光谱激发极化技术实时监测活性炭渗透反应屏障中锌去除机制的研究

本研究针对地下水锌污染治理难题，创新性地采用光谱激发极化(SIP)技术实时监测活性炭渗透反应屏障(PRB)对Zn2+的去除过程。通过柱实验结合SEM-EDS、MIP等表征手段，揭示了Zn2+通过阳离子交换、静电吸附和沉淀的固定机制，发现SIP信号归一化电荷量(mn)与锌滞留量呈线性相关，证实0.01μm孔喉通道对Zn2+迁移的阻碍作用。该研究为PRB修复过程的原位监测提供了新方法。

　　

随着工业化进程加速，采矿、电池废弃等人类活动导致地下水锌污染日益严重。锌作为神经毒性重金属，不仅破坏土壤生态，更通过食物链威胁人体健康。传统渗透反应屏障(PRB)技术虽能有效拦截污染羽流，但依赖钻孔取样和实验室分析的监测方式会破坏屏障结构，且无法实时反映污染物迁移过程。如何实现PRB修复过程的无损监测，成为环境工程领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，浙江大学团队在《Journal of Contaminant Hydrology》发表研究，首次将光谱激发极化(SIP)技术应用于活性炭(AC)PRB的锌去除过程监测。通过设计不同Zn²⁺浓度(50-200mg/L)的柱穿透实验，结合SEM-EDS、MIP、XRD等表征手段，系统解析了锌在活性炭表面的固定机制及其与SIP响应的关联规律。

关键技术包括：1) SIP频谱扫描(0.01-1000Hz)获取复电导率谱；2) 汞侵入孔隙率测定(MIP)量化孔隙分布；3) 同步开展穿透实验与SIP信号采集；4) SEM-EDS元素面扫描定位锌分布；5) 基于Donnan模型模拟Zn²⁺迁移过程。

主要发现

1. AC样品表征与形貌
   SEM显示原始AC具有三级孔隙体系：100μm大孔、1μm蜂窝状介孔和0.01-0.1μm微孔喉道。Zn²⁺渗透后表面出现纳米级Zn(OH)₂沉淀颗粒，FTIR证实羧基参与阳离子交换。

2. 归一化电荷量m_n与Zn²⁺含量关系
   发现m_n与Zn²⁺滞留量呈线性相关(R²>0.98)，证实SIP可定量表征锌固定量。低浓度(50mg/L)时m_n响应滞后，与双电层(EDL)重叠限制Zn²⁺进入微孔有关。

3. Zn²⁺迁移的孔隙限制效应
   MIP显示0.01μm孔喉是关键限速位点。Donnan模型揭示低浓度时EDL重叠使有效吸附面积减少42%，高浓度(200mg/L)时EDL压缩效应缓解该限制。

结论与意义
该研究创新性地建立了SIP信号参数与AC-PRB锌去除效率的定量关系，首次发现：1) 微孔喉道通过EDL效应调控Zn²⁺迁移；2) m_n可作为实时监测指标；3) 高浓度Zn²⁺通过压缩EDL提升微孔利用率。相比传统Cu²⁺监测研究(Zhou et al., 2024)，本工作揭示了锌特有的EDL-孔隙耦合机制。

这项成果为PRB修复过程提供了革命性的原位监测工具，其揭示的EDL-孔隙相互作用机制对优化PRB材料设计具有指导价值。未来可拓展至镉、铅等重金属污染场地的实时监控，推动环境修复技术向智能化方向发展。