强化电动修复重金属复合污染土壤研究

发布时间：2017-12-14 11:14

  本文关键词：强化电动修复重金属复合污染土壤研究

  更多相关文章： 土壤 重金属 电动修复 电极 辅助试剂 间歇供电

【摘要】：因矿业开采、工农业生产等人类活动,导致大量的重金属进入环境,造成严重的土壤污染问题,而且,大量重金属污染土壤均是多金属复合污染。土壤中的重金属通过直接或者食物链等间接方式对生态环境和人类健康造成严重威胁。因此,开展重金属污染土壤修复研究具有重要意义。本文以人工污染的重金属(镉、铜、镍、铅和锌)复合污染土壤为研究对象,采用电动修复技术,结合材料表征手段、重金属存在形式模拟软件以及能耗估算模型,分别探讨电极材料、辅助试剂种类和浓度、供电方式等因素对重金属去除效率、能量消耗和环境危害的影响。具体如下:(1)将碳纳米管电极材料(PET-CNT)作为新型阴极材料用于电动修复重金属复合污染土壤,通过材料表征方法分析电极材料特征,并分析对电动修复过程的影响。材料表征结果表明,PET-CNT材料表面包裹着大量的碳纳米管,其碳纳米管所占的质量分数为29%;采用PET-CNT阴极显著提高电动修复过程中的电流和电渗流,降低土壤pH,从而提高重金属的去除效率,其对Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的去除效率分别为89.7%、63.6%、90.7%、19.2%和88.7%,与石墨和Pt/Ti处理相比,Cd、Ni和Zn的去除效率提高30%以上,对Cu和Pb至少提高16.6%和6.9%。PET-CNT处理消耗较高的电能,材料成本高于石墨,却显著低于Pt/Ti。综合考虑去除效率,能量消耗和电极材料成本,采用PET-CNT材料作为阴极进行电动修复重金属污染的土壤是一个很好的选择。(2)采用一组新型的辅助试剂(柠檬酸加氯化钙),结合两种组分的优点,用于电动修复重金属复合污染的土壤,并讨论不同的组分浓度对重金属去除效率和能耗的影响。结果表明,最优电解液浓度为0.2 mol/L柠檬酸与0.05 mol/L氯化钙,其重金属镉、铜、镍、铅和锌的去除效率分别为98.19%、95.24%、98.95%、86.21%和99.01%,所消耗的电能为124.8 kWh/m3。与传统的盐酸或者柠檬酸相比,柠檬酸加氯化钙处理具有较低的能耗,较小的环境危害和较高的去除效率,是一组非常具有应用前景的电动修复辅助试剂。(3)基于电动修复中重金属离子的离子迁移理论,构建了一个简单的用于近似估算电动修复过程中去除每种离子所需电能的模型。用该模型估算电动修复重金属污染黑土时去除重金属所消耗的电能。并与在相同的处理条件下(处理时间除外),从高岭土中电动去除相似浓度的重金属所消耗的电能进行比较,结果发现在两种不同的土壤中去除相似浓度的重金属所消耗的电能相近,因此我们推测该模型可以用于近似估算电动修复过程中去除每种离子所消耗的电能。(4)采用间歇供电(12 h开/12 h关、6 h开/18 h关)电动修复重金属复合污染黑土,调查其对重金属去除效率,土壤中大量元素的消耗以及能量消耗的影响。结果表明,在所有的电动修复处理中,重金属的去除效率均超过80%。与持续供电相比,间歇供电显著减小土壤中铁的去除和电能消耗。能耗估算模型结果显示,所有处理中去除铁所消耗的电能超过电动修复中总电能的40%,与持续供电相比,12 h开/12 h关间歇处理铁所消耗的电能减小1264 kWh/m3,占该处理减小的总能耗的54.74%,可见,在间歇供电电动修复处理中,减小铁的去除所消耗的电能为间歇供电电动修复节约电能做出重要贡献。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X53

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本文编号：1287684