電動力技術復育受乙苯污染黏質土壤之研究：操作流質及處理時間之影響

(1)

電動力技術復育受乙苯污染黏質土壤之研究：操作流質及處理時間之影響

袁菁

1

_、江姿幸

2

摘要

本研究以複合界面活性劑為操作流質，施加 2 V/cm 之電位坡度，進行 3~5 天之電動力實驗，探討複合界面活性劑之濃度、配比及操作天數對於電動力技術復育受乙苯污染黏質土壤效率之影響。複合界面活性劑係採用中性離子界面活性劑(PANNOX 110)及陰離子界面活性劑(SDS)分別以 2:1,4:1 及 6:1 之配比混合而成。研究所用之電動力試模係由陽極槽(4 cm)、土體(12 cm)及陰極槽(4 cm)所組成，兩組多孔隙石墨電極棒分別安置於陽極槽及陰極槽內。實驗結果顯示，以 SDS 濃度為 0.1%之不同配比複合界面活性劑為操作流質時，進行 5 天之電動力實驗，乙苯之移除率為 78.0 ~ 82.1 ﹪，顯示移除率未因配比提昇而有所改善；然當 PANNOX 110 及 SDS 濃度分別增加為 2.0 %及 0.5 % (4:1)，操作天數由 3 天增長至 5 天時，乙苯之移除率可由 61.2﹪提昇至 97.6﹪，顯示延長操作時間可大幅提昇處理效率。經與對照組比較，以複合界面活性劑為操作流質之乙苯的去除率為分別以地下水及 SDS 為操作流質之 1.5~2.4 及 1.0~1.6 倍，而電力耗損僅分別為 0.7~2.4 及 0.4~1.3 倍。研究結果初步證實，複合界面活性劑為操作流質可提昇電動力技術處理效率，而操作天數之增加亦有助於效率之提昇。關鍵字：電動力法、界面活性劑、操作流質、乙苯、處理時間、黏土

一、

前言

乙苯(Ethylbenzene) 在各種燃油及民生用油佔有相當之比例，其亦為工業常用之有機溶劑，乙苯對人體肝臟、腎臟及腦部有影響，因此一旦發生洩漏，將嚴重影響土壤/地下水水質及人體健康，目前該物質已列為我國土壤污染管制法定項目，故乙苯造成之土壤污染格外引人注目。電動力法為近年來新穎之土壤復育技術，其係於污染土壤中通以直流電壓，產生之電場將引導電解質溶液之移動，因而移除土壤間之污染物，或濃縮至有限之範圍以利處理[1]，在整個電動力處理系統中，電極之電解(electrolysis)、電滲透(electroosmotic) 、離子遷移(ion migration) 及

1:_{國立高雄大學土木與環境工程學系副教授兼系} 主任 2:_{義守大學土木工程學系學生} 電泳(electrophoresis)為污染物之主要移除機制移動而被移除，而操作流質種類、電位坡度及處理天數為影響移除效率之主要因素；然目前此技術 [2]。該技術可單獨應用於重金屬之移除[2-5]，亦可結合氧化技術[6]共同處理之，均獲得相當好之成效，研究結果顯示重金屬隨著電滲透流往陰極較少應用於有機物之移除，少數研究[7-10]利用界面活性劑具有對稱性分子結構，可降低水相與厭水性有機污染物間之界面張力，而增加厭水性有機污染物水相溶解度之特點，將其應用於電動力法復育低滲透性污染土壤之整治研究，研究結果顯示電極兩端均可收集到污染物，因此移除機制除電滲透流外，帶電之界面活性劑微胞亦會藉由電泳現象往陽極移動，而以複合界面活性劑作為操作流質之整治效率較僅以陰離子界面活性劑為佳。本研究係以複合界面活性劑為操作流質，探討複合界面活性劑之濃度、配比及操作天數對於電動力技術復育受乙苯污染黏質土壤效率之影響，並探討處理期間之電動力現象。

(2)

二、實驗材料及方法

2.1 實驗材料本研究所用之土壤採自高雄縣某處之黏質土壤，採樣深度為表土下 0.7~1.5 m 處，其基本理化性質整理如表 1 所示。所採用之陰離子型及中性離子界面活性劑分別為土壤整治復育較常使用之十二烷基磺酸鈉鹽(C12H25O4SNa，SDS)

及 PANNOX 110 (nonyl phenol polyethylene glycol ether，C9H19C6H4O(C2H4O)9.9H)。

電動力試驗於長度 22 cm 及內徑 4.2 cm 之玻璃材質試模進行(圖 1)，該試模由陽極槽、土體及陰極槽等三部分所組成，電極槽與土體之間放置耐酸鹼尼龍濾布及 Whatman #1 玻璃纖維濾紙，兩組多孔隙石墨電極棒(直徑 0.64 cm AGKSP, Union Carbon Co., New York, USA)，分別安置於陽極槽及陰極槽內。 2.2 實驗方法 2.2.1 電動力實驗首先進行土體之填充，將污泥填至電動力試模裝置半滿時，用 10 kgw 的秤錘將其重壓 10 分鐘，再將另一半填滿，重覆上述動作乙次，於電動力試模陰、陽兩槽加入定量操作流質(90 mL) 及施加恆定直流電壓，即可進行電動力實驗。電動力試驗期間，每天進行兩次採樣，取水樣前先測電槽液 pH 值、電流強度及操作流質收集體積，並於陰、陽極兩端補充操作流質。收集之水樣以氣相層析儀(HP 4890)及氣提捕充器（HP 7950）測定乙苯之濃度。完成電動力試驗後將處理後土壤進行五等分切片，並分別測定各切片之 pH 值及乙苯殘留量。 2.2.2 固相及水相中乙苯之分析方法對於水相中之乙苯，直接以氣提捕捉器以氮氣沖提 11 min，於 35℃下使乙苯捕捉於吸附劑內，再以 225 ℃溫度脫附 5 min 後送入 GC 分析；而土壤切片中之乙苯殘留量，係取 5 g 土壤加入 15 mL 甲醇萃取後，再注入 GC 進行分析。GC 採用內徑 0.53 m 及長 30 m 之 Hewlett Packard HP-5 管柱進行分析，升溫模式條件為於起始溫度 40 ℃維持 1 min，以 5 ℃/min 之速率昇溫至最終溫度 90 ℃維持 2 min，注射孔及 FID 檢測器溫度分別維持在 200 ℃及 300 ℃。 2.3 電動力試驗操作條件本研究分別使用陰離子界面活性劑(SDS)、複合界面活性劑(SDS 及 PANNOX 110)等兩種操作流質系統於 2 V/cm 之電位坡度條件下探討電動力法對於受乙苯污染土壤(1000 mg/Kg)之去除效果。操作變數包含界面活性劑濃度、配比及處理天數等，各組操作條件整理如表 2 所示。

三、結果與討論

本研究結果分別就 pH 值變化、電滲透流率、乙苯污染物去除率及電力耗損等進行探討。表 1、土壤之基本理化性質 Characteristics Sample Texture Clay Organic content (%) 1.79 Soil pH 7.80 pHzpc 2.30 BET area (m2/g) 29.6 CEC (cmole/kg) -

Average particle size, m 27.8 Density (g/cm3) 2.50

Ps: The data are derived after 翁等(2001) [7].

electrical wire outlet + -H+ e- OH-processing fluid power supply anode

reservoir cathodereservoir electrodes effluent 12 cm L x 4.2 cm  5 cm L 5 cm L filters  pump Contaminated Clay 圖 1、電動力試模示意圖

(3)

3.1 pH值變化試驗操作期間，陰極槽操作液之 pH 值升高至 11.2~12.0 而陽極槽液發生低 pH 情形，約下降至 2.1~2.3 左右，此乃因陰陽兩極產生電解反應 (如式 1 及 2)，於陽極處不斷釋放出氫離子，致陽極槽液呈現酸性，而於陰極處釋放出氫氧離子，致陰極槽液呈現鹼性。 Anode: 2H2O → O2(g) + 4H + + 4e- (1) Cathode: 2H2O + 2e - → H2(g) + 2 OH - (2) 經電位坡度為 2V/cm 之電動力處理後土壤切片 pH 值之結果繪如圖 2(a)及(b)，可發現測試土壤 pH 值由陽極往陰極端逐漸升高。其中以不同配比操作流質(圖 2(a))處理後之土壤 pH 值由 5.3~6.3 升至 10.5~10.9；而不同天數(圖 2(b))處理後之土壤 pH 則由 6.8~7.6 上升至 10.4~10.9，在此兩種操作條件改變下均發現，靠近陽極端之土壤有明顯被酸化之情形，(皆低於土壤之初始 pH 值 7.80)，而靠近陰極端之土壤則被鹼化，此乃因電滲透流挾帶在陽極槽電解反應產生之大量的氫離子往陰極端遷移；而陰極槽電解反應所產生的氫氧離子受到離子效應移向陽極。因氫離子及氫氧離子鋒之遷移，致產生上述陰陽兩端土壤酸鹼度之變化。 3.2 電滲透流率由於土樣之 pH 值均分別高於零電位點 pH 值(pHzpc 為 2.3)，因此土壤介質表面應帶有負電荷，此時其電滲透流應為陽極流往陰極，在表 3 中 Test 1 , 2 及 6 組之污染物大都匯集於陰極槽，表2、電動力實驗操作條件一覽表 Test No Soil

Processing Fluid (%) Weight of Soil in the Cell (g) Processing Time (days) Potential Gradient (V/cm) Volume of Processing Fluid (mL) SDS PANNOX 110 1 Clay 0.1 0.2 220.0 5 2 90 2 Clay 0.1 0.4 220.0 5 2 90 3 Clay 0.1 0.6 220.0 5 2 90 4 Clay 0.5 2.0 220.0 3 2 90 5 Clay 0.5 2.0 220.0 4 2 90 6 Clay 0.5 2.0 220.0 5 2 90

Ps: 1.The concentration of ethyl benzene in soil is 1000 mg/kg. 2.The length of soil cell in the EK apparatus is 12 cm. 3.Test 2 and 6 were conducted in 袁等(2001) [8].

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 .1 %sSDS+0 .2 %PANNOX 1 1 0 0 .1 %SDS+0 .4 % PANNOX 1 1 0 0 .1 %SDS+0 .6 % PANNOX 1 1 0 S oi l p H

Norm alized Distance from Anode to Cathode

Orig in al p H = 7 .8 0 2 V/cm (a)不同配比之操作流質 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 3 d ay 4 d ay 5 d ay S oi l p H

Orig in al p H = 7 .8 0

2 V/cm

0.5%SDS+2.0%PANNOX 110

(b)不同之處理天數

(4)

此電滲透流向與多位學者研究結果一致[2-5]。然部份實驗組(表 3 中 Test 3、4 及 5)卻發現陽極槽回收之乙苯量較陰極槽為多，乃因操作流質系統中因界面活性劑濃度及配比之改變，導致帶電微胞與電極間之電泳現象明顯，使帶負電之界面活性劑微胞受電場之影響向陽極移動，致部份污染物於陽極槽被收集。試驗過程中所收集之陰、陽極槽液出流量及電位坡度，依照式(3)可計算得電滲透流率(ke)值： Qe = ke ie  A (3) 式中 ie=電位坡度(V/cm)，A=實驗試模截面積 (cm2)，各組計算所得之 Ke 值列於表 4。各組之 ke值介於 1.67~3.5110-6 cm2/v-s，略低於以往以電動力進行壤質砂土重金屬移除研究[5]所得之數值(1.010-6~4.010-5 cm2/v-s)，乃因本研究係以丙酮做為配置污染土之溶劑，而丙酮之導電情形明顯較自來水為差所致。Test 1~3 組之 ke值介於 1.67 ~ 2.7610-6 cm2/v-s，發現中性離子界面活性劑之比例增加，其 ke值也愈大；而 Test4~6 組發現處理天數增加，ke 值由 3.51 cm2/v-s 下降至 3.01cm2/v-s，可能因土體鹼化，造成土壤中金屬離子形成氫氧化物沈澱而產生阻塞；由 Test 2 and 6 發現操作流質濃度增加，其 ke值也變大。實驗結果顯示電滲透係數之提昇可藉由不同比例之複合離子界面活性劑為操作流質及提高界面活性劑濃度而達成。 3.3 乙苯去除率土樣經電動力系統處理後，乙苯之去除率彙整於表4。各操作條件對於土壤中乙苯去除率為 61.2 ~ 97.6%。研究結果顯示，在低濃度SDS時 (0.1%)改變PANNOX 110 / SDS配比(表4中Test 1~3)，乙苯去除率分別為 78.0~82.1%，對於移除成效之影響不大，但遠較於單獨使用自來水或 SDS 為操作流質 [8] 之移除率分別為 40.0% 及 50.8%提昇甚多。然當增加SDS濃度時，在相同 PANNOX 110 / SDS配比下(Test 2 and 6)，乙苯之移除效由 82.1% 提昇至 97.6% ；若以 0.5%SDS+2.0%PANNOX 110之複合界面活性劑為操作流質，處理天數由3天增加到5天，去除率可由61.2%提昇至97.6%，而其中以處理5天之效果最佳。研究結果顯示乙苯之去除率在低濃度 SDS時，隨著中性離子界面活性劑配比之增加並無顯著提昇，但當增加界面活性劑濃度及處理時間時，皆有助於提昇移除率。經不同操作流質及不同天數處理後之土壤進行切片分析，各段土壤之乙苯殘留量分析結果繪如圖3(a)~(f)，研究結果發現以不同操作流質 (圖3(a)~(c))處理時，雖移除效率差異不大，但以土壤殘留分布來看以 0.1%SDS+0.4%PANNOX 110處理後之乙苯殘留分佈較為均勻，而隨著處理天數之增加(圖3(d)~(f))，乙苯之土壤殘留量由陽極端集中現象而漸漸往陰極端移動，至5天時土壤中的殘留量即明顯下降。實驗結果顯示乙苯殘留量累積現象逐漸向陰極移動，此乃因電滲透流由陽極流向陰極所致。 3.4 電力耗損處理總電力耗損量可利用下式求得 Eu = P / Vs = (∫VI dt) / Vs (4) 上式 Eu = 處理單位土壤體積之電力耗損量 (watt-hr/m3)； P =耗損電力(watt-hr)； Vs =土壤體積(m3 )；V =電壓(V)； I = 電流(A)； t =處理時間(hr)。各組之電力耗損量經計算整理如表4 所示，Test 1~3 (不同操作流液)之電力耗損量介表 3、電動力法出流液中乙苯含量及比例 Test No.

Mass of .ethyl benzene collected (mg) Total ethyl Benzene collected (mg) Anode Cathode 1 6.34 (42%) 8.81 (58%) 15.15 2 1.76 (31%) 4.66 (69%) 6.42 3 11.05 (65%) 5.89 (35%) 16.94 4 12.30 (65%) 6.76 (35%) 19.06 5 13.45 (62%) 8.36 (38%) 21.81 6 6.67 (35%) 12.28 (64%) 18.95

Ps: The value in the parenthesis represents the percentage of pollutants collected in the reservoirs.

(5)

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 0 .1 0 .3 0 .5 0 .7 0 .9 3 d ay 5 9 2 6 7 9 8 5 0 3 4 3 3 9 R e si du a l E . B e nz e ne i n S oi l (m g/ K g)

Norm alized Distance from anode to Cathode

Org in al co n cen tratio n = 1 0 0 0 mg /Kg

(d) 3 day 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 0 .1 0 .3 0 .5 0 .7 0 .9 4 d ay 3 3 8 1 1 0 7 4 5 8 5 7 0 R e si du a l E . B e nz e ne i n S oi l (m g/ K g)

(e) 4 day 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 0 .1 0 .3 0 .5 0 .7 0 .9 5 d ay R esi d u al E . B en ze n e in S o il ( m g /k g )

Orig in al co n cen tratio n = 1 0 0 0 mg /k g

1 5 2 1 2 6 3 5 4 3 (f) 5 day 表 4、電動力技術處理實驗結果 Test No. Flow rate Qe 10-4 (cm3/s) EO permeability ke 10-6 (cm2/V-s) Energy consumption (kWh/m3) Removal efficiency (%) ethyl benzene 1 0.46 1.67 89.8 78.0 2 0.58 2.09 90.4 78.1 3 0.76 2.76 85.1 82.1 4 0.81 3.51 38.4 61.2 5 0.63 3.12 50.7 82.4 6 0.83 3.01 122.7 97.6

Ps：The data of Test 2 and 6 were derived after 袁等(2001) [8].

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 0 .1 0 .3 0 .5 0 .7 0 .9 0 .1 % SDS + 0 .2 % PANNOX 1 1 0 1 0 3 3 2 1 7 1 8 1 8 6 4 1 R e si du a l E . B e nz e ne i n S oi l (m g/ K g)

(a)0.1%SDS+0.2%PANNOX 110 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 0 .1 0 .3 0 .5 0 .7 0 .9 0 .1 % SDS + 0 .4 % PANNOX 1 1 0 4 6 1 6 4 2 8 1 2 9 6 3 1 1 R esi d u al X y le n e in S o il ( m g /k g )

Orig in al co n cen tratio n = 1 0 0 0 mg /k g

(b)0.1%SDS+0.4%PANNOX 110 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 0 .1 0 .3 0 .5 0 .7 0 .9 0 .1 % SDS + 0 .6 % PANNOX 1 1 0 1 8 3 2 8 5 4 5 6 8 8 1 2 1 R e si du a l E . B e nz e ne i n S oi l (m g/ K g)

(c)0.1%SDS+0.6%PANNOX 110

(6)

於85.1~90.4 kWh/m3_{，Test 4 ~ 6 (不同處理天數)} 之電力耗損量介於38.7 ~ 122.7 kWh/m3_，綜合分析添加不同配比之中性離子界面活性劑，其電滲透流率變化不大，故電力耗損也差不多(Test 1~3)；另由於處理天數之增加亦使電力耗損增加 (Test 4~6)。增加複合界面活性劑之濃度，其電滲透流率增加，電滲透流量亦增加，相對其移除率也愈高，故電力耗損也較大(Test 2 and 6)。

四、結論

本研究發現之電動力現象及重要結論如下： 1.陰極槽液之pH值維持在約11.2 ~ 12.0左右，而 陽極槽液pH值則下降至2.1 ~ 2.3左右，致處理過後之測試土壤pH值由陽極往陰極端逐漸升高，pH值由5.3~6.3升至10.5~10.9，發現土壤靠近陽極端產生酸化現象，而靠近陰極端處則被鹼化。 2.黏質土壤之滲透性較差，電滲透流率值較低，於電動力試驗過程欲增加電滲透流之流動性，實驗結果顯示添加較大配比之中性離子界面活性劑為操作流質或提高界面活性劑濃度皆可提昇電滲透流率及出流量。 3.乙苯之去除率可由增加處理天數，改變複合界面活性劑配比及提昇界面活性劑濃度而提昇。 4.處理後土壤切片分析結果顯示，使用複合界面活性劑配比PANNOX：SDS＝4：1為操作流質可減緩污染物於陽極集中之現象，使污染物於土相中平均分佈，以利後續處理。

五、致謝

中性離子界面活性劑(PANNOX 110)由磐亞公司提供，在此誠摯致謝。

六、參考文獻

1. Acar, Y. B., and A. N. Alshawabkeh, “Principles of Electrokinetic Remediation,” Environ. Sci.

Technol., 27(13), pp.2638-2647 (1993).

2. Weng, C. H., Y. S. Lin, and C. C. Huang, ”Removal of Lead from Soil by Electrokinetic Process,” Proceeding of 5th International Confetrence on the Biochemistry of Trace Element, Vienna, Austria, July 11-15,

pp.994-995 (1999).

3. Shapiro, A. P. and R. F. Probstein, ”Removal of Contaminants from Saturated Clay by Electroosmosis,” Environ. Sci. Technol., 27(2), pp.283-291 (1993).

4. Yuan, C. and C. H. Weng, “ Electrokinetic Removal of Heavy Metals from Industrial Sludge with Various Processing Fluids, ”

Proceeding of Critical Technologies to the World in 21st Century: Pollution Control and Reclamation in Process Industrial, IAWQ,

Beijing, Sept. 18-20, pp.754-761 (2000).

5. Weng, C.-H., and C. Yuan, “Removal of Cr(III) from Clay by Electrokinetics,” Environmental

Geochemistry and Health 23:281-285 (2001).

6. 楊金鐘，龍玉文,”電動力-似Fenton法處理受酚、4-氯酚污染砂質壤土之研究”, 第十三屆廢棄物處理技術研討會論文集,第189-196頁 (1998)。 7. 翁誌煌、涂宏旭、袁菁，“串聯式電動力法復育受三氯乙烯污染黏質土壤之研究”, 第七屆土壤污染整治研討會論文集,第 217~232 頁 (2001)。 8. 袁菁、陳威錦、江姿幸，“電動力復育受苯系有機物污染土壤之研究：土壤質地之影響”,第七屆土壤污染整治技術研討會論文集，第 314~324 頁 (2001)。 9. 袁菁、翁誌煌、陳威錦、江姿幸，“以複合界面活性劑操作流質提升電動力技術處理四氯乙烯污染黏質土壤復育效率之研究”, 第十六屆廢棄物處理技術研討會論集,第 3-82頁 (2001)。 10. 袁菁、翁誌煌、江姿幸，“操作流質對於電動力技術復育四氯乙烯污染黏質土壤效率之影響”, 第五屆地下水資源及水質保護研 討會論文集,第I-14~I-21頁 (2002)。

電動力技術復育受乙苯污染黏質土壤之研究：操作流質及處理時間之影響