CN102091710B - 一种去除飞灰中重金属污染物的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种去除飞灰中重金属污染物的方法及装置，涉及一种固体垃圾燃烧产生的飞灰中重金属的去除方法及装置，飞灰中的重金属及其化合物通过插入在飞灰\液相系统中的电极的直流电形成的电场梯度作用下，发生氧化还原反应，并迁移、富集于阴极区，在相遇区域形成pH突越区，改变阴极区域的pH值以及将pH突越区置空并注入酸性溶液来改变pH值，并利用蠕动泵循环流动酸性溶液，从而有效的去除了飞灰中的重金属污染物；还采用中间循环冲洗或生物淋滤、电极转换、增设阳离子交换膜使得去除飞灰中的重金属污染物的效果提高；操作简单，使用仪器少，评估精度高，重金属去除率高，减少了工作人员的劳动量，其经济效益与社会效益显著。

Description

一种去除飞灰中重金属污染物的方法及装置

技术领域

本发明涉及环境污染防治技术领域，具体涉及一种电动去除飞灰中重金属的方法及装置。

背景技术

城市生活垃圾焚烧后会产生相当于原垃圾质量2％-5％的垃圾焚烧飞灰，垃圾焚烧飞灰并不是化学惰性物质，其中有含量较高、能被水浸出的铜、锌、铅、铬、镉、汞、砷、镍等多种有害重金属物质和盐类，且浓度均高于固体废物浸出毒性鉴别标准，因此垃圾焚烧飞灰被普遍认为是一种危险废物，若处理不当，将会造成重金属迁移，污染地下水、土壤及空气。于是如何安全有效地处置垃圾焚烧飞灰即成为急需解决的环境和社会问题。

飞灰重金属污染物主要以铬、镉、锌、铅、汞、砷、镍、铜、锰及其化合物为主，飞灰重金属污染物可通过消化道摄入、呼吸道吸入、皮肤吸收等途径进入人体。

重金属污染物进入人体后，会引起人的头痛、头晕、失眠、健忘、神精错乱、关节疼痛、结石、癌症（如肝癌、胃癌、肠癌、膀胱癌、乳腺癌、前列腺癌及乌脚病和畸形儿）等；尤其对消化系统、泌尿系统的细胞、脏器、皮肤、骨骼、神精破坏及为严重。

目前飞灰重金属污染的去除方法主要是向飞灰重金属污染物中添加螯合剂固化方法，耗资巨大。

因此急需一种修复时间短、操作简单、使用仪器少、评估精度高、重金属去除率高、减少工作人员的劳动量的飞灰重金属污染去除方法及装置。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种修复时间短，操作简单，使用仪器少，评估精度高，重金属去除率高，减少工作人员的劳动量的飞灰重金属污染去除方法及装置；本发明的目的之一在于提供一种去除飞灰中重金属污染物的方法，本发明的目的之二在于提供一种去除飞灰中重金属污染物的装置。

本发明的目的之一是通过下述技术方案实现：

本发明提供的去除飞灰中重金属污染物的的方法，包括以下步骤：

1)在含水的重金属污染的飞灰填充区域两侧设置阴极和阳极；

2)通电后，在阴极和阳极周围形成电场梯度；

3)飞灰填充区域中的水在电场力的作用下发生电解反应，阴极产生氢氧根离子，阳极产生氢离子，氢氧根离子和氢离子向飞灰内部迁移和扩散，并在相遇区域形成一个pH突越区；

4)氢氧根离子和氢离子与飞灰中的重金属污染物在电化学作用下发生置换和溶解反应；

5)被溶解后的重金属污染物在电场和浓度梯度的作用下，以电迁移和电渗的方式朝阴极方向定向迁移。

进一步，所述步骤3)中还包括有：

31)在阴极区域加入酸性物质改变阴极区域的pH值，降低在阴极产生的氢氧根离子向阳极方向移动的概率；

32)所述pH突越区置空并注入酸性溶液来改变pH值，并使循环流动酸性溶液；

进一步，所述步骤4)中还包括有：

41)所述阴极和阳极以固定频率相互交换；

42)在靠近阴极的附近设置阻止阴离子和非极性物质通过的离子交换膜；

43)所述重金属污染的飞灰填充区域填充能使难溶金属硫化物转化成易溶硫酸盐的生物细菌。

本发明的目的之二是通过下述技术方案实现：

本发明提供的一种去除飞灰中重金属污染物的装置，包括样品区域(1)、阴极(32)、阳极(22)、阴极槽(31)和阳极槽(21)；所述阴极槽(31)和阳极槽(21)设置于样品区域(1)中，所述阴极(32)设置于阴极槽(31)中；所述阳极(22)设置于阳极槽(21)中。

进一步，还包括电源(4)、电流表(5)、导出污染液体处理装置；所述电源(4)与阴极(32)、阳极(22)、电流表(5)、样品区域中的污染液体构成通电回路，所述阴极槽(31)、设置有第一排气孔(33)；所述阳极槽(21)设置有第二排气孔(23)；所述阳极槽(21)还设置有孔通过虹吸管与外部盛水容器连接；所述阴极槽(31)侧开设用于导出处理后的污染液体的排出孔，所述排出孔与导出污染液体处理装置连接；所述电源的供电为采用稳流变压供电电源或者稳压变流供电电源；

进一步，所述样品区域(1)为顶面敞口的立方体容器或者圆柱体形状；所述电极槽设置有密封盖的板状高纯石墨反应器；

进一步，还包括有推动pH突越区的溶液循环流动的蠕动泵；

进一步，还包括设置有使阴极和阳极以固定频率相互交换的极性交换部件；

进一步，还包括有设置在阴极的阻止阴离子和非极性物质通过的离子交换膜。

本发明的优点在于：本发明提供的去除飞灰中重金属污染物的方法及装置修复时间短，操作简单，使用仪器少，评估精度高，重金属去除率高，减少了工作人员的劳动量，其经济效益与社会效益显著。

本发明的其它优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了去除飞灰中重金属污染物立方体装置结构示意图；

图2示出了去除飞灰中重金属污染物圆柱体装置结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明；下面结合附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

本发明提供的去除飞灰中重金属污染物的的方法，包括以下步骤：

1)在含水的重金属污染的飞灰填充区域两侧设置阴极和阳极；

2)通电后，在阴极和阳极周围形成电场梯度；

3)飞灰填充区域中的水在电场力的作用下发生电解反应，阴极氢氧根离子，阳极产生氢离子，氢氧根离子和氢离子在电场和浓度梯度的作用下，向飞灰内部迁移和扩散并在相遇区域形成一个pH突越区；

4)飞灰中的重金属污染物在电化学作用下，置换和溶解飞灰中的重金属污染物；

5)被溶解后的重金属污染物在电场和浓度梯度的作用下，以离子迁移和电渗的方式朝阴极方向定向迁移。

飞灰重金属污染物测定，飞灰中重金属污染物包括铜、锌、铅、铬、镉、汞、砷、镍及其化合物等；飞灰中的水在电场力的作用下发生电解反应，阴极产生氢气和氢氧根离子，阳极产生氧气和氢离子，去除污染物的过程中发生的主要化学反应如下：

阳极产生的氢离子在电场和浓度梯度的作用下，向飞灰内部迁移和扩散，氢离子在迁移和扩散的过程中，置换和溶解飞灰中的重金属污染物，被溶解后的重金属污染物在电场和浓度梯度的作用下，以离子迁移和电渗的方式朝阴极方向定向迁移，从而达到去除飞灰重金属污染物的目的。

在阴极区域加入酸性物质改变阴极区域的pH值，降低在阴极产生的氢氧根离子向阳极方向移动概率；改进的电动修复技术包括阴极酸化技术即为通过改变阴极区域的pH值，降低在电动修复运行过程中阴极产生的OH—将向阳极方向移动概率，从而提高重金属污染物的去除效率。

pH突越区置空并注入酸性溶液来改变pH值，并利用蠕动泵循环流动酸性溶液；由于阳极电解产生的H+离子向阴极方向迁移，阴极产生的OH—向阳极方向迁移，由于两者的离子淌度不同，最终会在距阳极的0.625倍距离左右相遇，导致该相遇区域飞灰形成一个pH突越区，由于酸碱的中和作用，很多重金属离子在此形成沉淀而沉积，影响修复效率。为了提高修复效率，将装置中的pH突越区置空，注入醋酸溶液，降低突跃区的pH值，利用蠕动泵循环醋酸溶液，使从阳极区迁移过来中的重金属离子直接进入循环液，避免重金属在pH突越区内沉积。

还包括设置有使阴极和阳极以固定频率相互交换的极性交换部件，阴、阳极以固定频率相互交换；电极交换法即固定交换频率的交换电极法强化电动修复技术，该法是在短期内，将上一个过程中的阴阳级互换，即发生产酸反应的阳极变为产碱反应的阴极(阴极同理)，使飞灰pH值始终保持在中性范围，从而提高电动修复的效率。

在靠近阴极的附近设置阻止阴离子和非极性物质通过的离子交换膜；阳离子交换膜技术即膜对阳离子及极性化合物具有很好的通透性，而阴离子和非极性物质则不能通过，这种膜在大多数溶剂中是不溶的并具有很强的抗氧化剂和强碱能力，利用离子交换膜的选择透过性可以防止阴极产生的OH—进入飞灰中，将高pH值区限制在靠近阴极的附近，从而避免金属氧化物的形成。

重金属污染的飞灰填充区域填充能使难溶金属硫化物转化成易溶硫酸盐的生物细菌；生物淋滤技术即利用细菌能使金属把难溶的金属硫化物存在形式转化成各自易溶的硫酸盐存在形式，这些金属能通过洗涤和进一步的处理而回收。

参见图1示出了去除飞灰中重金属污染物立方体装置结构示意图；本发明提供的去除飞灰中重金属污染物的的装置，包括样品区域1、阴极32、阳极22、阴极槽31、阳极槽21、电源4、电流表5和导出污染液体处理装置，还包括有检测系统，其功能是主要检测电动去除过程中的各项电化学参数，包括：电流、电压、pH、电导率、两电极室液位、电渗流量；阴极槽31和阳极槽21设置于样品区域1中，阴极32设置于阴极槽31中；阳极22设置于阳极槽21中；电源4与阴极32、阳极22、电流表5、样品区域1中的污染液体构成通电回路，阴极槽31设置有第一排气孔33；阳极槽21设置有第二排气孔23；阳极槽21还设置有孔通过虹吸管与外部盛水容器连接；阴极槽31侧开设用于导出处理后的污染液体的排出孔，所述排出孔与导出污染液体处理装置连接；直流电源的供电方式采用稳流变压供电方式或者稳压变流供电方式；稳压变流，此供电方式的特点是无论整个电动系统中负载电阻如何变化，始终保持两电极间负载电压恒定。此供电方式用电场梯度作为衡量电场强度大小的指标，即电势差与电极间距的比值，单位为V/㎝。稳流变压，此供电方式的特点是无论整个电动系统中负载电阻如何变化，始终保持样品溶液中电流恒定。此供电方式用电流密度作为衡量施加电流大小的指标，电动去除过程中电流密度为电流与样品截面积的比值，电化学中电流密度为电流与电极截面积的比值，单位为A/㎝²。

样品区域为顶面敞开由玻璃或者亚克力材料制成的立方体容器规格，尺寸为30×10×15㎝；样品区域在两电极槽之间，电极为柱状的石墨电极、铂金电极、金电极或者银电极；电极槽采用板状高纯石墨电极，加盖密封反应器；改变pH突越区的pH值并使溶液循环流动；阴阳极以固定频率相互交换，将上一个过程中的阴级变为阳极，将上一个过程中的阳极变为阴级；在靠近阴极的附近设置阻止阴离子和非极性物质通过的离子交换膜；重金属污染的飞灰填充区域填充能使难溶金属硫化物转化成易溶硫酸盐的生物细菌。

阴极和阳极在一般情况下仅指电子导体或电子导体材料，在电动过程中，通常比较适用的阴极和阳极主要有石墨电极、铂金电极、金电极和银电极。其中，石墨电极具有许多优点：导电和导热性能均好；具有较好的耐蚀性；易加工成不同形状的电极；价格便宜。

实施例2

图2为去除飞灰中重金属污染物的装置圆柱体装置结构示意图，如图所示，本实施例与实施例1的区别仅在于：II号装置为圆柱体形状，阴极12位于圆心的中心位置，阳极11位于四周，阴极12设置于阴极槽13中；阳极11设置于阳极槽14中；中间区域15为盛放飞灰的样品区域1。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种去除飞灰中重金属污染物的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在含水的重金属污染的飞灰填充区域两侧设置阴极和阳极；

2)通电后，在阴极和阳极周围形成电场梯度；

3)飞灰填充区域中的水在电场力的作用下发生电解反应，阴极产生氢氧根离子，阳极产生氢离子，氢氧根离子和氢离子向飞灰内部迁移和扩散，并在相遇区域形成一个pH突越区；

4)氢氧根离子和氢离子与飞灰中的重金属污染物在电化学作用下发生置换和溶解反应；

5)被溶解后的重金属污染物在电场和浓度梯度的作用下，以电迁移和电渗的方式朝阴极方向定向迁移；

所述步骤3)中还包括有：

31)在阴极区域加入酸性物质改变阴极区域的pH值，降低在阴极产生的氢氧根离子向阳极方向移动的概率；

32)所述pH突越区注入酸性溶液来改变pH值，并使循环流动酸性溶液。

2.根据权利要求1所述的去除飞灰中重金属污染物的方法，其特征在于：所述步骤4)中还包括有：

41)所述阴极和阳极以固定频率相互交换；

42)在靠近阴极的附近设置阻止阴离子和非极性物质通过的离子交换膜；

43)所述重金属污染的飞灰填充区域填充能使难溶金属硫化物转化成易溶硫酸盐的生物细菌。

3.一种去除飞灰中重金属污染物的装置，其特征在于：包括样品区域(1)、阴极(32)、阳极(22)、阴极槽(31)和阳极槽(21)；所述阴极槽(31)和阳极槽(21)设置于样品区域(1)中，所述阴极(32)设置于阴极槽(31)中；所述阳极(22)设置于阳极槽(21)中；

还包括电源(4)、电流表(5)、导出污染液体处理装置；所述电源(4)与阴极(32)、阳极(22)、电流表(5)、样品区域中的污染液体构成通电回路，所述阴极槽(31)、设置有第一排气孔(33)；所述阳极槽(21)设置有第二排气孔(23)；所述阳极槽(21)还设置有孔通过虹吸管与外部盛水容器连接；所述阴极槽(31)侧开设用于导出处理后的污染液体的排出孔，所述排出孔与导出污染液体处理装置连接；所述电源的供电为采用稳流变压供电电源或者稳压变流供电电源。

4.根据权利要求3所述的去除飞灰中重金属污染物的装置，其特征在于：所述样品区域(1)为顶面敞口的立方体容器或者圆柱体形状；所述阴极槽和阳极槽设置有密封盖的板状高纯石墨反应器。

5.根据权利要求4所述的去除飞灰中重金属污染物的装置，其特征在于：还包括有推动pH突越区的溶液循环流动的蠕动泵。

6.根据权利要求5所述的去除飞灰中重金属污染物的装置，其特征在于：还包括设置有使阴极和阳极以固定频率相互交换的极性交换部件。

7.根据权利要求6所述的去除飞灰中重金属污染物的装置，其特征在于：还包括有设置在阴极的阻止阴离子和非极性物质通过的离子交换膜。

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