用于地下水修复的新型绿色技术小谈

地下水修复是一项关键的环境保护工作，旨在恢复受到污染的地下水的水质，使其达到可接受的标准。其中，利用地质材料和生物聚合物材料的化学物理吸附性能是一种常见而有效的地下水修复技术。

在地下水修复过程中，这些地质材料和生物聚合物材料通常被用作吸附剂或过滤材料，通过将地下水经过这些材料，污染物被吸附到材料表面或孔隙中，从而实现去除效果。

这种技术相对简单且成本较低，然而，需要注意的是，地下水修复是一个复杂的过程，不同的污染物和地质条件可能需要采用不同的修复方法。

因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的地质材料和生物聚合物材料，并结合其他修复技术，如生物修复、化学氧化和土壤通气等，以实现最佳的地下水修复效果。

根据相关研究发现，天然沸石具有出色的吸附和离子交换性能，使其在许多领域得到广泛应用。例如，天然沸石在环境领域中被用于水和空气净化，其高度孔隙结构可以有效去除有害物质和异味。

此外，天然沸石还用于催化反应和分离过程，如石油精炼、气体吸附和分子筛分等。其中，modernite（摩登石）和clinoptilolite（斜柱沸石）两种天然沸石矿物在这些应用中表现出色。

Modernite具有优异的热稳定性和吸附能力，因此在高温条件下广泛应用于催化反应和气体吸附。Clinoptilolite则以其高度选择性吸附和离子交换能力而著称，在水处理和土壤修复中发挥重要作用。

莱斯大学进行了广泛的研究项目，揭示了超过2,700,000种结构类似于沸石的材料，并在2000年至2015年期间，发表了430多项与氢选择性膜研究进展相关的专利。

尽管各种沸石已在多个工业应用中取得成功，但人们仍需进一步提升其制备和改性的成本、孔结构和酸性特性的匹配，以提高其催化性能。

需要进一步改进以下方面：研究多孔沸石结构中的扩散过程，预测结构定向剂与沸石孔结构之间的相互作用，以及通过计算方法揭示沸石孔中的反应机制。

最近有一些成功的报道，关于使用高碱溶液处理原始高岭土来形成沸石相的方法。

这种处理可以使沸石产品在颗粒化时无需添加粘合物，而是添加石墨或肥皂。这对于水净化过程、运输和分配给最终用户来说，是一个重要的经济因素。

另一方面，一些沸石，特别是erionite（毛沸石），被认为是细胞毒性和致癌物质。甚至最有前途的生物医学应用沸石之一，clinoptilolite（斜柱沸石），也被发现具有促炎剂的特性。

此外，纳米颗粒形式的clinoptilolite还可以降低细胞存活率和DNA合成。这些沸石的正面和负面特性都应该在生物技术和医学实践中谨慎研究。

然而，值得注意的是，在肿瘤治疗中，沸石的抗增殖和促凋亡作用可以被利用。因此，为了研究任何潜在的副作用，应该采用多学科和跨学科的方法。

在欧洲专利局（EPO）的网站上有超过200项与壳聚糖相关的专利和7项与纤维素纳米复合物和二氧化钛相关的专利。该平台为用户提供免费访问超过1.3亿份专利文件。这些专利涵盖了各种技术解决方案，包括批处理、柱式和全尺度过滤器专利解决方案。

然而，由于含水层的特性，例如氧化还原条件、矿物组成、有机物含量、pH值波动以及地下水中的磷酸盐或阳离子竞争等因素，这些技术需要进行特定于现场的适应。

这意味着并不存在通用的最佳可用技术（BAT）适用于所有情况。然而，通过结合不同的技术或聚合物，可能可以达到Technology Readiness Level（TRL）为9的最终全尺度解决方案，如图1所示。

图1

在进行水处理过程之前，进行批量吸附试验是非常重要的。这些试验旨在确定水中所含的污染物（如悬浮物、有机物、重金属等）与吸附剂之间的相互作用。

试验通常通过将一定量的吸附剂与水混合，然后在一段时间内进行搅拌，以模拟实际的处理条件。之后，通过测量残余污染物浓度的变化，可以评估吸附剂的吸附效果。这些试验可以帮助确定最佳的吸附剂类型和用量，以及最佳的操作条件。

另一个重要的预测试阶段是水抽取试验，特别是对于具有波动参数的情况。水抽取试验旨在模拟实际处理过程中参数的波动，并评估处理系统对这些波动的响应能力。

例如，可以改变进水的pH值、悬浮物浓度、溶解物质浓度等，然后监测出水的性能变化。这可以帮助确定系统的稳定性和适应能力，以及调整操作参数以适应参数波动的能力。

修复地下水与环境的污染源整治

在全球范围内，普遍面临着严重的重金属污染问题，其中包括镉、钴、汞、镍和铅。这种污染不仅波及沉积物、土壤，还波及水体。因此，人们迫切需要采取系统性的修复措施来解决这个问题。

为了引导各国行动，国际法律、法规以及当地准则通常会明确规定环境中重金属的临界浓度。这些准则为各国规划和实施修复措施，以及发展综合系统保护和可持续利用自然资源提供了法律依据。

然而，在很多国家，仍然面临一些地下水使用方面的挑战。首先，地下水资源稀缺，尤其是在干旱和超干旱地区，比如澳大利亚、西亚、中亚、非洲北部和南部地区、北美洲西部以及安第斯地区。

其次，由于地球内源性和人为输入的关键重金属（如镉、铅和铀）的大量存在，地下水质量整体较差。

图2

换句话说，如今的人们需要全球合作来解决这一严峻的重金属污染问题，并采取有效的修复措施。同时，还需要在面对地下水资源稀缺和质量下降的挑战时，寻找创新的解决方案。

从地质学的角度来看，高浓度砷通常是地下水中的一种现象。这种现象通常是由于天然富含砷矿物的化学风化引起的，比如砷黄铁矿、雌黄、红砷矿和红铁矿。

这个过程也会导致其他重金属离子的释放，从而对当地的地下水造成持续的污染。然而，在最近几年，矿石开采、工业活动、农业实践、家庭用水和交通基础设施等人为因素导致的重金属污染越来越严重。

因此，当地居民必须面对地质和人为因素导致的重金属离子持续进入地下水和水生、陆生系统的问题。这凸显了发展特定场地最佳可行技术（BAT）以修复地下水和环境的紧迫性。

在这个背景下，需发展、应用和优化新型绿色地质材料和地质聚合物技术，比如废水净化系统，有望修复复杂和高度污染的水体、沉积物和土壤。

在过去几十年中，人们已经开发了多种技术，用于消除土壤和水体中受重金属污染的问题。然而，这些技术通常代价高昂。常见的技术包括氧化、化学沉淀、混凝/沉降、吸附和反渗透。

然而，当这些传统技术无法达到足够的解毒效果或满足经济要求时，研究人员越来越多地转向使用绿色、高效和低成本的地质材料和地质聚合物来进行废水处理和水体清洁。

与传统材料（如活性炭、碳纳米管和氧化石墨烯）相比，地质材料和地质聚合物相对于其他商业上可用的吸附剂在吸附和离子交换过程中去除各种重金属离子具有多个比较优势。

首先，地质材料和地质聚合物作为地球上自然存在的资源，如土壤、粘土和沉积物，具备丰富的资源优势。这些资源广泛分布且成本低廉，容易获取。

其次，地质材料和地质聚合物通常具有高度的孔隙结构和表面积，赋予其出色的吸附能力。通过吸附机制，它们能够高效地将重金属离子从溶液中捕获并固定在表面上，从而实现有效去除。

第三，地质材料和地质聚合物通常表现出对不同重金属离子的选择性吸附。根据离子的电荷、尺寸和化学性质等特征，它们能够有针对性地吸附特定类型的离子，因此在复杂的废水处理和环境修复中具有优势。

此外，地质材料和地质聚合物具备可再生性和可持续性的特点，通过适当的处理和再生方法，可以重复使用，减少对新材料的需求，并降低成本。

最后，由于广泛应用于吸附和离子交换领域，地质材料和地质聚合物的相关技术和方法已经相对成熟，拥有大量的研究和实践经验可供参考。

然而，需要注意的是，地质材料和地质聚合物可能存在一些限制，如处理容量有限、吸附速率较慢、回收和再生过程复杂等。因此，在选择吸附剂时，需综合考虑特定应用的要求、成本效益和环境可持续性等因素。

通过PRB和S/S技术加强被动地下水修复

为了有效修复受污染的地下水体，渗透反应屏障（PRBs）等修复措施的实施需要详细了解当地环境和地下地质。即，必须进行高分辨率的环境监测活动，以便在空间和时间上全面评估地下水、土壤和沉积物的关键特性，包括重金属和其他污染物的浓度。

此外，还需要仔细评估地下水位、流动方向、补给情况、岩性剖面、母岩类型、风化环境、生物和人为因素、经济参数以及地质灾害潜力分析等各种因素。

通过进行彻底的分析，PRBs的应用可以确保对受污染地下水体的被动修复。与主动处理系统相比，PRBs具有诸多优点，包括在运行过程中没有重大运营成本和最低维护要求。

PRBs的工作原理是通过屏障使污染地下水自然流过，目标污染物通过耦合的化学、物理和生物地球化学反应被去除。这些反应包括吸附、氧化、化学沉淀和降解过程。

其结果是产生无污染的地下水，并将污染物固定在PRB介质中。根据地下水污染的程度，PRBs可以用作全面处理的方式，也可以用作在使用下游净化系统之前的预处理步骤。

为了提高PRBs的性能效率，建议测试具有定制特性的新型地质材料和地质聚合物，因为它们在某些重金属的去除效率和固定能力方面可能超过传统膨润土。

这种方法符合当地、国家和国际指南，强调使用绿色、低成本的地质材料和地质聚合物（例如天然和定制的膨润土、变铝矾土、或改性斜发沸石）来高效地通过PRBs修复地下水。

广泛采用低成本和易获得的地质材料和地质聚合物粘结剂，对受重金属离子污染的土壤和附近表面沉积物进行短期和长期固化/稳定处理技术。

图3

相关研究已经涉及S/S（固化/稳定）技术的主要原理、优点、挑战、实际问题和环境后果。然而，滤水装置产生的残余废物管理问题以及受污染的当地土壤和沉积物的挑战仍然存在。

S/S技术是一种将污染物固化在固体基质中的方法，以减少其可溶性和生物可利用性。通过将高岭土、石灰和水泥等固化剂与废物混合，形成固态块状物质，从而将污染物封闭在其中。这种方法有几个优点。

首先，它可以有效地固化多种类型的污染物，包括重金属、有机物和放射性物质等。其次，固化后的废物可以减少对环境和人类健康的潜在风险。且S/S技术还可以提供长期稳定性和耐久性，使其成为一种可行的废物管理方法。

然而，S/S技术也面临一些挑战和实际问题。首先便是如何选择适当的固化剂和混合比例，以确保固化后的废物具有足够的稳定性和强度。

处理大量废物时，则需要考虑设备和操作的可扩展性。另外，S/S过程可能会产生二次废物，例如固化剂残留物或处理过程中产生的固体废物，这需要妥善处理和管理。

此外，关于滤水装置产生的残余废物管理问题，研究人员已经开始使用S/S沉积物混合物作为固化剂。这种混合物由高岭土、石灰和水泥组成，可以有效地固化污染物并形成固态块状物质。

对这些固化废物进行了严格的监测，包括对重金属溶质的水浸浓度进行长期监测，从几天到7年不等。这些监测结果显示出有希望的固化效果，表明S/S技术在解决滤水装置废物管理问题方面具有潜力。

保护地下水资源的可持续发展

综上所述，地下水修复是保护环境中至关重要的任务之一。为了成功地修复地下水，人们需要持续研究和创新地质材料和生物聚合物的应用，同时加强环境监测，全面了解当地的地下环境。

工程师与相关研究人员需要不断努力，利用可持续的技术和方法来保护地下水资源，以确保人类和生态系统的可持续发展。