电动螯合技术修复重金属污染土壤的现状与展望肖江

应用化工AppliedChemicalIndustryISSN1671-3206,CN61-1370/TQ《应用化工》网络首发论文题目：电动-螯合技术修复重金属污染土壤的现状与展望作者：肖江，周书葵，李智东，张建，田林玉，焦赟仪DOI：10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20181227.030收稿日期：2017-08-11网络首发日期：2018-12-29引用格式：肖江，周书葵，李智东，张建，田林玉，焦赟仪．电动-螯合技术修复重金属污染土壤的现状与展望[J/OL]．应用化工.网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。应用化工电动-螯合技术修复重金属污染土壤的现状与展望肖江周书葵李智东张建田林玉焦赟仪（南华大学土木院工程学院,湖南衡阳421001）通信作者：周书葵，男，教授，博士，从事土壤污染修复与风险评价，E-mail：[e-mail]摘要随着城市化和工业化进程加快，土壤受重金属污染的状况也日益严重，电动修复作为一种颇具潜力的污染土壤修复技术，已被广泛应用土壤重金属污染的修复研究。综述了电动修复去除土壤中重金属的机理、基本类型、优缺点及螯合物在修复重金属污染土壤的作用机理；概述了电动-螯合联合技术在修复重金属污染土壤的方法、应用及其进展，提出了电动-螯合联合技术修复污染土壤存在的问题和应用前景。关键词重金属;电动力学;螯合剂;土壤修复中图分类号TQ325:X12文献识标码：AStatusquoandprospectofremediationofheavymetalcontaminatedsoilbyelectro-chelationtechnologyXIAOJiangZHOUShu-kuiLIZhi-dongZHANGJianTIANLin-yuJIAOYun-yi（SchoolofCivilEngineering,UniversityofSouthChina,Hengyang,Hunan421001,China）AbstractWiththeaccelerationofurbanizationandindustrialization,thesituationofsoilcontaminatedbyheavymetalsisbecomingmoreandmoreserious.Asapotentialremediationtechnologyforcontaminatedsoil,electrokineticremediationhasbeenwidelyusedinremediationofheavymetalcontaminatedsoils.Themechanism,basictypes,advantagesanddisadvantagesandchelateofelectrokineticremediationofheavymetalsinsoilarereviewed.Themechanismofremediationofheavymetalcontaminatedsoilwasintroduced.Themethods,applicationandprogressofelectrokineticchelatingcombinedtechnologyinremediationofheavymetalcontaminatedsoilweresummarized,andtheproblemsandapplicationprospectsofElectrokineticchelatingcombinedtechnologyfortheremediationofcontaminatedsoilwereproposed.Keywordsmetalheavy;electrokinetic;chelatingagent;soil-remediation随着工业化和农业生产的现代化的飞速发展，土壤重金属污染问题成为了环境污染中亟待解决的一部分。土壤重金属污染不仅会直接造成土壤退化、使农作物减产，而且会间接引发一系列的问题，给人类的生活带来潜在的威胁，如人类生存环境逐渐恶化和地下水的污染等[1]。由于重金属污染土壤具有范围广、隐蔽、长期性、积累性与地域性、不可逆性、难以控制性等特点[2]，因此，重金属污染土壤的治理也一直是国内外研究的难点和热点课题。针对土壤污染的严峻形势，在不同的原理与方法的基础之上，开发出了一系列的修复技术，可分为化学修复、物理修复、生物修复[3]。化学方法需要在污染土壤中添加相应的化学试剂，将重金属转化为低毒或者无毒，从而达到修复的目的。如吴烈善等[4]利用不同的钝化剂来稳定土壤中的重金属，发现在这几种钝化剂中，对于单一材料，2%石灰的稳定效果最佳；在复配材料中，2%腐殖质和2%的石灰，对于四种不同的重金属（Pb、Cu、Cd、Zn）均有较好的稳定效果。化学修复尽管操作简单，但额外加入的化学物质会使土壤质量下降，造成二次收稿日期：2017年8月11日基金项目：国家自然科学基金（51174117）、湖南省教育厅科研平台项目（15K106）作者简介：第一作者简介：肖江（1994—），男，湖北潜江人，在读硕士，师从周书葵教授，从事重金属污染土壤修复，电话：[phone]，E-mail：[e-mail]网络首发时间：网络首发地址：2018-12-2910:02:45应用化工污染等环境问题[5]；生物方法是一种绿色、低成本的土壤修复方法，对环境也更加友好。唐欢欢等[6]研究了5种草本植物对于矿区废渣地重金属的吸收和富集作用，结果表明这几种植物对于矿区重金属污染的土壤均具有一定的修复效果。但是由于植物生物对于重金属的富集比较缓慢，修复周期相对较长，并不能大规模推广进行[7]。鉴于上述方法应用的缺陷，国内外的研究者对一种物理修复—电动修复技术进行了大量修复污染土壤的试验研究工作，在实验中取得较好的效果。但是要应用到实践中还需进行更深层次的研究，克服更多的技术障碍。因此，本文首先系统地阐述了电动修复的基本类型、基本机理和最新进展；其次就螯合剂在重金属污染土壤修复中的作用机理进行分析，最后着重探讨电动-螯合联合技术修复重金属污染土壤的应用现状以及需要改进的问题，同时就其应用前景进行展望。1电动力学修复技术电动修复技术（electrokineticremediationtechnology）具有效率高、一定程度可以避免再污染、节电和原位修复等特点，被称为“绿色修复技术”[8]。电动技术是20世纪80年代发展起来的一种污染土壤修复技术，其基本原理与电池类似，将电极插入土壤/液相系统中，在两端加上低压直流电场，在电场的作用下，发生土壤孔隙水和带电离子的迁移，土壤颗粒表面的水溶性或吸附性污染物按各自的电荷移动到不同的电极方向，使污染物在电极区集中或分离，两极电极定期处理，处理富集的污染物。修复过程中主要通过电迁移、电泳和电渗析这三种机制去除土壤的中的污染物[9]。电动修复过程中，水的电解是发生在两极最主要的反应，在阳极水分子失去电子，生成氧气和氢离子；在阴极水分子得到电子，生成氢气和氢氧根离子；氢离子和氢氧根离子在电子迁移和扩散等作用下，分别向阴极和阳极移动，从而使得阳极附近土壤pH降低，阴极附近土壤pH升高[10]。阳极反应：2H2O-4e→O2↑+4H+E0=-1.23V阴极反应：2H2O+2e→H2↑+2OH-E0=-0.83V电动修复技术示意图见下图1。图1电动修复原理示意图[11]Figure1Schematicdiagramofelectricrestoration将电动力学技术用于重金属污染土壤的修复最早是在1993年由美国的Acar等[12]提出，并且进行了Pb污染土壤的修复研究，实验中发现，电动修复能去除土壤中的部分Pb；但是在阴极附近由于Ca的聚集堵塞土壤孔隙，影响了Pb的进一步的迁移。作为一种原位土壤修复技术，与其他修复技术相比，电动修复技术可以处理一些其他方法不能处理的低渗透性污染土壤，同时也能修复一些有机物、放射性金属元素、无机物等污染的土壤。目前已有大量试验结果证明这项技术对于多种类型污染土壤的修复均具有高效性，如下表1所示。由于其适用范围广，经济且效率高，可原位修复低渗透性土壤等特点被认为是一种颇具发展潜力的土壤修复技术；但是想更大规模地应用到实地场地的修复过肖江等电动-螯合技术修复重金属污染土壤的现状与展望3程中，还需改善电动修复过程中的诸多缺陷，使其更加经济有效。表1电动修复污染土壤的试验研究Table1ExperimentalStudyonelectrokineticremediationofheavymetalsinsoil实验方法目标污染物污染物的初始浓度/(mg·kg-1)反应时间/(h)去除效率/(%)参考文献EK,两极0.2mol·L-1CA+0.05mol·L-1CaCl2CdCuNiPbZn41.60233.10252.20293.70280.907298.1995.2498.9586.2199.01[13]EK，阴极Fe(NO3)3,阳极柠檬酸-柠檬酸钠（pH=3、4、5）；阴极-活性炭纤维PBRPb145±540080.53(pH=3)53.10(pH=4)40.69(pH=5)[14]EK,阴极柠檬酸-柠檬酸钠（pH=5）,阳极自来水；阴极-活性炭PBRCuCdPb15083509679.9399.4339.36[15]EK+微生物；两极切换极性多环芳烃（PAHs）5635.60235251.2[16]EK,阳极蒸馏水；阴极0.2mol·L-1醋酸USrCs1027.04892.0（Bq/kg）286.0（Bq/kg）12085.089.56.5[17]EK+阴极-PBR菲2,4,6-三氯苯酚34128936079.9588.28[18]EK,阳极10%HPCD;阴极6%H2O2(pH=3.5）芘铜50050036051.380.5[19]1.1接近阳极技术在电动修复过程中，由于水的电解，阴、阳极分别产生大量的OH-和H+，两极电解液的pH分别上升和下降；同时，在电迁移等作用下，OH-和H+将分别向另一端电极移动，引起土