阀收集到烧杯。从阳极到阴极将土壤平均分为5个截面，分别为S1，S2，S3，S4，S5。

图1 电动脱水实验装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of electricdehydration experimental device

2.3 土壤淋洗-电动脱水实验

在电动脱水装置两端安放EKG，分层装入捣碎的土壤，按土液比2∶1加入0.05 mol/L FeCl3溶液，搅拌均匀后浸泡1 d，排尽土壤表面的上覆液(以土壤表面无积水为准)，土壤孔隙水中的重金属采用电动脱水技术排出。

排尽淋洗浸泡后土壤表面上覆液后，设计不同电极梯度、不同电极间距进行电动脱水同步脱除重金属Cd效果研究。电动脱水期间，测定电流密度、电渗析流量等；电动脱水后，原位测定各截面土壤pH值，并取样分析。具体实验方案见表2。

表2 基于EKG电极电动脱水实验方案Table 2 Experimental schemes of electrokineticdehydration based on EKG electrode

2.4 测定分析方法

(1)土壤pH值测定。电动脱水后，采用丹麦Unisence微电极系统在土壤各截面实时原位监测。

(2)电流密度。电动脱水过程中、通过万用电表实时读取。

(3)电渗析流量。用秒表计时，量筒读取烧杯中脱出水体积，单位时间内脱出水的体积即为电渗析流量。

(4)土壤全Cd含量分析。所取土壤样品经风干，研磨并过0.149 mm筛后，在HNO3- H2O2-HF的体系中微波消解，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定[21]。

3 结果与讨论

3.1 电动脱水对土壤各截面pH值的影响

电动脱水过程中，阳极和阴极电解水分别产生H+和OH-，之后在电迁移的作用下迁移至土壤并朝阴极和阳极方向迁移，阳极侧土壤逐渐酸化，阴极侧土壤逐渐碱化，使得土壤pH值呈现从阳极向阴极侧递增的现象[22]。FeCl3淋洗后，土壤pH值由5.24降低到约2.36(电动脱水前土壤pH值)，电动脱水前后，不同电压梯度、电极间距下的土壤各截面pH值变化如图2所示。

图2 不同电压梯度、电极间距下的土壤各截面pH值Fig.2 Changes of pH values of soil in different sectionsunder varying voltage gradient and electrode spacing

从图2可看出:

(1)电动脱水前，土壤pH值约为2.36，电动脱水后，土壤各截面pH值在2.2～2.5之间波动，各截面土壤pH值并不是严格按着从阳极向阴极递增的趋势，而是呈现中间高两侧低的趋势。可能是EKG电极具有导电和排水的特性，阴极电解水产生的OH-主要随水经EKG电极导水凹槽排出。

(2)不同电压梯度或电极间距下，土壤各截面pH值的上下波动幅度也不同。这主要是因为，电压梯度越大，电场拖动力越大，排出的孔隙水多，随孔隙水迁移出土壤的离子更多，土壤各截面pH值增大更明显；电极间距大，土壤颗粒所受电场力小，电渗析和电迁移较慢，土壤各截面土壤酸化相对明显。

3.2 土壤电动脱水效果比较

3.2.1 电压梯度对土壤电动脱水效果的影响

不同电压梯度下，电渗脱水体积和电流与时间的关系见图3。可以看出，电渗析流量和电流的大小都随时间增长呈现先衰减后趋于稳定的趋势，且随电压梯度增大，电渗脱水体积增加。产生这种现象主要是因为电压梯度越大，土壤颗粒表面电荷受到的电场力越大，颗粒表面的孔隙水受到的拖动力越大，电渗析流量越大。不同电压梯度下，电流呈现不同程度的降低，这是因为在电阻一定的情况下，电压越大，电渗析流量和游离态金属离子的电迁移速率越大，土壤导电性变差，电流密度衰减越快[23]。

图3 不同电压梯度下电渗脱水体积和电流与时间的关系Fig.3 Current and electric dehydrated volume versustreatment time under different voltage gradients

3.2.2 电极间距对土壤电动脱水效果影响

不同电极间距下，电渗脱水体积和电流与时间的关系见图4，可以看出，电渗析流量和电流的大小都随时间先呈现衰减后趋于稳定，且随电极间距增大，电渗析流量趋于稳定的时间越长。产生这种现象主要是因为电极间距越大，土壤孔隙水迁移的时间越长，电渗析流量趋于稳定的时间也就越长[23]。由欧姆定律可知，在电压一定的情况下，电极间距越大，游离态金属离子向电极两侧迁移时间越长，电阻不同程度的增加，导致电流出现不同程度的降低。

图4 不同电极间距下电渗脱水体积和电流与时间的关系Fig.4 Current and electric dehydrated volume versustreatment time under different electrode spacings

3.3 土壤Cd电动脱除效果比较

3.3.1 不同电压梯度下土壤Cd的电动去除率

不同电压梯度下的土壤Cd的电动去除率和单位去除率的能耗如图5所示。由图5可知，电压梯度从1 V/cm增加到5 V/cm，土壤Cd的电动去除率和Cd的单位去除率的能耗均呈增加的趋势，其中电动去除率从24%增加到47%，单位去除率的能耗由0.000 47 kW·h增加到0.001 60 kW·h。可见，增加电压梯度能提高土壤中重金属Cd的电动去除率，但同时也增加了重金属Cd单位去除率的能耗。这与文献[24]所述相符，高电压有利于污泥中重金属Cd的迁移，但增加了能耗。

图5 不同电压梯度下土壤Cd的电动去除率和单位去除率的能耗Fig.5 Removal rate and energy consumptionper unit removal rate of Cd in soil underdifferent voltage gradients

3.3.2 不同电极间距下土壤Cd的电动去除率

不同电极间距下，土壤Cd的电动去除率和土壤单位处理量的能耗见图6。由图6可知，在电极间距分别为20，30，40，50 cm下，土壤Cd的电动去除率分别为21%，19%，13%，11%；处理1 kg土壤的能耗分别为0.021 1, 0.019 4, 0.019 0, 0.017 7 kW·h。这表明，随电极间距的增加，土壤Cd的电动去除率和处理单位质量土壤的能耗均呈减小的趋势。