微波脫附揮發(fā)性有機(jī)物污染土壤修復(fù)技術(shù)研究

王星，王欣，郭斌，龍飛

(1.河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.揮發(fā)性有機(jī)物與惡臭污染防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，河北 石家莊 050018；3.河北省大氣污染防治中心，河北 石家莊 050018)

近年來(lái)，我國(guó)大量重污染化工企業(yè)相繼搬遷和關(guān)閉，形成許多嚴(yán)重的有機(jī)污染場(chǎng)地，而這些場(chǎng)地有很高的再利用價(jià)值[1-4]。微波輻照脫附-分解修復(fù)土壤技術(shù)包括兩個(gè)處理步驟：一是微波土壤加熱單元，用于加熱土壤，將土壤中的有機(jī)污染物揮發(fā)成氣相，并將它們分離[5-7]；另一個(gè)是微波揮發(fā)性有機(jī)污染物催化氧化單元，用于處理脫附的有機(jī)廢氣，將有機(jī)物氧化成水和二氧化碳，達(dá)標(biāo)排放[8-10]。修復(fù)后土壤可回填利用，無(wú)二次污染，具有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益[11-16]。

本實(shí)驗(yàn)采用微波脫附技術(shù)對(duì)甲苯污染的土壤進(jìn)行修復(fù)。考察了甲苯濃度、土壤含水率、土層厚度、微波功率等對(duì)甲苯去除率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

褐色土壤；甲苯、氯化鈉均為分析純。

MICHEM MD6微波發(fā)生器；7820A型氣相色譜儀；D-100微量進(jìn)樣器；DF-101S恒溫箱；AL204電光分析天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 飽和氯化鈉溶液配制 量取500 mL二次蒸餾水(或純水)，滴加幾滴磷酸，調(diào)節(jié)pH≤2，加入180 g氯化鈉，溶解并混勻。于4 ℃下保存，可保存6個(gè)月。

1.2.2 配制不同濃度的污染土壤 褐色土壤中加入甲苯，配制成濃度分別為5，10，15，20，25 g/kg的土壤。

1.2.3 配制不同含水率的污染土壤 通過(guò)重量法計(jì)算，配制成含水率為5%，10%，15%，20%，25%的污染土壤。

配制好的土壤密封保存在桶內(nèi)，陰暗處?kù)o置3～5 d，待其穩(wěn)定后用于實(shí)驗(yàn)。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)方法 取甲苯濃度15 g/kg，含水率15%的土壤各20 g，置于蒸發(fā)皿中，土壤厚度0.5 cm，置于微波發(fā)生器中，在微波功率1 000 W下加熱脫附。每隔5 min取2 g土，置于22 mL頂空瓶中，并加入10 mL飽和氯化鈉溶液，立即密封，進(jìn)行頂空-氣相色譜分析，測(cè)定甲苯含量。

1.3 分析方法

氣相色譜條件：火焰離子檢測(cè)器(FID)，進(jìn)樣口溫度220 ℃；分流進(jìn)樣(分流比5∶1)；色譜柱選擇石英毛細(xì)管柱，30 m(長(zhǎng))×0.32 mm(內(nèi)徑)×0.25 μm(膜厚)；升溫程序?yàn)椋?5 ℃保持2 min，之后以8 ℃/min升溫至90 ℃，保持5 min，最后以6 ℃/min的速度升溫到120 ℃，保持5 min。

載氣是氮?dú)猓魉贋?0 mL/min，助燃?xì)馐歉呒兛諝猓髁繛?00 mL/min，燃?xì)馐菤錃猓髁繛?30 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 甲苯濃度對(duì)甲苯去除率的影響

取含水率為20%不同濃度的土壤各20 g，考察甲苯濃度對(duì)甲苯去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，隨著甲苯濃度的增加，甲苯去除率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，濃度為10 g/kg時(shí)，去除率最高，加熱20 min時(shí)，甲苯去除率最高，達(dá)到85.29%。

圖1 甲苯濃度對(duì)甲苯去除率的影響

2.2 土壤含水率對(duì)甲苯去除率的影響

取甲苯濃度為15 g/kg不同含水率的土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察土壤含水率對(duì)甲苯去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 土壤含水率對(duì)甲苯去除率的影響

由圖2可知，隨著含水率的增加，甲苯去除效率增加，含水率20%時(shí)，甲苯去除效率最好，處理20 min 時(shí)的去除率為100%。這是因?yàn)樵?5 min時(shí)，土壤溫度達(dá)到了甲苯的沸點(diǎn)110 ℃，繼續(xù)微波輻照，土壤中的甲苯能更有效的熱脫復(fù)或熱分解。另外，土壤中的水分揮發(fā)也能帶走一部分甲苯，這使得含水率的增加可以提高甲苯的去除率，甚至可以達(dá)到100%。

2.3 土層厚度對(duì)甲苯去除率的影響

取甲苯濃度為15 g/kg，含水率為15%的土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察土壤厚度對(duì)甲苯去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著土壤厚度的增加，甲苯的脫附率降低。土層厚度為0.5 cm時(shí)，處理20 min，去除率達(dá)96.84%。這是因?yàn)橥寥篮穸葴p小時(shí)，同樣微波功率下，輻照時(shí)間相同時(shí)，土壤溫度更高，相當(dāng)于微波輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)處理20 min 時(shí)，土壤的溫度均已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)甲苯的沸點(diǎn)，從而使得甲苯的去除率較高。

圖3 土壤厚度對(duì)甲苯去除率的影響

2.4 微波功率對(duì)甲苯去除率的影響

取甲苯濃度為15 g/kg，含水率為15%的土壤，考察微波功率對(duì)甲苯去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 微波功率對(duì)甲苯去除率的影響

由圖4可知，隨著功率的增加，甲苯的脫附效率增高。1 000 W后，上升速率趨于平緩，15 min時(shí)的最高去除率為99.54%；20 min時(shí)的最高去除率為100%。微波功率的增加，意味可以提供更多的熱量，加速土壤的升溫。

2.5 熱氣流脫附技術(shù)

采用熱氣流脫附技術(shù)對(duì)含甲苯的土壤進(jìn)行脫附實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，土壤進(jìn)行熱氣流脫附20～40 min 時(shí)，修復(fù)效果最好，修復(fù)效率最高達(dá)到98%。

對(duì)比熱通風(fēng)實(shí)驗(yàn)可知，微波實(shí)驗(yàn)具有耗時(shí)小、去除效率高的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

采用微波輻照脫附-分解修復(fù)土壤，甲苯含量10 g/kg，含水率15%，土層厚度為0.5 cm，在功率為1 500 W脫附20 min時(shí)，甲苯去除率達(dá)到100%。尾氣采用微波催化燃燒裝置，其凈化效率達(dá)到93%，可達(dá)標(biāo)排放。