Regulating the ion migration pathways to enhance Joule heating effect and dense nonaqueous phase liquid removal using pulsed direct current

调节离子迁移路径以增强焦耳热效应和使用脉冲直流去除稠密非水相液体

第一作者: Di Zheng (清华大学)

通讯作者: Fang Zhang (清华大学)

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.145586

期刊名称: Journal of Cleaner Production

发表年份: 2025年

论文亮点

            调节离子迁移路径有效改善了脉冲直流（PDC）加热过程，水力循环和极性反转是有效的离子控制措施。
与未调控系统相比，平均温度和均匀性显著提高，DNAPL去除效率增加19.8%~37.8%，能耗降低。

研究背景

稠密非水相液体（DNAPLs）如氯化溶剂和杂酚油对土壤和地下水的污染已成为许多工业化国家中普遍且严重的环境问题。
原位热修复是DNAPL污染修复的竞争性解决方案，其中电阻加热（ERH）是最常用的热修复技术之一。
脉冲直流（PDC）作为ERH的一种新兴替代方案，有效整合了电动驱动迁移与焦耳热效应，但存在温度分布不均的问题，主要由离子迁移行为引起。

研究方法

本研究采用自定义的二维沙箱实验装置（内部尺寸54 cm × 30 cm × 4.5 cm）进行加热实验。系统包括主沙箱、电源供应、流体输送和监测模块。使用硅砂（40/60目）和高岭土分别模拟高渗透性区（约2.5×10⁻² cm/s）和低渗透性区（约3.7×10⁻⁷ cm/s）。低渗透透镜体尺寸为27 cm × 13 cm × 4.5 cm。

实验设置了三种加热系统进行比较：未调控的PDC加热系统（PDCH）、水力循环增强的PDC加热系统（HCE-PDCH）和极性反转增强的PDC加热系统（PRE-PDCH）。应用电压梯度为3 V/cm（120 V），使用0.02 M Na₂SO₄溶液作为初始溶液。

在水力循环实验中，流体以5.4 mL/min的流速从阴极室泵送到阳极室，模拟地下水循环。在极性反转实验中，每6小时自动切换电极极性。实验持续48小时，监测温度、电流、部分电压和孔隙水离子组成。

使用热电偶（5行5列布置）记录多孔介质温度，通过采样口（P1-P5）收集孔隙水样品。通过离子色谱法测量钠和硫酸根离子浓度，GC-MS测量氯苯（CB）浓度。计算温度变异系数（CV）、CB去除效率和能耗。

主要结论

引入外部水力循环和电极极性反转全面增强了加热性能，平均温度提高15-30°C，加热均匀性显著改善，变异系数降低约40%。
DNAPL去除效率增加19.8%~37.8%，能耗降低12.8%~47.5%。
改善主要归因于通过调整电场和流场有效调控了离子迁移路径，防止了严重的离子耗竭区形成。

图1: 实验装置示意图

图1: (a) 处理系统示意图，(b) 采样点分布详情。

分析结果: 该图展示了实验装置的整体布局和采样点分布。沙箱设计允许模拟异质多孔介质环境，其中包含高渗透性和低渗透性区域。采样点P1-P5沿电场方向分布，用于收集孔隙水样品以分析离子组成和电导率变化。这种设置有助于研究离子迁移路径对加热效果的影响。

图2: 温度变化比较

图2: 三个系统中(a)平均温度、(b)温度变异系数和(c)温度二维空间分布随时间的变化。

分析结果: 该图显示了三种系统（PDCH、HCE-PDCH、PRE-PDCH）的温度变化情况。与未调控系统相比，引入水力循环或极性反转后，平均温度显著提高（15-30°C），温度分布均匀性改善，变异系数降低约40%。PRE-PDCH系统表现出最高的平均温度（75-83°C）和周期性波动，而HCE-PDCH系统温度分布更均匀但阳极侧温度较低，可能是由于水力循环的冷却效应。

图3: 电信号变化

图3: 系统电信号随时间的变化。(a) 系统电流，(b) 媒体部分电压。

分析结果: 该图展示了三种系统的电流和部分电压变化。水力循环和极性反转有效抑制了PDC加热过程中的电流下降，稳定电流值比未调控系统提高25-63%。部分电压分析表明，HCE-PDCH和PRE-PDCH系统的电导率分布空间均匀性显著改善，避免了局部电压大幅增加（未调控系统部分电压增加至初始值的2-3倍）。这证明调控措施有效防止了离子耗竭导致的电流和温度下降。

图4: 离子分布沿电场方向

图4: 沿输入电场方向的EC和主要离子浓度（Na⁺, H⁺, SO₄²⁻和OH⁻）分布。

分析结果: 该图显示了沿电场方向的电导率和主要离子浓度分布。在HCE-PDCH系统中，孔隙水电导率范围（5.5-9.2 mS/cm）比PDCH系统（0.293-26.0 mS/cm）更窄，表明水力循环有效避免了严重离子耗竭。Na⁺分布相对均匀（20-40 mM），归因于循环促进了Na⁺从阴极向阳极的输送。SO₄²⁻在碱性区域浓度显著降低（<1 mM），但由于Na⁺和OH⁻的存在，碱性区域电导率未显著下降。PRE-PDCH系统中，离子分布呈现周期性变化，极性反转有效改善了离子分布均匀性。

图5: 介质物理化学性质

图5: 加热48小时后多孔介质物理化学性质的二维空间变化。

分析结果: 该图展示了加热48小时后多孔介质的电导率和离子浓度空间分布。与PDCH系统相比，HCE-PDCH和PRE-PDCH系统的EC、Na⁺和SO₄²⁻分布均匀性显著改善。HCE-PDCH系统中低渗透透镜体下游仍显示EC和离子浓度显著降低（减少60%以上），表明透镜体下游离子传输调控具有挑战性。PRE-PDCH系统中所有采样点的Na⁺、SO₄²⁻浓度和EC均保持高水平，确认极性反转可有效调节离子迁移并防止pH跳跃区的严重离子耗竭。

图6: CB去除效率和能耗

Fig. 6 CB removal and energy consumption

图6: 不同系统中(a)残留CB浓度分布和(b)去除效率及每log去除能耗比较。

分析结果: 该图比较了三种系统的CB去除效率和能耗。PRE-PDCH系统去除效率最高（92.0%），HCE-PDCH系统为74.0%，均高于PDCH系统（54.2%）。能耗方面，PRE-PDCH系统最低（2.7 kWh/log），比PDCH系统（5.1 kWh/log）降低47.5%，HCE-PDCH系统能耗降低12.8%。这些结果表明去除效率与加热性能正相关，PRE-PDCH系统具有最多的温度测量点超过共沸温度（约91°C）和最长的共沸持续时间，支持其优越的氯苯去除效率。