改性多孔阴极管系统结合侧向阳极配置对土壤阳离子的电动迁移效应研究

为解决土壤电动修复(SEKR)中无机污染物去除效率低的问题，研究人员通过改进传统多孔阴极管系统(PCPSS)，设计出侧向阳极配置的LA-PCPSS系统。研究采用不同电压源(DSAV)和单一电压源(SSAV)两种连接方式，证实DSAV-(LA-PCPSS)对Mg、Na、K等阳离子去除效果最佳，为盐渍化土壤修复提供了新技术方案。

　　

土壤污染修复领域面临重大挑战：传统电动修复技术存在pH波动、反向电渗流、电流衰减等问题，导致低渗透性土壤中污染物去除效率低下。尤其对于盐渍化土壤，如何高效迁移Mg²⁺、Ca²⁺等关键阳离子成为技术瓶颈。针对这一难题，中国某研究机构团队在《Soil Advances》发表创新成果，通过改造多孔阴极管系统(PCPSS)的电极构型，显著提升了土壤阳离子的电动迁移效率。

研究团队基于前期开发的PCPSS技术，提出两种创新改进方案：一是采用不同电源供电的侧向阳极系统(DSAV-LA-PCPSS)，二是单一电源连接的侧向阳极系统(SSAV-LA-PCPSS)。通过对比传统设计(PCPSS-TD)与两种改良系统，使用埃及El-Gabal El-Asfar地区实际污染土壤（含Mg 1761.6 mg/kg、Ca 1642 mg/kg、K 2793 mg/kg等），采用ICP-OES检测技术，系统评估了32天电场作用(1 V/cm)下六种阳离子的迁移规律。

研究结果显示，双对侧向阳极设计的DSAV系统表现最优：对于高浓度阳离子，TP-DSAV方案对Mg、Na、K的去除率分别达64%、80%和50%，浓度比(CR)降至0.36-0.96；而单对侧向阳极(OP-DSAV)对Ca、Li的CR值控制在0.25-0.95。特别发现Ba的迁移行为异于其他阳离子，最佳去除方案为SSAV系统，CR值最低至0.2。

技术方法上，研究采用模块化设计：主体为28×24×4 cm丙烯酸反应器，钛棒表面阳极与不锈钢阴极管(Φ1.5 cm)间距20 cm，侧向阳极采用石墨电极。通过中国产RXN系列电源提供稳定直流电场，UT61E电流表监测电路参数。土壤样品经HNO₃-HF-HClO₄消解体系处理后，使用Thermo Fisher iCAP PRO X Duo ICP-OES检测阳离子含量。

在结果部分，各阳离子展现出独特迁移特征：

1. Mg行为：DSAV-TP设计实现最均匀迁移，表层CR值0.36，阴极区积累现象显著减轻
2. Ca行为：DSAV系统呈现规律性浓度梯度，相比传统设计去除率提升50%
3. Ba异常：SSAV系统表现最优，但出现局部CR值达3.2的反常积累
4. Na去除：DSAV-TP设计使表层CR值降至0.2，但阴极间隙出现积累
5. Li迁移：低浓度特性使其对DSAV-OP响应最佳，CR值范围0.58-1.04
6. K动力学：高背景浓度下，DSAV-TP实现最稳定迁移，中层积累减少40%

讨论部分指出，改良设计的核心优势在于通过多级电场调控离子水合半径效应。DSAV系统的分电源策略有效克服了传统SEK的"pH跳跃区"问题，而侧向阳极配置增强了电场均匀性。研究同时发现阳离子价态与迁移效率的非线性关系：二价离子(Ca²⁺、Ba²⁺)在SSAV系统中更易受土壤吸附影响，而一价离子(Na⁺、K⁺)对DSAV系统响应更佳。

该研究为盐渍土修复提供了重要技术路径，未来可通过太阳能供电、脉冲电场耦合等方式进一步优化能耗。特别值得注意的是，研究首次揭示了Ba在电动修复中的反常行为，这对处理含钡污染物土壤具有指导价值。团队计划将PCPSS技术拓展至污泥处理领域，并结合电渗析实现资源回收，推动电动修复技术向工程化应用迈进。