第二章 文獻回顧
2.6 電動力技術用於處理重金屬污染土壤之研究
2.6.2 實場尺度
2.6.2.4 電動力實場整治文獻彙整
圖 2.7 荷蘭海牙加油站整治場址電動力裝置設立圖(BioSoil BV 提供)
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Gent et al. (2004)於試驗中以不鏽鋼棒為陰極，而陽極處於高腐蝕 條件下運行，利用鈦空心管外層鍍上銥氧化物(防止氧化)為陽極電極 (電極尺寸設計如表 2.6 所示)，利用檸檬酸為其電解液，進行 118 天 之電動力處理，初始電位坡降為 0.4 V/cm，但因高電位坡降下較難以 控制 pH 值，而使陽極槽液過酸導致電極氧化腐蝕，所以在第 20 天 後將電壓降至 0.27 V/cm，作為增益劑的檸檬酸加入後，在 118 天的 整治下 Cr 及 Cd 金屬的去除率分別達到 78 %及 70 %，且實場整治發 現 Cr 及 Cd 除與實驗室有相同往陰極之橫向移動趨勢外，亦有向上 移動至較淺深度之垂直向移動情形，而在參數變化上，實場整治與實 驗室較不同在於能量消耗較低，其值分別為 350 kwh/m3 (實驗室)及 200 kwh/m3 (現場整治)；且與實驗室實驗相比，電位坡降提升並不一 定可反映出相對的污染物去除效率，其主要受到介質中電阻的影響，
而主要影響電位坡降的原因取決於電極間距，因此在電極間距對電動 力修復技術的影響與能源消耗之關係應更進一步探討。
Zhou et al. (2006)於試驗中欲去除銅污染紅土，以不鏽鋼棒為電極 (電極尺寸設計如表 2.6)，於實驗初始加入自來水，至 30 天後加入 0.05 M 的乳酸為電解液，以幫助調整槽液之 pH 值以及作為一增益劑與土 壤中的 Cu 絡合後，形成一種可溶之絡合物，增加其溶解度並隨 乳酸移動後去除，且乳酸具生物分解性，不致造成土壤二次污染，而 乳酸的加入亦可作為一緩衝溶液調節土壤 pH 值，因此選用乳酸為操 作流質；加入乳酸後，槽液 pH 值下降只在 0.1 至 1.6 個單位內(4.8±1.6)，
如上所述，可達到控制 pH 值之目的，且在整治後發現 Cu 的去除主 要係在 30 天後，因乳酸的添加加強調解電解液的 pH 值及溶解土壤
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表 2.6 電極種類及設計對於處理效能影響之文獻彙整-實場尺度
Type of electrode Pollutants Electrode System Operation parameters Sumary results Literatures
Anode：Titanium hollow tubes wated iridium
(2.54 cm × 0.9 m, D×L) Cathode：Stainless steel mesh
(3.2 mm × 5.2 cm × 3m)
Heavy metal (Cr、Cd)
Arrangement：Rectangle Soil：lagoon
Distance：1.5 m Depth：3 m
Volume treated：64 m3
Processing fluid：Citric acid
Potential gradient：0.4 (Day1-20) V/cm 0.27 (Day 20-118) V/cm
pH：4-8；Duration：118 days Initial concentration：
Cr 180-1100 mg/kg Cd 5-20 mg/kg
1. Removal efficiency：
Cr：78 %；Cd：70 % 2. After treatment it indicate
that most of the chromium and cadmium contamination has moved upward toward the cathode.
Gent et al., 2004
Stainless steel (6 cm × 75 cm, D×L)
Heavy metal (Cu)
Arrangement：Rectangle Soil：red soil
Electrode distance：1.0 m Depth：0.7 m
Volume treated：0.56 m3
Processing fluid：0.05M Lactic acid Potential gradient：0.875 V
pH：4.8
Initial spike concentration：
829 mg/kg
Duration：140 days
1. Removal efficiency：Cu = 76
%
2. Lactic acid chosen as enhance eagent for adjusting the catholyte pH and dissolving Cu by complexation.
Zhou et al., 2006
Test I：Iron stick (5 cm × 150 cm, D×L)
Nitrate from greenhouse soil
Arrangement： Rectangle Soil：sandy
Electrode distance：80 cm Depth：10 cm
Volume treated：125 m3
Processing fluid：Tap water Power supply：1-5A；pH：7.8
Initial spike concentration：27,985 mg/kg Duration：54 days
1. Removal efficiency：Nitrate - 70 %
2. The energy consumed during the test was much lower than that used in the pilot test II.
Lee et al., 2011
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表 2.6、電極種類及設計對於處理效能影響之文獻彙整-實場尺度(續)
Type of electrode Pollutants Electrode System Operation parameters Sumary results Literatures
Test II：Iron stick (5 cm × 80 cm, D×L)
Nitrate from greenhouse soil
Arrangement： Rectangle Soil：silt and clay
Electrode distance：25 cm Depth：anode：10 cm
cathode：20 cm Volume treated：2.4 m3
Processing fluid：Tap water Power supply：1 A；pH：7.1 Initial concentration：
15,489 mg/kg Duration：64 days
1. Removal efficiency：Nitrate - 90 %
2. System II was not applicable to the field because the cathode should be buried under the center of a ridge.
Lee et al., 2011
Steel electrodes
(0.2 cm × 70 cm, D×L)
Radiation contamination (Pu)
Arrangement： Rectangle Electrode distance：1.5 m Depth：1.0 m
Volume treate：2.4 m3
Processing fluid：0.04M Citric acid Potential gradient：0.08 V/cm；
pH：6-6.5
Duration：60 days
Removed reach to less than 0.4 Bq/g.
Agnew et al., 2011
Stainless steel
(6 cm × 75 cm, D×L)
Heay metals (Pb、Cu)
Arrangement：Hexagonal Soil：red soil
Electrode distance：1.0 m Depth：1.0 m
Volume treate：5.2 m3
Processing fluid：groundwater Potential gradient：1 V/cm Initial concentration：
Pb 1,596.3±194.8 mg/kg Cu 160.3±38.9 mg/kg Duration：100 days
1. Removal efficiency：Pb - 63.8±12 %；Cu - 39.5±35 % 2. Pb was a contaminant
difficult to remove from soil because of its low mobility and high affinity for soil.
Lee et al., 2012
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表 2.6 電極種類及設計對於處理效能影響之文獻彙整-實場尺度(續)
Type of electrode Pollutants Electrode System Operation parameters Sumary results Literatures
Stainless steel
(15 cm × 170 cm, D×L)
Heay metals (As、Pb、Cu)
Arrangement：Hexagonal Soil：Sandy loam
Electrode distance：0.5-1.0 m Depth：1.5 m
Volume treated：4-8 m3
Processing fluid：anolyte-NaOH catholyde:water (A1)、EDTA (A2、A3、A4)
Potential gradient：1 V/cm；
Initial concentration：
As 0.54-183.9；Pb
13.25-220.25；Cu 11.49-504.61 mg/kg
Duration：100 days
1. Removal efficiency：As - 20.7
%；Cu - 12.1 %；Pb - 23.9 % 2. The contaminants were
accumulated to top layer.
3. The electrode configuration affected the transport of water as well as contaminants.
Kima et al., 2012
Stainless steel in PVC (10 cm × 180 cm, D×L)
Heay metals (As、Pb、Cu)
Arrangement：Hexagonal Soil：25.9 % Sand；61.4 %
Silt；11.7 % Clay Electrode distance：1.0 m Depth：1.2 m
Volume treated：1.8 m3
Processing fluid：anolyte-0.01M NaOH；catholyde-tap water circulated
Potential gradient：1 V/cm；
Initial concentration：
As 12.8-15.0；Pb 39.1-78.3；Cu 13.1-27.0 mg/kg
Duration：28 days
1. Removal efficiency：
As:24.5-43.2 %；Cu:17.7 %；
Pb:64.9-81.2 %
2. The contaminants were accumulated to top layer.
3. Effective circulation might enhance the performance of the electrokinetic process.
Kim et al., 2013
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中的 Cu 金屬，最後結果顯示，在 140 天的整治後，去除效率可達 76
%，且土壤中 Cu 金屬有向上遷移之現象，尤其以近陰極端最明顯，
此現象與 Alshawabkeh et al. (2005)研究結果一致，其因係近陰極端底 層土壤中孔隙水因壓力而引起向上水流趨勢，進而使污染物隨水流方 向向上遷移；而消耗功率為 244 kwh/m3，相較實驗室尺度研究(Acar and Alshawabkeh, 1996；Alshawabkeh et al., 2005)之消耗功率為
700-2760 kwh/m3要低許多。
Lee et al. (2011)於研究中以 PVC(聚氯乙烯)包覆鐵管電極(電極尺 寸設計如表 2.6 所示)，並於其上留有縫隙利於操作流質的流通，及防 止土壤之滲入(如圖 2.8)，以利進行硝酸鹽類污染土壤整治；於圖 2.9a 為 Test I 電極排列方式，陰/陽極電極間距約 80 cm，而 Test II 之陰極 電極被安置於兩支陽極電極之間(陰/陽極電極間距約 25 cm)，且陰極 所埋深度要比陽極深 10 cm(如圖 2.9b)，此設計是為了增加電位坡降 和引導產生電滲透流；Test I 在 1-5 A 的電流供應下，經過 54 天試驗 後硝酸鹽去除率可達 70 % 以上，消耗功率為 523.1 kwh/m3，而 Test II 在 1 A 的穩定電流供應之下，經過 64 天試驗後整體去除率可達 90 %，
圖 2.8 電極模組示意圖(Lee et al., 2011)
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消耗功率為 276.8 kwh/m3；Test I 及 II 實驗中，主要移除硝酸鹽機制 為電遷移，且由 Test I 及 Test II 實驗可發現，Test II 電極排列設計及 整治天數增加，係可有效提升去除效率及減少消耗功率。
Agnew et al. (2011)於研究中以不鏽鋼棒為電極(電極尺寸設計如 表 2.6)，以當地地下水配置 0.04 M 之檸檬酸溶液做為操作流質，選 用檸檬酸之原因係因其為食用有機酸，可被土壤中生物分解，較不易 造成二次環境之衝擊。現場試驗使用之電位坡降為 0.08 V/cm，相較 一般實驗室 1 V/cm 是相對較低的，其消耗功率亦僅有 33 kwh/m3，與 其他電動力技術之 200-500 kwh/m3相比相對亦較低，且此系統係應用 可充電式電池組，整治土壤體積為 2.4 m3(約 4 噸)，整治現場照片如 圖 2.10a 所示，電極擺設示意圖如 2.10b 所示(10 支不鏽鋼條)，若現 場位於較偏遠地區該技術仍係可實行，且係在相對較低成本及在不影 響現場操作下實行整治作業；經過 60 天試驗，可有效將鈽(Pu：放射 性污染物)金屬降至 0.4 Bq/g 符合環境容許最小值 1.7 Bq/g。
圖 2.9 場址電極排列示意圖(a)Test I；(b)Test II (Lee et al., 2011)
(a) (b)
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Lee et al. (2012)應用電動力技術於紅壤中整治一韓國某射擊場造 成之重金屬 Cu、Pb 污染場址(圖 2.11)之處理。圖 2.12a 為進行電動力 整治前處理整地照片，圖 2.11b 為污染土壤前處理照片(過篩)，圖 2.11c 為電動力處理廠外觀照片，左側桶槽為操作流質配置桶及出流收集桶 槽，圖 2.11d 為電極擺放設計照片，陰陽極以六角形陣列方式排列，
陰極位於六角形中央處，電極間距為 1.0 m，電極置放槽體長度為 1.5 m，污染土壤深度則為 1.0 m。
圖 2.12a 及 2.13b 為此場址中土壤 Pb、Cu 濃度空間分布圖，整治 期間以原場址地下水為操作流質，電位坡降 1.0 V/cm，經過 100 天的 整治時間後，於圖 2.12 即可看出 Pb 及 Cu 之污染濃度分佈圖，鉛金 圖 2.10 英國電動力實場整治照片(a)現地施工照片；(b)電極擺
設示意圖(Agnew et al., 2011)
(a)
(b)
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屬去除效率 63.8±12 %及 Cu 金屬去除效率為 39.5±35 %；Kim et al.
(2009)提及鉛金屬係屬土壤中難以去除重金屬之一，其因係鉛在土壤 圖 2.11 韓國某涉及場實場整治照片；(a)整地中；(b)土壤過篩；(c)電動力處
理廠；(d)電極擺放位置規則 (Lee et al., 2012)
(a) (b)
(c) (d)
(a)
(b)
圖 2.12 韓國某射擊場電動力技術處理後之污染物濃度空間分佈圖 (a)Pb；(b)Cu (Lee et al., 2012)
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中移動性較低且與土壤具高親和性之緣故，因此此研究中 Pb 之去除 需更常之整治時間，才可有效提升 Pb 之去除效率。
Kim et al. (2012)利用實地整治整治受重金屬污染之水稻土，探討 導電及配置之影響。各實驗條件如表 2.7 所示。原位場址土壤為砂質 壤土，土壤 pH 值 6.4，污染物深度最深達 1.5 m，其污染物為砷、銅 及鉛三種金屬，試驗過程為達同時去除砷、銅及鉛，則於以 NaOH 為 陽極電解液，EDTA 作為陰極電解液，陰極電極則以多孔洞中空不鏽 鋼為電極，為利於電解質流動，而陽極則以聚氯乙烯包覆，並同時以 紡織品包裹兩電極槽電極，以防止電解液的滲漏(如圖 2.13)；實驗期 間設計四種電極擺設方式(配置圖如圖 2.14 所示)，除陰陽極電極間距 及極性相同，並施加電位坡降 1.0 V/cm (A1、A2 及 A4)及 0.5 V/cm (A3)，
各系統覆蓋整治面積分別為 4 m2 (A1 及 A2)及 8 m2 (A3 及 A4)，並於 實驗達 4 週及 14 週分別進行第一次及第二次採樣。
於 pH 值變化中，陰陽極分別以 EDTA 及 NaOH 作為操作流質，
因此陰陽極槽中 pH 變化平均分別在 8 及 12 左右，而陰極於實驗 表 2.7 各電極配置之實驗條件(Kim et al., 2012)
Group Size (m2) Anolyte Catholyte Aa (m) Bb (m)
The number of electrode
Anode Cathode
A1 2 × 2 NaOH Water 1 0.5 5 10
A2 2 × 2 NaOH EDTA 1 0.5 5 10
A3 4 × 2 NaOH EDTA 2 0.5 5 10
A4 2 × 4 NaOH EDTA 1 1 5 10
Ps.a陰陽極電極間距；b同極性電極間距
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圖 2.13 電極系統示意圖(Kim et al., 2012)
圖 2.14 電極配置示意圖(Kim et al., 2012)
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期間 pH 值波動幅度較陽極明顯，其因係陰極電極總數為陽極 2 倍，
因而電解反應較明顯所致；實驗運行期間為 10 月，韓國十月屬冬季，
因此土壤系統初始溫度為 15 ℃，經 600 小時(25 天)整治後，分別提 升至 65、33 及 20 ℃(A2、A3 及 A4)，而 A2 顯示最高溫度因係電極 密度為 A3 及 A4 兩倍以上導致，而後於 1,500 小時(約 9 週)後逐漸下 降穩定。
而於 14 週整治後，對污染物去除效率分別為-3.4、-7.4 及 2.6 % (A1)，0.6、-48.8 及 31.2 % (A2)，10.8、-33.3 及-3.5 % (A3)及 20.7、
12.9 及 23.9 % (A4) (砷、銅及鉛)，從中可發現對金屬去除效率非常低，
主因係土壤異質性較大、污染物較複雜及地下水位變化所致，而電遷 移、電滲透流、重力流動、地下水流動及擴散/土壤孔隙水蒸發等，
皆會影響污染物傳輸與土壤升溫變化。
圖 2.15 為 As、Cu 及 Pb 金屬各層濃度分佈，TL(0-50 cm)、
ML(50-100 cm)及 BL(100-150 cm 分別表示頂層、中間層及底層濃度，
由圖 2.15 中可明顯發現三種金屬於底層(BL)濃度明顯皆較中間層及 頂層低許說，其因係底層污染物除橫向移動亦有顯著之垂直向移動趨 勢，即係污染物由深層移動至表土之趨勢。
而實驗中亦顯示，欲同時以鹼性及酸性流質去除土壤中複雜污染 物是較難以達成的，易造成金屬氧化物生成造成堵塞，影響去除效率；
且電極配置會影響整治過程中土壤溫度，若能藉電極配置將較多電能 消耗於污染物去除、移動上，而非消耗於土壤加熱，即可有效提升污 染物去除效率；因此電動力整治過程中電極配置係一重要影響因素，
且現地整治過程中需監測土壤溫度及地下水流，以減少電能消耗及避
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圖 2.16 電極擺設方式(Kim et al., 2012) 免污染物污染地下水。
Kim et al. (2013)以大型試驗規模整治受重金屬污染之水田土壤，
Kim et al. (2013)以大型試驗規模整治受重金屬污染之水田土壤，