CN102671526A

CN102671526A - 用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的方法及装置

Info

Publication number: CN102671526A
Application number: CN2012100015879A
Authority: CN
Inventors: 刘亚纳; 李保元; 司岸恒; 徐航; 李梅; 朱青菊; 汤红妍; 周鸣; 王辉
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: CN102671526B

Abstract

本发明将土壤送入土壤床内与通入土壤床的热风充分的接触，利用热风将吸附在土壤中的挥发性有机污染物释出，热风携带挥发性有机污染物通过管道进入内设低温等离子体发生器的低温等离子体反应器中，利用低温等离子体发生器放电产生的活性粒子以及紫外线、高压激波、臭氧、高能电子等共同作用于被处理的挥发性有机污染物，使污染物迅速降解，其处理装置结构简单，处理方法实施方便，可以连续处理被污染的土壤，土壤在土壤床内的停留时间短，处理速度快，有机物的去除无选择性，无二次污染，适用于工业化大规模的进行污染土壤的修复。

Description

用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种污染土壤的修复方法，准确的说是涉及一种用低温等离子体处理土壤有机污染物的方法及配套的处理装置。

背景技术

随着我国经济的高速发展，汽车数量急剧上升，加油站和地下储油罐等遍布各地，且数量与日俱增。但是由于设计管理不善，这些储油罐在埋设时，多数未充分考虑罐体的强度及相应的渗漏防护措施，一旦泄露，将对周边土壤、地下水造成严重污染。尤其是随着储油罐体的老化，这一问题将更加突出。为此，石油以及化工行业对土壤的污染，尤其是其中大量挥发性有机污染物对土壤的污染，在我国以越来越引起人们的重视。

挥发性有机污染物是沸点在50-260℃之间的各种有机化合物。按其化学结构，可进一步分为：烷类(如三氯甲烷)、芳烃类(如苯、甲苯)、烯类(如三氯乙烯)、卤烃类、酯类(如二异氰酸甲苯脂)、醛类(如甲醛)、酮类(如丙酮)等。它的特点是：种类多、成份复杂、长期低剂量释放、对人体危害大。土壤中的挥发性有机污染物作为一类特殊的土壤污染物，有其不同于其他污染物的污染特性，并因其成分复杂和危害性，被列为环境中潜在危险性大、应优先控制的毒害性污染物。因此，对受挥发性有机污染物污染的土壤必须进行妥当处置，以保证生物及其环境的安全。

目前，对于挥发性有机污染物的修复技术主要有，焚烧技术、光降解技术、土壤淋洗技术、土壤气相抽提技术等，但焚烧技术彻底破坏土壤的性质，光降解技术速度慢且处理不彻底，土壤淋洗技术和气相抽提技术会给环境造成二次污染，且成本较高。

中国专利公开文件CN101530858A公开了一种土壤污染热脱附修复处理系统，该系统是将污染土壤与热空气同时送入热提转炉中充分接触，将挥发性/半挥发性污染物从土壤中分离出来，在通过引风机送入除尘塔和碱液吸收塔中处理。但这种处理方法有一定的局限性，容易造成二次污染，而且这种处理系统结构复杂，设备投资较大，处理成本较高。

发明内容

本发明的目的是：提供一种处理成本低的用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的方法，以解决现有技术采用碱液吸收塔处理容易造成二次污染的问题。

本发明的技术方案是：一种用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的方法，第一步，将被污染土壤送入热风通道中与通道内的温度为60～260℃的热风接触使吸附在被污染土壤表面的挥发性有机污染物脱附；第二步，将携带有脱附后的挥发性有机污染物的热风送入内设低温等离子体发生器的低温等离子体反应器中，由低温等离子体发生器产生的低温等离子体与挥发性有机污染物反应实现挥发性有机污染物的分解。

所述的低温等离子体反应器包括相对设有进出风口的箱体，箱体内与进出风口之间形成气流通道，所述的低温等离子体发生器包括分设于气流通道两侧的高压放电电极，两高压放电电极通过设于箱体上的极柱连接25～110KV高压脉冲变频电源，采用放电频率为250～1000Hz的电弧放电方式产生低温等离子体。

所述的高压放电电极采用圆柱形不锈钢材料弯制而成，两高压放电电极分别由对应极柱朝气流通道方向延伸并于相互靠近处弯折向下、向外延伸，在两高压放电电极相互远离的末端相对设有半椭圆弧结构，两半椭圆弧结构所处平面与所述气流通道垂直。

所述低温等离子体反应器中由挥发性有机污染物分解后的尾气一部分排入大气，另一部分送回热风通道中循环使用。

本发明还同时提供了一种专用于实施上述方法的低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置，该低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置的技术方案是：一种低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置，包括土壤床和低温等离子体反应器，所述的土壤床包括内设有土壤通道和热风通道的罐体，所述土壤通道竖向延伸，所述热风通道与土壤通道相交并连通；所述低温等离子体反应器包括内设低温等离子体发生器的箱体，箱体壁上对应设有进出风口，所述土壤床的热风进口连接有热源装置，其热风出口通过管道与低温等离子体反应器的进风口连通。

所述的低温等离子体反应器的箱体由绝缘材料制成，所述的气流通道竖向设置，其进出风口相对分设于箱体的顶底部，所述的低温等离子体发生器包括相对设置于箱体顶部进风口两侧的两高压放电电极，两高压放电电极通过对应穿设在箱体壁上的极柱连接有高压脉冲电源。

所述的两高压放电电极均由圆柱形不锈钢弯制而成，两高压放电电极分别由对应极柱朝气流通道方向向内延伸并于相互靠近处弯折向下、向外延伸，在两高压放电电极相互远离的末端相对设有半椭圆弧结构，两半椭圆弧结构所处平面与所述气流通道垂直。

所述的热源装置包括热风炉和热风机，热风炉的出口通过管道与热风机的进口连接，热风机的出口通过管道与土壤床的热风进口连接，所述低温等离子体反应器的出风口连接有两条支路，一条支路与大气相通，另一端支路通过管道与热风机的进口连通。

在所述土壤床的热风出口与低温等离子体反应器的进风口之间通过管道还串接有过滤器。

在所述过滤器的出口与低温等离子体反应器的进风口之间通过管道还串接有阻燃器。

本发明的土壤挥发性有机污染物处理方法是在土壤床中通入热风，利用土壤床内的格栅填料使热风与土壤进行充分的接触，从而利用热风将吸附在土壤中的挥发性有机污染物释出，并同时利用热风将挥发性有机污染物送入低温等离子体反应器中，在低温等离子体反应器中利用低温等离子体产生的活性粒子以及紫外线、高压激波、臭氧、高能电子等共同作用于被处理的挥发性有机污染物，使污染物迅速降解，其处理装置结构简单，处理方法实施方便，可以连续处理被污染的土壤，土壤在土壤床内的停留时间短，处理速度快，有机物的去除无选择性，无二次污染，适用于工业化大规模的进行污染土壤的修复。

附图说明

图1为本发明中用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置具体实施例的结构示意图；

图2为图1中低温等离子体反应器的结构示意图。

图中箭头所示为热风走向

具体实施方式

本发明的用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的方法主要是：第一步，将被污染土壤送入热风通道中与通道内的温度为60～260℃的热风接触使吸附在被污染土壤表面的挥发性有机污染物脱附；第二步，将携带有脱附后的挥发性有机污染物的热风送入内设低温等离子体发生器的低温等离子体反应器中，由低温等离子体发生器产生的低温等离子体与挥发性有机污染物反应实现挥发性有机污染物的分解。

为实现上述的处理方法，本发明提供了用于将热风与土壤接触的土壤床3和用于分解挥发性有机污染物的低温等离子体反应器8。其中，土壤床3包括一个空心罐体，在其罐体的顶部设有土壤进口4，在罐体的底部设有土壤出口5，从而在土壤床3内于土壤进口4和土壤出口5之间形成土壤通道，在罐体相对的两侧壁上对应设有热风进口32和热风出口33，从而在热风进口32与热风出口33之间形成热风通道，该热风通道与土壤通道在罐体内相交连通，使热风通道穿过土壤通道。为增强热风与土壤的接触率，以提高土壤表面吸附的挥发性有机污染物的脱附效率，本发明在土壤床3的罐体内于土壤通道中上下间隔布设有两层以上的格栅填料31，格栅填料31上布设有供土壤通过的小孔，被污染土壤由土壤进口4送入土壤床3的罐体内，利用自重依次通过各层格栅填料31由罐体底部的土壤出口5流出，土壤在经过格栅填料31时结块的土壤被格栅填料31打散成细小的颗粒，热风与土壤颗粒充分接触，将土壤颗粒表面吸附的挥发性有机污染物释出。热风进口32通过管道连接用于生产热风的热源装置，该热源装置包括热风炉1和热风机2，热风炉1可以采用燃油炉、燃煤炉或者燃生物质炉用于加热空气，热风炉1的出口通过管道与热风机2的进口连接，热风机2的出口与土壤床3的热风进口32连接，将热风炉1产生的热空气送入土壤床3中形成热风。

低温等离子体反应器8包括内设有低温等离子体发生器的空心箱体，该箱体整体由绝缘材料制成，箱体的顶底部对应设有进风口9及出风口10从而在低温等离子体反应器8内形成气流通道。进风口9与土壤床3的热风出口33通过管道连通。本实施例中，为了便于对箱体内的高压放电电极进行维护，该低温等离子体反应器8的箱体具有一个上端开口、下端封闭的桶状外壳16及设于桶状外壳16顶部的盖板17，其桶状外壳16由陶瓷绝缘材料制成，盖板17由聚四氟乙烯材料制成，低温等离子体反应器8的进风口9设于箱体顶部的盖板17中心，其出风口10相对设于桶状外壳16的底部。低温等离子体发生器包括相对设于气流通道两侧的高压放电电极12、13，两高压放电电极12、13均由直径为2～5mm的圆柱形不锈钢材料弯制而成，并分别通过穿设在盖板17上的极柱连接高压脉冲变频电源。该两高压放电电极12、13的上部分别由对应极柱朝气流通道方向延伸并于相互靠近处弯折向下、向外延伸，在两高压放电电极12、13相互远离的末端相对设有半椭圆弧结构，两半椭圆弧结构所处平面与气流通道垂直，从而在两高压放电电极12、13之间形成与气流通道重合的等离子体通道。

为防止从土壤床3中出来的由热风和挥发性有机污染物组成的混合气体夹带有土壤微粒，本实施例中，在土壤床3的热风出口33与低温等离子体反应器8进风口9连接的管道中还串接有过滤器6。

另外，由于挥发性有机污染物属于易燃气体，为防止被热风加热后的挥发性有机污染物燃烧，本实施例中，其还在过滤器6与低温等离子体反应器8进风口9连接的管道中还串接有阻燃器7。

使用时，通过热风炉1将空气加热，加热的温度随土壤中吸附的挥发性有机污染物的成分在60～260℃之间调整，然后通过热风机2将热空气送入土壤床3中与流过格栅填料31的土壤充分接触，将吸附在土壤表面的挥发性有机污染物释出，挥发性有机污染物脱附后在热风带动下依次经过滤器6去除杂质以及阻燃器7后经低温等离子体反应器8的进风口9进入到低温等离子体反应器8的空心箱体16内，由高压脉冲变频电源释放出电压为25～100kV、频率为250～1000Hz的高压脉冲电压，从而在两高压脉冲放电电极12、13的上部相互靠近处产生电弧生成放电等离子体，在放电过程中，两高压放电电极12、13之间产生的电弧在气体通道内的气流作用下沿等离子体通道向下移动形成滑动电弧放电，随着电极间距的增大，电弧的面积逐渐增大，在两高压放电电极12、13底部的两半椭圆弧结构处达到最大值，从而在常压下获得非平衡等离子体，由于等离子体通道与气流通道重合，因此由电弧放电产生的·OH、O及HO₂·等活性粒子以及放电过程中同时生成的紫外线、高压激波、臭氧、高能电子能够充分与挥发性有机污染物融合反应，活性粒子与紫外线、高压激波、臭氧、高能电子同时作用在挥发性有机污染物上，使挥发性有机污染物开环、断键等成为低分子的有机脂肪酸，最后直至转化为具有一定热量的由二氧化碳和水蒸气组成的尾气从出风口10排出。另外，由于两高压放电电极12、13采用不锈钢材料制成，因此在放电过程中，不锈钢材料中的铁及其铁离子能够对挥发性有机污染物的降解起到催化作用，加速挥发性有机污染物的降解速度，提高低温等离子体的处理效率。

在低温等离子体反应器8的出风口10设有两条支路，其中一体支路与外界大气直接连通，将降解挥发性有机污染物后产生的二氧化碳、水蒸气等尾气直接排入大气，另一条支路通过回流管道11与热风机2的进口连接，使一部具有一定热量的尾气通过回流管道11与热风炉1生产的热空气一起被热风机2送入土壤床3中循环使用，由于尾气具有热量，因此尾气循环利用可以达到节省能耗的目的。

本发明采用内设格栅填料的土壤床实行被污染的土壤的连续处理，土壤床采用固定床多级床层，使土壤在经过格栅填料时能够与热风充分接触，挥发性有机污染物的去除无选择性，挥发性有机污染物的脱附效果好；各级床层中采用适用于负荷大、压降小、介质较重、有固体颗粒的场合的格栅填料，这种填料具有高空隙率，使得被污染土壤在土壤床内的停留时间短，提高了被污染土壤的处理速度；挥发性有机污染物的降解采用低温等离子体技术，利用低温等离子体与挥发性有机污染物反应，挥发性有机污染物分解较为彻底，不会造成二次污染；低温等离子体反应器中采用的高压放电电极与以前的低温等离子体技术相比，放电等离子体通道面积增加了3～4倍，而且其脉冲电压在25～100kV、频率在250～1000Hz的之间可调，使得这种低温等离子体发生器的功率仅为8～25W，其功率与现有技术相比降低了4～5倍，极大的降低了能耗，充分体现了节能降耗的效果。本发明中的低温等离子体反应器采用不锈钢材料制作电极，其在放电过程中，电极中的铁元素及其离子对挥发性有机污染物的分解还能够起到较强的催化作用，提高挥发性有机污染物的处理速度。

本发明的处理土壤挥发性有机污染物的处理装置中，其在土壤床3的热风进口32处以及在过滤器6上还分别安装有用于测温的热电偶a；在热风机2出口与土壤床3热风进口32连接的管道中以及在土壤床3的罐体上分别安装有用于测试压力的压力计b；同时，在低温等离子体反应器8的进风口9处还设有用于测量气体流量的流量计c；在热风机2出口与土壤床3热风进口32连接的管道中、土壤床3的热风出口33与过滤器6连接的管道中以及在低温等离子体出风口10侧分别设置有用于实时检测污染物浓度的测量口d，利用热电偶a、压力计b、流量计c及污染物浓度测量口d在处理装置的运行过程中对热风及挥发性有机污染物的温度、压力、气体流量和污染物的浓度实现自动监测，保证出口气体处理效果，实现达标排放。

本发明的土壤处理装置可采用间隙式和连续式两种方式运行，其中，对于污染土壤量较小的土地，可采用间歇式的方式运行，即处理时，土壤床中的土壤用热风脱附完成后先清空土壤床在更换新的土壤，然后再进行下一次的脱附处理；而对于污染土壤量较大的土地，可采用连续式的方式运行即土壤床中利用土壤进口和土壤出口使土壤处于流动状态，新的被污染土壤不间断的从土壤进口加入到土壤床内，脱附处理后的清洁土壤由土壤床底部的土壤出口流出，此时可提高土壤的处理速度和处理效率。

Claims

1.一种用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的方法，其特征在于，该方法是：第一步，将被污染土壤送入热风通道中与通道内的温度为60~260℃的热风接触使吸附在被污染土壤表面的挥发性有机污染物脱附；第二步，将携带有脱附后的挥发性有机污染物的热风送入内设低温等离子体发生器的低温等离子体反应器中，由低温等离子体发生器产生的低温等离子体与挥发性有机污染物反应实现挥发性有机污染物的分解。

2.根据权利要求1所述的用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的方法，其特征在于，所述的低温等离子体反应器包括相对设有进出风口的箱体，箱体内与进出风口之间形成气流通道，所述的低温等离子体发生器包括分设于气流通道两侧的高压放电电极，两高压放电电极通过设于箱体上的极柱连接25~110KV高压脉冲变频电源，采用放电频率为250~1000Hz的电弧放电方式产生低温等离子体。

3.根据权利要求2所述的用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的方法，其特征在于，所述的高压放电电极采用圆柱形不锈钢材料弯制而成，两高压放电电极分别由对应极柱朝气流通道方向延伸并于相互靠近处弯折向下、向外延伸，在两高压放电电极相互远离的末端相对设有半椭圆弧结构，两半椭圆弧结构所处平面与所述气流通道垂直。

4.根据权利要求1所述的用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的方法，其特征在于，所述低温等离子体反应器中由挥发性有机污染物分解后的尾气一部分排入大气，另一部分送回热风通道中循环使用。

5.一种专用于实施如权利要求1所述方法的低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置，其特征在于，包括土壤床和低温等离子体反应器，所述的土壤床包括内设有土壤通道和热风通道的罐体，所述土壤通道竖向延伸，所述热风通道与土壤通道相交并连通；所述低温等离子体反应器包括内设低温等离子体发生器的箱体，箱体壁上对应设有进出风口，所述土壤床的热风进口连接有热源装置，其热风出口通过管道与低温等离子体反应器的进风口连通。

6.根据权利要求5所述的低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置，其特征在于，所述的低温等离子体反应器的箱体由绝缘材料制成，所述的气流通道竖向设置，其进出风口相对分设于箱体的顶底部，所述的低温等离子体发生器包括相对设置于箱体顶部进风口两侧的两高压放电电极，两高压放电电极通过对应穿设在箱体壁上的极柱连接有高压脉冲电源。

7.根据权利要求6所述的用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置，其特征在于，所述的两高压放电电极均由圆柱形不锈钢弯制而成，两高压放电电极分别由对应极柱朝气流通道方向向内延伸并于相互靠近处弯折向下、向外延伸，在两高压放电电极相互远离的末端相对设有半椭圆弧结构，两半椭圆弧结构所处平面与所述气流通道垂直。

8.根据权利要求5所述的用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置，其特征在于，所述的热源装置包括热风炉和热风机，热风炉的出口通过管道与热风机的进口连接，热风机的出口通过管道与土壤床的热风进口连接，所述低温等离子体反应器的出风口连接有两条支路，一条支路与大气相通，另一端支路通过管道与热风机的进口连通。

9.根据权利要求5至8任意一项所述的用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置，其特征在于，在所述土壤床的热风出口与低温等离子体反应器的进风口之间通过管道还串接有过滤器。

10.根据权利要求9所述的用低温等离子体处理土壤挥发性有机污染物的处理装置，其特征在于，在所述过滤器的出口与低温等离子体反应器的进风口之间通过管道还串接有阻燃器。