研究进展
图文导读
图1 高温电热法修复土壤的概念
在HET处理过程中，干燥土壤与导电增强剂混合，以确保良好的导电性。通过在几秒内输入高压脉冲，可将土壤温度控制到1000-3000°C(图1a)。在高温下，重金属通过碳热还原和蒸发(图1b)，产生的蒸汽可以通过传统热脱附修复技术常用的蒸汽提取管进行收集(图1a)。同时，高温也可以破坏有机污染物(POP)。例如，多环芳烃通过碳化转化为石墨(图1b)，即自然存在的无毒矿物。
实验中采用ICP-OES测定消解后和HET修复后土壤中重金属的浓度，并计算去除效率。结果表明，大多数重金属，包括Cd、Hg、Pb、Co、Cu和Ni，无论其化学形式是金属盐还是金属元素，都可以在高温(1000-3000℃)下汽化(图2a)；从60 V到100 V，由于更高的电压导致更高的温度，提高了重金属去除效率；然而，过高的电压会导致脱气速度快，样品电阻变化大，从而导致加热不均匀，使重金属去除效率略微降低(图2b)。由图2c可知，在100 V高压下，单次电脉冲对所有重金属的去除率均>80%。与一些依赖吸附剂容量的物理化学吸附方法不同，HET去除重金属的方法没有容量限制。通过增加电脉冲的次数，可以不断降低土壤中重金属的浓度。通过两到三次电脉冲(每次持续时间仅为1秒)，就可将所有代表性重金属的浓度降至低于加州居民健康筛查水平(图2d-i)。
图3 石墨化去除多环芳烃(PAH)
芘的UV-Vis吸附光谱中显示约319和333nm两个特征吸收峰(图3a)。随着电脉冲次数增加，这两个峰的强度逐步降低(图3a)。经3次电脉冲处理后，芘浓度降低到2300 ppm的安全浓度以下(图3b)。同样，芴在299nm处也表现出一个特征吸附峰，经HET处理后其强度明显降低(图3c)，并在3个电脉冲作用下低于其安全浓度(图3d)。采用同样策略对苯并[a]蒽污染土壤进行修复也得到了类似结果(图3e，f)，证明该方法具有广泛适用性。苯并[a]蒽的安全浓度较低，为0.62 ppm，经过3次电脉冲后，超出了紫外可见分光光度法的检测极限(图3f)。在这种情况下，采用气相色谱-质谱(GC-MS)进行定量分析，其检测限降至0.001ppm。经6次电脉冲处理后，苯并[a]蒽浓度降低至安全浓度以下(图3f)。
在本次实验中，HET处理条件为1500°C，1秒，满足多环芳烃去除要求。处理前通过筛选去除了导电增强剂焦炭。首先，分析了土壤的物理性质和矿物组成。采用激光粒径分析仪测量了土壤粒度分布。处理后土壤砂砾成分略高于原土壤，主要由于HET过程中的土壤聚集(图4a)。原土壤和处理土壤均属砂壤土。SEM表征显示处理土壤为细粉状,与原土壤相似。XRD结果显示，原土壤主要晶体成分为SiO2和CaCO3(图4b)。HET处理后,SiO2依旧明显，而方解石可能由于热分解成氧化钙而消失。XRF结果表明各氧化物含量基本无变化(图4c)。以上分析显示，除去污染物外，,HET处理在极短时间内的快速升降温使土壤形态、粒度和矿物组成基本无改变。这为土壤再利用提供了有利条件。
图5 多环芳烃污染土壤修复的生命周期评估和技术经济分析
此外，开展了技术经济分析(TEA)以评估HET方法在实际应用中的可行性。由于HET方法材料和能源消耗低,其运行费用约为43.3美元/吨，低于热脱附(约45.7美元/吨)、土壤洗涤(约140.2美元/吨)和化学氧化(约163.0美元/吨)(图5b)。即使考虑资本支出，HET方法的总费用也与其他成熟方法相当(图5b)。HET方法可同时修复多种污染物，污染物去除效果高，处理时间短(秒至分钟级)，能耗和总费用相对低，且无需用水(图5c)。这表明HET方法在未来具有很好的应用前景，可与热脱附和土壤洗涤方法相互补充，共同推动土壤修复实践。
总结
综上所述，这篇论文研究了一种新的高效多污染土壤修复技术——高温电热修复(HET)。HET过程通过直接电流快速将土壤温度提升到1000-3000°C，可以同时去除重金属和有机污染物。实验结果表明，单次HET处理就可以高效地将重金属浓度降低到安全标准以下，同时将多环芳烃等有机污染物转化为稳定的石墨烯形式。与此同时，HET对土壤结构和矿物组成的影响很小。此外，HET过程的能耗较低，生命周期评估结果表明其成本效益潜力高。总体来说，这项研究提出了一种新的高效多污染土壤修复技术，它修复速度快、能耗低，对土壤影响小，有望成为未来土壤修复的重要方法。
相关文章：Deng, B., Carter, R.A., Cheng, Y. et al. High-temperature electrothermal remediation of multi-pollutants in soil. Nat Commun 14, 6371 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41898-z
