电解液室嵌入深度对表面电解质修复铜锌污染软黏土的电动修复效果影响机制研究

本刊推荐：本研究通过多物理场耦合建模与实验验证，系统分析了电解液室嵌入深度对电动修复技术（EKR）处理Cu-Zn污染软黏土效率的影响。研究发现深度调控可优化电场分布与离子迁移路径，显著提升Cu的定向电迁移，而Zn受阴极区高pH条件下阴离子络合物反向迁移制约。该表面电解液装置有效解决了传统EKR的电解液泄漏和优先流路径问题，为异质地下环境修复提供了新策略。

　　

¹研究亮点²

数值模型构建

重金属污染土壤的电动修复（EKR）过程通过耦合多物理场框架进行建模，整合了电场、流场和多孔介质中的稀物质传输过程。控制方程基于第一性原理推导，在保证计算可行性的前提下纳入了基本电动现象。

基本假设如下：（1）土壤被视为均质且各向同性的多孔介质；（2）电极反应遵循法拉第电解定律；（3）忽略温度波动对电导率和迁移率的影响。

电解质pH动态

pH值是影响土壤表面电荷特性、重金属与土壤表面结合强度的关键因素，并最终主导重金属的吸附-解吸行为。表4展示了所有实验测试中每日更新的电解液和修复后土壤的pH变化。在EKR过程中，阳极发生氧化性水电解，产生分子氧和水合氢离子（方程式13）。阴极同时促进两个竞争反应：析氢反应（产生氢氧根离子和氢气）和氧还原反应（消耗氧气）。

关键结论

通过多物理场耦合建模与实验验证，本研究表明电解液室的嵌入深度是控制铜锌污染软黏土EKR效率的关键因素。主要发现及其意义总结如下：

嵌入深度直接调控电场分布和金属去除模式。较浅的深度（例如5 cm）导致电场随距离阳极的距离增加而显著衰减，电能大量耗散于非目标区域（如上层砂层）。相反，更深的嵌入（例如15 cm）将电场更集中地引导至目标污染区域，从而优化了电势梯度并提高了电流利用效率。

铜和锌的去除表现出截然不同的深度依赖关系。铜的提取效率随着深度增加而持续显著提升，这归因于增强的定向电迁移和更有效的电场利用。然而，锌的去除在中等深度达到峰值，更深反而导致效率下降。这种差异源于两种金属在阴极区化学形态的不同：锌倾向于形成可移动的阴离子络合物，这些络合物在高pH的阴极区会反向迁移并沉淀，限制了其总体去除率。

该系统的电场分布、电渗流和土壤湿度密切相关。较深的电解液室嵌入虽然降低了总电流和电渗流速率，但有助于更好地保持土壤湿度，并减少水分蒸发损失。这种湿润环境的维持对于维持连续的离子迁移路径和防止土壤干燥导致的电阻急剧升高至关重要。

该系统在砂层-黏土分层体系中的成功应用证明了其在修复异质地下环境方面的效力。通过物理隔离电解液与高渗透性土层，该设计有效解决了传统EKR的常见挑战，包括电解液泄漏和优先流路径问题，为实际场地的应用提供了可靠且可扩展的解决方案。