CN101698521B - 一种土壤和地下水电动修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种土壤和地下水修复方法,以需要修复的土壤或地下水为导电介质,阳极采用金属铁,工作液用铁盐溶液,阳极铁失去电子被氧化成离子进入阳极工作液,并做为带正电的载流子在电场作用下向阴极方向移动进入土壤和地下水中;阴极使用铜、覆铜的铁或铁,工作液用铜盐或铁盐溶液,铜离子或三价的铁离子被还原为铜单质或二价铁离子,同时,少量的由土壤中迁移到阴极工作液中的重金属阳离子也被还原,铜盐或铁盐的酸根则在电场作用下向阳极方向移动,进入土壤和地下水。本方法可修复被重金属、酸或碱污染的土壤和地下水,电流效率高,不改变土壤和地下水的pH值,不产生有安全隐患的氢气、氧气和氯气,阳极材料廉价易得。
Description
技术领域
本发明涉及一种污染土壤和地下水电动修复技术。
背景技术
当工业生产过程中产生的废水和固体废物进入土壤时,会到导致土壤和地下水的污染,当该场地改变用途用于居住、农业等土壤质量要求严格的目的时,必须进行土壤和地下水的修复,消除土壤和地下水中的污染物。
土壤和地下水修复的主要方法有:(1)物理修复:物理分离修复、固化/稳定化修复、蒸汽浸提修复、电动(电化学)修复;(2)化学修复:化学淋洗修复、溶剂浸提修复、高温焚烧修复;(3)生物修复:预备床法、土壤堆腐法、泥浆生物反应器法、土地耕作法。
其中电动修复技术是利用电化学原理,在污染土壤的两端加上直流电场,在电场作用下,土壤和地下水中的污染物根据各自所带电荷的不同而向两电极迁移,最后进入电极工作液中,实现将污染物从土壤和地下水中去除的目的。而富集了污染物的电极工作液则采用相应的废水处理技术进行处理。目前电动修复技术采用的电极为耐腐蚀、抗氧化的惰性电极,工作液主要是KCl等碱金属盐类,工作液在修复过程中水发生电解,产生氢离子或氢氧根离子,释放O2、H2或Cl2气体,在去除土壤和地下水污染物的同时也导致了土壤和地下水的酸化。修复过程中,由于H+离子和OH-离子的电迁移速度远大于其他离子,使得实际用于污染物迁移的电流在总电流中占不到1%的比例,电流效率极低,同时还限制了修复电压的提高,使得修复时间长达数月甚至数年,效果不稳定。土壤和地下水酸化、极低 的电流效率和电极腐蚀问题严重制约了该技术的广泛使用。本发明在阳极的选择上反其道而行之,通过牺牲阳极,以慢离子(金属离子和酸根)替代快离子(H+离子和OH-离子),很好地解决了上述问题,同时还可以修复被酸或碱污染的土壤和地下水,不释放O2、H2或Cl2气体,消除了安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电流效率高、不引起土壤酸化、不需要昂贵的惰性电极、不产生O2、H2或Cl2气体的土壤和地下水修复方法。
本发明提出的方法是利用电化学原理,以需要修复的土壤和地下水为导电介质,其中的阳离子(包括重金属污染物阳离子)和阴离子(包括重金属污染物)为载流子,在两端设有阴极和阳极反应池。
所述阳极反应池中的阳极采用金属铁,阳极工作液采用溶解性的铁盐溶液,在工作中,阳极铁失去电子被氧化成离子进入阳极工作液,并做为带正电的载流子在电场作用下向阴极方向移动进入土壤和地下水中;
所述阴极反应池中的阴极使用铜、覆铜的铁或铁,阴极工作液采用溶解性的铜盐或铁盐溶液,工作时,铜离子或三价的铁离子被还原为铜单质或二价铁离子,同时,少量的由土壤中迁移到阴极工作液中的重金属阳离子也被还原,铜盐或铁盐的酸根则在电场作用下向阳极方向移动,进入土壤和地下水;
电源采用直流电源或直流脉冲电源。
通过电源同时对阴极和阳极给电,在它们之间形成电场,电压梯度在2~11V/cm之间,土壤和地下水中的重金属污染物的重金属阳离子(如:铜、铅、镉、镍、镉等通常以阳离子形式存在)做为带正电的载流子在电场作用下从土壤中迁移出来向阴极方向移动;而重金属污染物的重金属阴离子(如铬(VI)以阴离子酸根的形式存在)做为带负电的载流子在电场作用下从土壤中迁移出来向阳极方向移动,二者共同构成电动修复过程中流经土壤和地下水中的电流,使土壤和地下水中的重金属污染物的阴、阳离子最终分别迁移进入阳极和阴极工作液,实现将重金属污染物从土壤和地下水中清除的目的。最后,含有重金属阳离子的阴极工作液和含有重金属阴离子的阳极工作液还可被抽取出来采用化学、电化学、离子交换、膜过滤等水处理技术进行后续处理,回收再利用。
本发明中,阳极材料的选用与传统电动修复技术中相反,没有采用耐腐蚀、耐氧化的惰性电极,而是正相反,采用电极电位低、易被氧化的铁做为阳极,这样做虽然在工作过程中阳极会被消耗掉,但却抑制水的电解,通过牺牲阳极材料抑制电迁移速度最快的阳离子——氢离子的产生,代之以移动缓慢的铁离子,实现以下目标:(1)由于铁离子在电场作用下的迁移速度远低于氢离子,提高电动修复的电流效率;(2)避免了氢离子做为载流子进入土壤导致在修复过程中土壤和地下水酸化;(3)对已被酸污染的土壤和地下水进行修复,使其pH值恢复正常;(4)不产生O2或Cl2气体,消除安全隐患;(5)降低对电极材料的防腐蚀要求。阳极材料可采用机加工等生产过程中产生的废旧铁屑、铁片、铁条等废旧钢铁,从而大幅度降低电极材料的费用,增大电极面积。
本发明中,阴极工作液采用溶解性铜盐或铁盐,使铜离子或三价铁离子在阴极上替代氢离子被还原,抑制了氢气和电迁移速度最快的阴离子——氢氧根离子的产生,实现以下目标:(1)由于铜盐和铁盐的酸根在电场作用下的迁移速度低于氢氧根离子,使得电动修复的电流效率得以提高;(2) 避免了氢氧根离子做为载流子进入土壤导致在修复过程中土壤和地下水的碱化;(3)对已被碱污染的土壤和地下水进行修复,使其pH值恢复正常;(4)不产生氢气,消除安全隐患。在阴极析出的金属铜可用酸溶解后再循环使用。
使用本发明方法在对铬(VI)污染土壤(1100~1500mg/kg)的电动修复中,与传统电动修复技术相比,本方法的电流效率提高了约50%~150%。
附图说明
图1是实现本发明方法的一种结构示意图;
图2是实现本发明方法的另一种结构示意图。
具体实施方式
参见图1和图2,该消毒装置由3大部分组成:
(1)电源1。电源可采用直流电源或直流脉冲电源,为电极供电。
(2)阳极电极2、阴极电极4及阳极反应池3和阴极反应池5。阳极反应池3和阴极反应池5分设于修复的土壤和地下水6的两端,阳极电极2和阴极电极4插于阳极反应池3和阴极反应池5中;
(3)需要修复的土壤和地下水6。
以上两图仅为工作原理示意图,具体的电极及电极反应池布置方式不局限于这两种方式。
阳极工作液采用浓度为0.05M的三氯化铁溶液,阴极工作液采用浓度为0.1M的硫酸铜溶液,粘土层厚度20cm,最低电压25V,最高电压220V,电流强度最高170mA,最低50mA。经过198h的电动修复,土壤中总铬含量由1280mg/kg降低至426mg/kg,去除率67%,总耗电量57363.51库仑,两个电极反应池工作液的pH值在通电过程中始终维持在6左右。阳 极和阴极反应池之间的距离(即土壤的宽度)没有特别要求,距离越远,需要的电压应越高,控制指标是电压梯度,可从2V/cm升至11V/cm,甚至更高,最高值需要根据土壤的电阻、地温、土壤温升、用电安全、电极电位等综合要求权衡确定。当电压梯度超过11V/cm时,阳极回有明显的气泡产生。
图1:在需要修复的土壤两边和中间交替设置阴极反应池和阳极反应池,土壤被电极反应池分割成条块,土壤的间距根据现场和其他要求情况而定,电压梯度在2~11V/cm之间。该种布置效率较高,但电极反应池较大,工作液消耗量液也较大、投资较高。
图2:与图1相比,其区别是将阳极反应池和阴极反应池都分割成数个不连续的小池,减少电极反应池的总容积,以减少投资,但修复效率和效果也低于图1的布置。
Claims (2)
1.一种土壤和地下水电动修复方法,所述方法是采用电化学原理,以需要修复的土壤或地下水为导电介质,两端设有阴极和阳极反应池;
其特征在于:
所述阳极反应池中的阳极采用金属铁,阳极工作液采用溶解性的铁盐溶液,在工作中,阳极铁失去电子被氧化成离子进入阳极工作液,并做为带正电的载流子在电场作用下向阴极方向移动进入土壤和地下水中;
所述阴极反应池中的阴极使用铜、覆铜的铁或铁,阴极工作液采用溶解性的铜盐或铁盐溶液,工作时,铜离子或三价的铁离子被还原为铜单质或二价铁离子,同时,少量的由土壤中迁移到阴极工作液中的重金属阳离子也被还原,铜盐或铁盐的酸根则在电场作用下向阳极方向移动,进入土壤和地下水;
电源采用直流电源或直流脉冲电源;
通过电源同时对阴极和阳极给电,在它们之间形成电场,电压梯度在2~11V/cm之间,土壤和地下水中的重金属污染物的重金属阳离子做为带正电的载流子在电场作用下从土壤中迁移出来向阴极方向移动;而重金属污染物的重金属阴离子做为带负电的载流子在电场作用下从土壤中迁移出来向阳极方向移动,二者共同构成电动修复过程中流经土壤和地下水中的电流,使土壤和地下水中的重金属污染物的阴、阳离子最终分别迁移进入阳极和阴极工作液,实现将重金属污染物从土壤和地下水中清除的目的。
2.根据权利要求1所述的一种土壤和地下水电动修复方法,其特征在于:进一步将含有重金属阳离子的阴极工作液和含有重金属阴离子的阳极工作液抽取出来进行后续处理,回收再利用。
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