螯合剂辅助淋洗下重金属污染土壤解吸过程的解析评估及其修复应用

本研究针对重金属污染土壤修复中螯合剂辅助淋洗过程的动力学机制不明问题，通过建立基于平流主导假设的解析模型，结合EDTA-2Na柱淋洗实验和数值模拟，揭示了重金属解吸行为符合准一级动力学模型，并发现柱试验解吸速率比批次试验慢3-10倍。该研究为土壤淋洗修复设计提供了理论依据，发表于《Soils and Foundations》。

　　

重金属污染已成为全球性环境问题，尤其在中国等工业快速发展的地区，土壤自净能力远低于污染负荷。传统修复技术中，螯合剂辅助土壤淋洗因其高效性和可持续性备受关注，但现有研究多聚焦于平衡解吸率，对动态解吸过程的理论解析严重不足。此外，批次试验与现场柱试验数据差异大，导致实际工程设计中存在盲目性。

针对这一难题，来自浙江大学的研究团队在《Soils and Foundations》发表论文，通过建立一维平流主导的解析模型，结合EDTA-2Na淋洗铅/铜污染粉质土的柱实验，首次量化了螯合剂存在下的解吸动力学特征。研究发现，重金属解吸行为更符合准一级动力学模型（伪一级模型），柱试验解吸速率（λ₁=9.1×10^-5~3.0×10^-5 s^-1）显著低于批次试验，但平衡解吸率（63.3%-78.6%）保持一致，证实土壤密实度通过限制反应空间和螯合剂接触效率影响动力学过程。

研究采用三大关键技术：1）构建考虑螯合剂吸附滞后效应（R_d=1.5-2.0）的平流-解吸耦合模型；2）通过COMSOL Multiphysics?数值模拟验证模型忽略扩散的合理性（D≤2×10^-9 m²/s时误差<5%）；3）标准化柱实验设计（ASTM D4874-95），采用原子吸收光谱（AAS）检测Pb²⁺/Cu²⁺浓度。

【理论模型】
基于质量守恒方程和准一级/准二级动力学公式，推导出非吸附性（R_d=1）和吸附性螯合剂条件下的解析解。数值验证显示，扩散系数在典型土壤值（2×10^-10 m²/s）下对BTC影响可忽略，支持平流主导假设。

【实验验证】
使用杭州粉质土（pH=8.8）制备Pb/Cu污染样本（100-400 mg/kg），EDTA-2Na浓度（0.005-0.03 mol/L）实验表明：1）BTC峰值出现在1.6-2.0 PV（孔隙体积），与模型预测R_d位置吻合；2）螯合剂浓度不影响解吸过程，但初始污染浓度与BTC幅值呈正比；3）异常数据（200 mg/kg Cu）揭示侧渗会显著降低修复效率。

【参数拟合】
校准显示Pb解吸速率是Cu的2-3倍，且伪二级模型会高估尾端浓度（如100 mg/kg Pb解吸率>100%）。柱试验λ₁值比批次试验低1个数量级，但平衡解吸率相近，证实密实土壤中传质限制是速率主控因素。

该研究首次通过解析模型量化了螯合剂淋洗的动态过程，突破传统依赖数值模拟的局限。明确准一级动力学的适用性为修复方案优化提供关键参数，而柱/批次试验速率差异警示直接套用实验室数据的风险。成果对砷（As）等金属的螯合修复也有借鉴意义，但需进一步验证模型对阴离子型污染物的适用性。浙江大学团队的工作为土壤淋洗技术从经验走向理论奠定了基石。