原位淋洗技術在實驗教學中的應用

白 靜， 趙勇勝， 秦傳玉

(吉林大學 地下水資源與環境教育部重點實驗室， 吉林 長春 130021)

原位淋洗技術在實驗教學中的應用

白 靜， 趙勇勝， 秦傳玉

(吉林大學 地下水資源與環境教育部重點實驗室， 吉林 長春 130021)

為進一步完善污染場地控制與修復課程實驗教學效果，自行設計了原位淋洗實驗操作平臺，以有機玻璃柱為模擬裝置，以蠕動泵為流速控制單元，研究了不同實驗條件下Cu2+的淋洗去除效果，結果表明：淋洗劑種類是影響淋洗效果的重要因素，檸檬酸和EDTA2Na的淋洗效果都比較好，EDTA2Na的淋洗效果最好； 淋洗流速在一定范圍內上升，可以提高淋洗修復效果，但存在一個最適淋洗流速，超過該流速時，淋洗效果反而受制約；粗砂中Cu2+的淋洗效果要優于細砂，說明介質粒徑較大時利于Cu2+的淋洗去除。

土壤污染修復； 原位淋洗技術； Cu2+； 實驗教學

原位淋洗技術是修復土壤污染行之有效的原位修復技術之一，其修復機理主要是使淋洗劑在利用外力或自身重力作用下注入污染地層，增大污染物的水相濃度和遷移性，并通過設置抽提井或人工溝渠等收集和清除淋洗液[1]。淋洗液可以是水、表面活性劑/共溶(助溶)劑[2-4]、酸或堿溶液[5-6]、氧化或還原溶劑、螯合劑或絡合劑[7-8]等。化學淋洗技術修復效率受淋洗劑種類[9-12]、淋洗條件[13]、污染物的吸附/解吸作用及地層介質共同影響。針對原位淋洗技術的修復機理及影響因素，結合污染場地控制與修復實驗教學要求，設計了原位淋洗技術修復重金屬污染土壤的實驗操作平臺，實驗平臺以有機玻璃柱為模擬裝置，以蠕動泵為流速控制單元。學生自主選擇影響淋洗效果的影響因素，自行設計實驗方案、制定實施步驟，并完成整個實驗。

原位淋洗技術修復重金屬污染土壤實驗，以硝酸銅為目標污染物，分析不同淋洗劑種類、淋洗條件和場地條件下土壤中Cu2+的去除效果。實驗選定的淋洗劑種類有檸檬酸和EDTA2Na，同時以蒸餾水做對照實驗。淋洗條件：3種不同的淋洗流速，分別為1、5、10 mL/min；場地條件為不同粒徑的細砂和粗砂。通過上述實驗過程，使學生更加充分了解原位淋洗技術的機理和影響因素。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

0.1～0.25 mm細砂、1～2 mm粗砂、硝酸銅、乙二胺四乙酸二鈉、檸檬酸、濾布、乳膠管、止水夾、0.22 μm水系濾頭、10 mL注射器、100 mL燒杯、蠕動泵、10 mL離心管、原子吸收分光光度計、高速離心機等

1.2 實驗方法

實驗裝置示意圖見圖1。實驗在一維有機玻璃模擬柱(土柱)內進行，模擬柱內徑5 cm、高30 cm，在模擬柱下端設有取樣口。在模擬柱內底部的布水板以上鋪設單層濾布，防止介質阻塞布水板上的布水孔，然后按照少量多次的原則，逐次加入預先被硝酸銅污染的砂土，填裝過程中不斷夯實，避免出現大的孔隙和裂縫，填裝高度25 cm。以蠕動泵控制淋洗液的淋洗流速，在模擬柱的上部泵入不同種類的淋洗液。以取樣口有液流出為計時零點，每15 min取一次水樣，利用注射器將水樣過0.22 μm水系濾膜，置于比色管內，利用原子吸收測定吸光度。具體實驗方案見表1。

圖1 原位淋洗修復重金屬污染土壤實驗裝置示意圖

表1 原位淋洗實驗方案

在填裝模擬柱前，教師要提醒學生要充分考慮實驗條件，如模擬柱檢漏、鋪設濾布等；在填裝過程中，強調少量多次原則，避免單次填裝砂土過多、過快，夯實不嚴；土柱填裝同時，提醒同組其他學生調整蠕動泵轉速為固定值；待土柱填裝完畢，以蠕動泵泵入淋洗液，淋洗液的注入點一定要位于砂土表面中心位置；樣品不能及時測定時要放在冷藏柜中冷藏保存，避免微生物滋生，影響過濾效果。在實驗具體實施過程中，以上內容均由實驗教師現場指導學生完成。

2 結果與討論

2.1淋洗劑種類對重金屬去除效果的影響

以粗砂為實驗介質，選定淋洗流速為5 mL/min。不同淋洗液的淋出液中的Cu2+質量濃度C隨時間t變化曲線見圖2。由圖2可知：3種淋洗劑的淋出液中Cu2+質量濃度基本上呈現先上升后下降的趨勢，150 min后，淋出液中Cu2+質量濃度基本趨于平穩；淋洗劑為EDTA2Na，淋出液中Cu2+最高質量濃度為17.59 mg/L，質量濃度最高點出現時間為75 min；檸檬酸淋洗過程中Cu2+的最高質量濃度11.56 mg/L，小于EDTA2Na的淋洗最高質量濃度，并且最高質量濃度出現時間較EDTA2Na延后約10 min；蒸餾水淋洗過程中，淋出液中Cu2+的質量濃度始終低于其他2種淋洗劑，并且最高質量濃度出現時間均稍有延遲。

圖2 不同淋洗劑的淋出液中Cu2+質量濃度隨時間變化曲線

不同時間下3種淋洗劑中Cu2+的累積去除率γ見圖3。由圖3可知：隨著淋洗時間延長，Cu2+的累積去除率逐漸上升，150 min后累積去除率的上升幅度明顯變緩；其中EDTA2Na的累積去除率最高，195 min時達到了97%，其次為檸檬酸81%，蒸餾水的累積去除率較低，為30%。

圖3 不同淋洗劑的Cu2+的累積去除率

對比分析3種淋洗劑的淋洗效果可以發現：蒸餾水能夠在一定范圍內去除一定量的Cu2+，這部分Cu2+主要是因為截留、吸附在介質表面，在水流沖洗作用下，能夠溶解、解吸進入水中，從而被去除，但該部分Cu2+含量有限，因此蒸餾水的淋洗效果較差；檸檬酸和EDTA2Na的淋洗效果優于蒸餾水，這主要是2種淋洗劑和介質中的Cu2+形成了更加穩定的螯合物，能夠使吸附在介質表面或內部的Cu2+進入水溶液中，從而將其去除；但檸檬酸的淋洗效果較EDTA2Na稍差，這主要是因為檸檬酸屬于高分子物質，在淋洗過程中容易發生阻塞介質孔隙等現象，影響Cu2+的解吸及傳質，從而影響淋洗效果。因此實際場地淋洗過程中，要根據場地具體情況，選擇合適的淋洗劑。

2.2 淋洗流速對重金屬去除效果的影響

以粗砂為實驗介質、EDTA2Na為淋洗劑，不同淋洗流速條件下淋出液中Cu2+質量濃度隨時間變化曲線見圖4。由圖4可知：1 mL/min的淋洗流速下，淋出液中Cu2+的最高質量濃度為10.24 mg/L，對應的時間為105 min；隨著淋洗流速升高至5 mL/min，Cu2+的最高質量濃度上升至17.59 mg/L，最高質量濃度出現時間較1 mL/min的流速提前了30 min；但隨著淋洗流速進一步增加，淋出液中Cu2+的最高質量濃度沒有表現出上升趨勢，反而下降到15.36 mg/L，對應的時間為90 min。

圖4 不同淋洗流速下淋出液中Cu2+質量濃度隨時間變化曲線

不同淋洗流速下Cu2+的累積去除率見圖5，可知：3種淋洗流速下Cu2+的累積去除率均隨著淋洗時間延長而增加；150 min后，累積去除率增加的幅度變緩，其中1 mL/min淋洗流速的累積去除率為87%，流速為5 mL/min和10 mL/min的累積去除率接近，分別為97%和95%。

圖5 不同淋洗流速下淋洗效果

分析3種淋洗流速條件下的淋洗效果，可以發現：隨著淋洗流速增加，淋出液中Cu2+的最高質量濃度和累積去除率均增加，但進一步提高淋洗流速，淋洗效果反而下降，主要原因可能是淋洗流速過快，雖然在一定程度上增加了對介質的擾動程度，但是卻縮短了淋洗劑和污染物的接觸時間，造成解吸不充分，從而影響了淋洗效果。因此在實際場地淋洗過程中，要選擇淋洗流速，以避免造成淋洗效果下降、淋洗劑用量浪費的情況。

2.3 介質粒徑對重金屬去除效果的影響

以EDTA2Na為淋洗劑、淋洗流速為5 mL/min，不同粒徑介質條件下淋出液中Cu2+的質量濃度隨時間變化曲線見圖6。可知：粗砂介質中，淋出液中Cu2+的最高質量濃度為17.59 mg/L，高于細砂中Cu2+的最高質量濃度9.56 mg/L，并且粗砂中最高濃度出現的時間較細砂提前。

圖6 不同介質條件下淋出液中Cu2+質量濃度隨時間變化曲線

不同介質條件下Cu2+的累積去除率見圖7。可知：粗砂中Cu2+的累積去除率97%明顯優于細砂的73%。

圖7 不同介質條件下淋洗效果

在本實驗條件下，介質粒徑越大，淋洗效果越好，這可能是因為介質粒徑大，介質孔隙相應就大，淋洗劑與污染物的接觸就越充分。該實驗結果表明在實際場地淋洗過程中要充分考察場地的介質條件。

3 結論

(1) 淋洗劑種類是影響淋洗效果的重要因素，在選擇淋洗劑種類時，要結合具體的淋洗機理，選擇合適的淋洗劑；

(2) 淋洗流速能夠在一定范圍內提高淋洗效果，但對于特定的場地，一般存在一個最適的淋洗流速；

(3) 粗砂中Cu2+的淋洗效果要優于細砂，這說明介質粒徑較大時，利于污染物的去除；

(4) 通過原位淋洗技術修復重金屬污染土壤實驗教學，使學生更加深入直觀地了解原位淋洗技術的機理及影響因素，提升了學生的實驗技能和專業素質。

References)

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Application of in-situ leaching technology in experimental teaching

Bai Jing, Zhao Yongsheng, Qin Chuanyu

(Key Laboratory of Ministry of Education for Groundwater Resources and Environment，Jilin University, Changchun 130021, China)

In order to improve the experimental teaching effect of the Contaminated Sites Control and Remediation course, the in-situ leaching operating platform is designed. By using a self-designed plexiglass column as an analog device and the peristaltic pump as a velocity control unit, the leaching removal efficiency of Cu2+under different experimental conditions is studied. The results show that the eluent types are the important factors influencing the leaching effect, the citric acid and EDTA2Na have the better leaching effect, and the EDTA2Na has the best leaching effect. When the leaching velocity increases in a certain range, it can improve the leaching remediation effect. However, there is an optimum leaching velocity, and when this velocity is exceeded, the leaching effect is restrained. The leaching effect of Cu2+in the coarse sand is better than that in the fine sand, indicating that the larger particle size is beneficial to the leaching removal of Cu2+.

soil pollution remediation; in-situ leaching technology; Cu2+; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.011

G642.0；X53

A

1002-4956(2017)11-0039-03

2017-05-16修改日期2017-07-03

國家自然科學基金項目“污染含水層原位空氣擾動修復增強機理研究”(3A412S251425)

白靜(1983—)，女，河北唐山，工學博士，高級實驗師，主要從事污染場地控制與修復研究

E-mailbaijing927@jlu.edu.cn

趙勇勝(1961—)，男，內蒙古達茂旗，教授，博士生導師，主要從事污染場地控制與修復、地下水污染的模擬預測等研究.

E-mailzhaoyongsheng@jlu.edu.cn