CN102230909A - 土壤及地下水电动修复聚焦现象预测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明基于离子诱导电压阱捕集效应提出一种利用电压梯度变化预测污染土壤及地下水电动修复过程中聚焦现象的方法和装置。所述方法首先按照电动修复的初步方案安装好阴极和阳极并接通电源，然后将两极之间的土壤等分为数段或数十段，测量每一段土壤两端的电压，根据相邻两段土壤的电压差判断可能出现聚焦带的位置：(1)如果相邻两段土壤上的电压相差较大，而且高电压段在低电压段的上游(参照目标离子的移动方向)，则在两段土壤的交界处有可能出现聚焦带；(2)如果高电压段在低电压段的下游，则在两段土壤的交界处不会出现聚焦带；(3)如果相邻两端土壤上的电压相差很小，则在两段土壤的交界处不会出现明显的聚焦带。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用土壤电压梯度变化预测污染土壤和地下水电动修复过程中聚焦现象的方法。
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，会导致土壤和地下水的污染，当该场地改为居住、农业等用地时，必须进行土壤和地下水的修复，消除其中的污染物。
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、电动修复等；(2)化学修复：化学淋洗修复、溶剂浸提修复、高温焚烧修复、氧化还原修复等；(3)生物修复：预备床法、土壤堆腐法、泥浆生物反应器法、土地耕作法等。按照土壤是否要挖掘，这些技术可分为原位(in situ)修复技术和异位(ex situ)修复技术。原位修复技术又可分为原位处理技术和原位控制技术。原位处理技术是指通过物理、化学、生物等方法在原位将污染物从土壤和地下水中去除；而原位控制技术是指通过各种方法将污染物限制在原位的一定区域内阻止其向外扩散。异位修复技术是指将污染土壤从原来的位置挖出来在场地内的某个地方或场地外某个地方进行修复或控制填埋。
电动修复技术是利用电化学原理(图1)，在污染土壤1、2、3的两端插入正电极4和负电极5，形成直流电场，在电场作用下，土壤和地下水中的污染物(主要是以离子态存在的重金属污染物)根据各自所带电荷的不同而向两电极迁移(即电迁移)，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。电动修复技术通常作为原位修复技术进行使用。
当采用电动修复技术对污染土壤和地下水进行原位修复时，通常会发生聚焦现象2(图1和图2)，即：目标污染物在修复场地内的某些区域2积聚，导致这些区域污染物浓度异常增高，可高达电动修复前浓度的数倍。聚焦带出现的位置与污染物浓度的初始分布情况并无直接关系，即：重金属初始浓度高的区域并不一定是聚焦带出现的位置。聚焦位置出现的不确定性和超高浓度为场地修复后的验收采样和评估工作带来了巨大的困难。此外，聚焦带的移动速度非常缓慢，远远低于重金属在非聚焦带的移动速度，导致整个场地电动修复时间延长数倍、电耗也相应增加数倍。电动修复的研究至今已有近三十多年的历史，实验室研究有大量成功案例，但极少见到工程实际应用，聚焦现象导致的实地修复效果、费用及时间的不稳定性是其主要原因之一。对于聚焦现象产生的机理鲜见专门的研究，一般认为是由于重金属离子在迁移过程中与OH-离子或其他阴离子发生反应生成沉淀的结果，但这无法解释只要施加足够高的电压、通电时间足够长，聚焦带依然可以缓慢定向移动的现象(沉淀物是电中性，是不会在电场作用下定向移动的)。本专利申请人经过长期的研究证明，电动修复过程中聚焦带2的形成并不是一种化学反应现象，而是一种物理现象，只有在重金属离子由低电导区域1电迁移进入高电导区域3的情况下才会发生，位置在两个区域的交界处3。这是由于阳极4和阴极5之间的低电导区域1和高电导区域3为串联关系，导致低电导区域1上的电压梯度高于高电导区域3，而重金属离子在土壤中电迁移速率与施加在土壤上的电压梯度(电场强度)成正比，因此，当重金属离子从高电压梯度区域(即低电导区域1)电迁移进入低电压梯度区域(即高电导区域3)时，迁移速度陡降，在两个区域的交界处2聚集形成聚焦带(就像汽车从快车道突然进入慢车道形成的塞车现象一样)。高电导区与低电导区的电导差异越大，聚焦现象越严重，而且高电导区的电导越大，聚焦带的移动越慢。但如果重金属离子从低电压梯度区域(即高电导区域3)电迁移进入高电压梯度区域(即低电导区域1)时，就不会发生聚焦现象(就像汽车从慢车道突然进入快车道不会形成塞车现象一样)。
这种由于土壤水中离子浓度的不同引起的土壤电导不同，进而导致电动修复中电压梯度不同的情况称之为离子诱导电压阱捕集效应(ion-induced potential well trapping effect)。
在含水率相同的情况下，土壤电导的高低主要由土壤水中离子的总浓度决定，这些离子包括：K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Cl-、SO4 2-、NO3 -等以及作为修复目标污染物的重金属离子。通常，重金属离子在其中所占的比例非常低(百分之几到万分之几)，因此，仅依靠目标重金属离子的浓度一般不能判定土壤电导的高低，需要实际测量。
天然场地由于土壤理化性质的不均性导致其土壤电导分布也不均匀，在场地上建设了工厂之后，由于建设和排污的影响，整个场地电导分布的不均匀性进一步加大，因此，在污染土壤和地下水的电动修复过程中，聚焦现象或轻或重地普遍存在。
此外，电极工作液浓度控制不当，也会导致在电极附近的土壤中发生聚焦现象(图2)。电极工作液6中加入电解质的主要目的是为了导电或中和电解产物(如：H+离子和OH-离子)。但如果电解质浓度高了，会导致由电极工作液6扩散进入电极区土壤的电解质量大于由电极区土壤扩散进入电极工作液6的量，使得电极附近土壤电导升高，形成高电导区3。当这种电导升高幅度较大时，就会在电极附近土壤中发生明显的聚焦现象2。
发明内容
基于上述聚焦带形成的原理，本发明提出了通过电压梯度的测量来预测聚焦现象的方法和装置。
本发明提出的方法是分别以阳极4和阴极5为起点和终点，在土壤中等距离地插入电压测量探针7(图3)。根据阳极和阴极之间土壤质地的不均匀情况，相邻探针之间的距离可在5cm～50cm之间选择。当土壤质地均匀度较好时，探针间的距离可取大值，反之取小值。
测量时将电压调至电动修复所需电压，然后依次测量相邻两个探针之间的电压，得到每段土壤(两个相邻探针7之间的土壤)上的电压。由于探针之间的距离相等，每段土壤上的电压可以视为电压梯度。根据电压梯度的测量结果结合重金属离子的迁移方向(以阳离子形式存在的，沿阳极至阴极方向迁移，如：Cu2+；以阴离子形式存在的，沿阴极至阳极方向迁移，如：CrO4 2-离子)判断电动修复过程中可能出现聚焦带的地方，即：(1)当相邻两段土壤上的电压相差较大，而且高电压段(低电导区)在低电压段(高电导区)的上游，则有可能在两者的交界处出现聚焦带；(2)如果高电压段在低电压段的下游，则在两者的交界处不会出现聚焦带；(3)如果相邻两端土壤上的电压相差很小，则在两者的交界处不会出现明显的聚焦带。
本发明提出的实现上述方法的测量装置结构如下：
本发明所述的电压测量系统由3大单元组成(图4)：一台个人电脑8、一套由单片机控制的分段电压测量子系统9和探针组10。个人电脑用于整个测量系统的控制、数据记录和处理；分段电压测量子系统的由单片机及其外围电路组成。当接到电脑的测量指令后，分段电压测量子系统自动将第一段土壤两端的两个探针接到电压测量电路上，对第一段土壤的电压自动进行测量并将结果传送到电脑，最后自动将第一段土壤两端的探针从电压测量电路上断开。之后分段电压测量子系统又立即自动将第二段土壤两端的两个探针接到电压测量电路上进行电压测量，如此依次重复下去，直到所有各段土壤的电压全部自动测量完成，然后返回信号标明来自电脑的一次测量指令完成。该系统也可根据电脑的指令针对任意段土壤单独进行单次或多次电压测量。
本发明所述电压测量系统的探针的长度一般小于10cm，以便携带和搬运。探针材质为抗腐蚀的石墨、铜、不锈钢等。当地面粗糙、杂草较密或测量深层土壤的电压时，探针长度不够，可通过插接探针延长鞘11加长使用长度。延长鞘的长度根据测量深度而定。当只测量深层土壤的电压梯度时，应将探针延长鞘上面的部分用绝缘材料包覆(如：绝缘胶布、塑料管等。也可使用硬质铜电线，将与测量土壤深度对应的一小段塑料皮去掉即可)。
附图说明
图1土壤及地下水电动修复聚焦带形成原理示意图。
图2电极附近土壤聚焦带形成原理图
图3土壤电压梯度测量方法示意图。
图4土壤电压测量系统组成示意图。
图5探针延长鞘基本结构示意图。
具体实施方式
(1)根据电动修复初步方案确定阴极和阳极的位置，如果阴、阳两极之间的地形不够平整，要先进行平整，然后才能安装阳极4和阴极5(图3)；
(2)按设计要求，用皮尺在阴、阳两极之间量出每一个探针的位置(图3)；
(3)将探针7依次插入土中(图3)，组成探针组10(图4)。当土壤较深或需要测量深层土壤的电压梯度时，使用探针延长鞘11(图5)延长探针的长度。如果土层较硬，探针不能直接插入到指定深度，则先用人工开挖或电钻钻出土孔，然后把探针7或探针鞘11放入孔中，最后用土将孔壁与探针之间的空隙填满；
(4)按图4所示电路，将电脑8、分段电压测量子系统9和探针组10连接起来；
(5)启动电脑8中的控制软件，进行土壤电压梯度测量；
(6)分析测量数据，(a)当相邻两段土壤上的电压相差较大，而且高电压段在低电压段的上游时，则在两者的交界处有可能出现聚焦带；(b)如果高电压段在低电压段的下游，则在两者的交界处不会出现聚焦带；(c)如果相邻两端土壤上的电压相差很小，则在两者的交界处不会出现明显的聚焦带。
Claims (2)
1.一种污染土壤及地下水电动修复聚焦现象的预测方法；
其特征在于：所述方法利用土壤电压梯度的变化预测污染土壤及地下水在电动修复过程中出现聚焦带的位置；首先按照电动修复的初步方案安装好阴极和阳极并接通电源，然后将两极之间的土壤等分为数段或数十段(段数越多，准确度越高)，测量每一段土壤两端的电压，(1)如果相邻两段土壤上的电压相差较大，而且高电压段在低电压段的上游(参照目标离子的移动方向)，则在两段土壤的交界处有可能出现聚焦带；(2)如果高电压段在低电压段的下游，则在两段土壤的交界处不会出现聚焦带；(3)如果相邻两端土壤上的电压相差很小，则在两段土壤的交界处不会出现聚焦带。
2.实现权利要求1所述的方法采用的自动测量装置；
其特征在于：所述方法的自动测量系统由3大单元组成，一台个人电脑、一套由单片机控制的分段电压测量子系统和探针组；个人电脑用于整个测量系统的控制、数据记录和处理；分段电压测量子系统由单片机及其外围电路组成，当接到电脑的测量指令后，分段电压测量子系统自动将第一段土壤两端的两个探针接收到电压测量电路上，对第一段土壤的电压自动进行测量并将结果传送到电脑，最后再自动将第一段土壤两端的探针从电压测量电路上断开；之后，分段电压测量子系统又立即自动将第二段土壤两端的两个探针接到电压测量电路上进行电压测量，如此依次重复下去，直到所有各段土壤的电压全部自动测量完成，然后返回信号通知来自电脑的一次测量指令完成；该系统也可根据电脑的指令针对任意段土壤单独进行单次或多次电压测量。探针的长度一般小于10cm，材质为抗腐蚀的石墨、铜、不锈钢等，探针可通过插接探针延长鞘加长测量深度。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20130515 Termination date: 20140401 |