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零价铁修复土壤和地下水探讨

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摘要：

我国土壤和地下水受工业、矿业及农业等生产活动的影响，污染情况越来越严重。目前，受污染土壤和地下水的修复已成为我国环保领域亟待解决的问题。针对受污染地下水，通常采用曝气法、抽取—处理技术和水力学方法等修复技术，这些修复技术的处理成本高，对地下水的扰动大且易导致污染扩散。使用生物修复技术对土壤和地下水进行修复时，需添加营养盐，且存在着生物安全性以及可能产生毒性更大的污染物等问题，这在一定程度上限制了生物修复技术的推广应用。因此，针对土壤和地下水污染问题，研究人员开发了一种新型的对受污染土壤和地下水进行修复的原位修复技术—可渗透反应墙（PermeablyReactiveBarrier，PRB），该技术可有效去除有毒重金属、有机氯农药、卤代烃以及卤代芳烃等多种污染物，具有处理成本低廉、可持续原位修复、处理效果好、对生态环境干扰小以及性价比高等多项优势，该技术已逐步取代了传统的修复技术。本文综述了零价铁PRB技术的作用原理、结构类型以及应用等。

一、零价铁PRB技术作用机理

零价铁作为还原性较强的还原剂，其氧化还原电位为-440mV，能降解有机物、无机阴离子以及重金属等污染物。

（一）卤代有机物的脱卤

在零价铁还原性脱卤反应过程中，卤代芳烃和卤代烃得到电子后，使其结构中的卤素被氢取代而转化为无毒的无机物或者易被降解的有机物。研究表明，零价铁对氯代有机物的去除率能达到60%—80%，其反应方程式如下：

Fe0→Fe2++2e

RCl+H++2e→RH+Cl-

Fe0+RCl+H+→RH+Cl-+Fe2+

（二）金属阳离子的去除

PRB的活性填充料中加入零价铁能较好的去除重金属（如硒、铬、铀等），主要是通过氧化还原反应将高价重金属离子以沉淀的形态析出。研究表明，零价铁对六价铬的去除率能达到90%以上，其反应方程式如下：

Cro42-+Fe0+8H+(ap)→Fe3++Cr3++4H2O

xCr3+(ap)+（1-x）Fe3++(ap)+2H2O→CrxFe(1-x)OOH(s)+3H+(ap）

（三）含氧酸根离子的去除

零价铁在一定程度上能去除含氧酸根离子（如NO3-、PO4-等）。研究表明，零价铁对NO3-的去除率能达到80%以上，其反应方程式如下：

NO3-+Fe0+2H+→NH4++Fe3O4

NO3-+12Fe2++13H2O→NH4++4Fe3O4+22H+

二、PRB结构设计

根据结构类型，PRB可分为连续反应带式、漏斗—导门式、注入式和反应单元被动收集式，如图1所示。（1）连续反应带式：结构简单、易安装、对地下水流场的影响较小，适用于污染羽小、地下水位浅的污染区域。（2）漏斗—导门式：在连续反应带式的基础上增加了漏斗的设计，通过隔水墙将一定区域内的污染羽汇集后集中处理，从而达到提高处理效果的目的。漏斗-导门式不仅减少了反应填料，而且相对节约了建造成本，但对地下水流场产生了一定的影响，适用于污染羽较大、地下水位埋深较浅的污染区域。（3）注入式：无法更换反应介质，且对系统的维护和寿命产生一定影响，不适用于低渗透性的含水层。（4）反应单元被动收集式：通过收集槽将地下水流引入反应单位（由反应介质构建）汇集后集中处理，适用于污染羽较大的污染区域。PRB结构是影响地下水污染物去除率的重要因素，在结构设计过程中需考虑以下两点：一是保证PRB能够快速嵌入弱透水层或隔水层中，防止地下水从可渗透反应墙的底部运移，确保PRB能够捕获地下水中的污染物；二是保证地下水在填充材料中有足够水力停留时间，如图1。

图1 PRB结构类型[9]

三、零价铁PRB技术研究及应用

（一）零价铁PRB技术研究进展

铁还原脱氯速率随氯原子数量减少而逐渐降低。为提高铁还原脱氯速率，可主要集中改善颗粒分布状态、优化粒径和颗粒组成。（1）应用二元金属体系。二元金属体系：在零价铁表面镀上一定比例的高还原电位金属（如铜、镍、钯等），通过增加零价铁表面的活性吸附点来加速氢解反应，从而提高零价铁对氯代烃的脱氯速率。钯（Pd）的吸氢能力较强，通常可作为高效催化剂。Pd/Fe二元金属体系中，Pd/Fe复合材料使氯代有机物中脱氯速度大大提升，能够将多种氯代有机物中的氯原子彻底去除，如Pd/Fe二元金属体系能够将多氯联苯（PCBs）高效降解为氯离子和联苯。由于Pd的造价较高，制约了Pd/Fe二元金属体系在受污染土壤和地下水修复中的应用。原位修复过程中，活性粒子的反应寿命是影响修复效果的重要因素，因此，修复剂需要具有腐蚀速度低、反应速率高的特性。研究表明，Ni/Fe二元金属体系作为修复剂时，通过改变Ni和Fe的配置比例能够有效降低腐蚀速度且脱氯速率较高。（2）优化胶体颗粒。传统的铁还原修复技术使用铁屑，现阶段大多数的零价铁PRB技术使用微米级或纳米级的铁胶体。胶体铁的使用能够明显提升脱氯速度和铁的扩散速度，在一定程度上能降低铁的使用量。在应用施工过程中，可通过直接注射进行原位修复。为了提升活性还原剂在土壤中的迁移速度，可在注射体系中加入适量的表面活性剂。使用比表面积大的非金属载体（如聚丙烯酸，碳粉）承载铁粉，能够提升污染物的富集效率，为电子转移提供传导通道。研究表明，使用聚丙烯酸和碳粉为载体的金属粉末能够在水中永久性的保持悬浮状态，因表面呈负电性且粒径较小使其更易渗透土壤。相反，未使用载体的铁粉在水中快速结块导致其不能渗透土壤。

文章来源：《土壤》网址: http://www.trqks.cn/qikandaodu/2021/0708/1392.html