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电化学辅助硫化零价铁(E-SZVI)渗透性反应墙原位修复地下水中三氯乙烯

文章出处:人气: 发表时间:2022-02-07 13:03

  硫化零价铁(SZVI)因其还原脱氯速率快、电子选择性高和析氢副反应弱等优点,被视为比传统零价铁更优的PRB反应介质。然而,长期运行中,SZVI颗粒表面依然会因腐蚀产物的累积而发生钝化,同时,受限于地下水流速,TCE从水相向SZVI表面的传质往往是速率控制步骤。向PRB中引入一个微弱的直流电场,将SZVI填充床作为阴极,可以同时从动力学和热力学两个层面解决上述问题。电场为地下水中带电及极性有机物分子(TCE虽不带电,但其在电场作用下会发生极化并被驱动向电极迁移)提供了电迁移传质,加速了污染物与反应介质的接触。

  

  E-SZVI-PRB系统的核心是将整个SZVI填料层通过石墨或钛电极与直流电源连接,作为阴极,并在其下游或上游设置惰性阳极。施加一个微弱的阴极电位(如-0.5V至-0.8V vs. SHE)后,通过填充床的水流中的TCE分子,在电场力驱动下向SZVI颗粒表面定向迁移,传质速率被极大强化。更为关键的是,SZVI表面因与水中溶解氧或水自身反应而不断生成的Fe(III)/Fe(II)氧化物钝化层,可以持续地从阴极获得电子,被原位还原为导电的Fe²⁺或Fe⁰,从而实现钝化层的电化学自清洁和活化。这相当于对SZVI颗粒进行不间断的阴极保护,使其始终保持高反应活性的零价或低价铁状态。

  

  模拟柱实验连续运行超过400天,比较了传统SZVI柱和E-SZVI柱的性能。在进水TCE浓度为20mg/L、空床接触时间12小时的条件下,传统SZVI柱在运行约120天后,出水TCE浓度开始出现明显突破,去除率逐渐下降。而E-SZVI柱在整个400天的运行周期内,出水TCE浓度始终低于0.05mg/L,去除率稳定>99.7%,且床层的渗透系数下降极为缓慢。对运行后的填料分析表明,E-SZVI颗粒表面的硫和铁元素仍主要以还原态存在,没有形成致密的氧化层。这一新型电化学辅助PRB系统,通过电场增强传质和阴极自清洁的双重机制,实现了氯代烃污染地下水原位修复的长期、高效、免维护运行,为PRB技术的升级换代指明了方向。

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