CN103230932A - 一种超临界co2流体修复有机污染土壤的装置及修复方法 - Google Patents

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卢宏玮
李振通
何理
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Abstract

本发明属于环境保护污染治理技术领域，特别涉及一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置及修复方法。本发明装置由CO2储气罐、加压泵、进气阀门、压力监测装置、土壤预处理装置、搅拌萃取釜、温度控制装置、减压阀、气液分离器、有机污染物储存罐和有机污染物过滤装置组成。本发明方法具有萃取时间短、溶剂用量少、操作方便、萃取效率高、无环境污染，且可通过改变萃取条件实现高选择性萃取等特点。本发明方法相对于索氏提取法、超声波提取法、加速溶剂萃取方法等传统萃取技术有提取时间短、无需预浓缩和纯化、不会产生二次污染等优点。

Description

一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置及修复方法
技术领域
本发明属于环境保护污染治理技术领域，特别涉及一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置及修复方法。
背景技术
随着我国生产力的不断提高，工农业等产业的迅速发展，各种污染物被排放到空气、水体及土壤中。而土壤作为各种污染物的最终归宿，富集了大量各种污染物，土壤中污染物的大量蓄积已成为主要环境问题之一。
在近几年来，我国煤化工等行业发展极为迅速，这些企业在生产过程产生的污染物对环境和人体健康会造成危害。在我国的工业企业土壤的污染较为严重。例如在焦化厂的生产中，煤是主要原料，在煤干馏生产焦炭过程中，会有大量的有机物排出并冷凝为煤焦油，在以煤焦油为原料加工各种化工产品的过程中会有有机污染物大量排放，是环境中有机污染物的主要来源之一。随着国家不断的调整产业结构，很多煤化工厂区由市区变迁到了郊区，由搬迁所引发的场地再利用的问题日益显著，企业搬迁后遗留场地的环境问题亟待解决。
土壤修复按照修复地点的区别可分为有“原位”和“异位”两种修复方式。原位修复是在污染土壤的原地进行，比较常用的方法是洗涤、通风和生物降解。这种修复方法的特点是成本较低和处理方便。异位修复则为挖掘污染区域的土壤后运输到修复地点再进行处理处置，这种方法的优点是能够完全控制处理处置的过程。无论是原位修复还是异位修复按照修复的原理都可分为4种修复技术：物理、化学、生物技术和这三种方法的联合修复。物理修复技术的优势是简单有效，便于实施。然而，热处理对污染土壤的影响很大，一些物理修复方法在使用上也需要一些外在条件。化学修复技术适合用于处理紧急污染事故，但是缺点是修复成本很高。生物修复技术的投资较少，但是修复周期较长。
超临界流体是指物质处于其临界温度和临界压力以上而形成的一种特殊状态的流体，目前广泛应用于从石油渣油中回收油品、从咖啡中提取咖啡因、从啤酒花中提取有效成分等工业中，实现了超临界流体萃取技术从理论研究、中小水平向大规模产业化的转变。在超临界条件下，某些流体，如二氧化碳等的粘度系数很小，有利于溶质的扩散，因而具有很好的质量传递特征。同时具有较小的表面张力，易于进入到土壤或沉积物的微细孔隙中，从而将有机物很快地萃取出来。
超临界流体（Supercritical Fluids, SCFs）是一种温度高于临界温度、压力高于临界压力的流体，如CO2在温度高于31.05 ℃，压力高于7.4 MPa时，就成为超临界CO2流体。在超临界状态时，流体的溶解能力和扩散能力都比较强，流体兼有气体和液体的一些特性，许多性质介于气体和液体的性质之间，如密度、粘度、扩散系数、介电常数、溶剂化能力等。许多物质在流体中的溶解度可以在一定范围内通过流体压力和温度进行调节，特别是在临界点附近这种调节作用尤为显著。超临界CO2（SC-CO2）和超临界水（c=374.1 K，c=21.8 MPa）是目前应用最广泛的超临界流体。超临界CO2除具有超临界流体的一般性质外，还具有价格便宜、无毒、不易燃、无污染、容易循环利用等优点，作为绿色介质被广泛接受CO2因其临界条件比水更易达到，经济要求相对较低，是超临界流体萃取最常用的介质。
超临界CO2萃取是指在超临界状态下，将超临界CO2与待分离的物质接触，通过控制体系的压力和温度使其选择性地萃取其中某组分，然后通过温度或压力的变化，降低超临界流体的密度，进而改变萃取物在超临界流体中的溶解度，实现萃取物质的分离。超临界流体再行压缩后也可以循环使用。压力和温度是超临界流体萃取中十分重要的2个参数。
污染物在超临界CO2中的溶解度大小是决定萃取效率的重要因素。由于CO2 的非极性特征和低介电常数，许多强极性物质、盐类物质和高分子物质的溶解度不大。改善剂是一种很少量的溶剂，然而它能在超临界CO2萃取土壤中有机物的过程中大大地改善样品母质中被吸附的有机物的萃取性，或者能大大地增加这些被吸附的有机物在超临界CO2液体中的溶解性。因此应用中通常加入少量改善剂，增强CO2的溶解能力。因此，在超临界CO2萃取体系中，选择恰当有效、环境毒性低的改善剂十分重要。
除了温度和压力条件以及改善剂以外，萃取土壤中污染物的效率还与污染物本身、土壤的性质和超临界CO2的性质有关，同时也与这三者之间的相互作用有关。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置及修复方法。
一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置，其CO2储气罐通过加压泵及进气阀门与搅拌萃取釜的进气口相连，搅拌萃取釜的出气口通过减压阀与气液分离器的气液入口相连；所述搅拌萃取釜的顶部土壤入口与土壤预处理装置相连，搅拌萃取釜的底部设置土壤出口，搅拌萃取釜的釜体还分别与压力监测装置和温度控制装置相连；所述气液分离器的底部液体出口与有机污染物储存罐相连，二者之间设置控制阀门，气液分离器的气体出口与有机污染物过滤装置的气体入口相连，二者之间设置控制阀门；所述有机污染物过滤装置上设置CO2出口。
一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其具体方案如下：
在搅拌萃取釜内，放入经过破碎的被有机物污染的土壤，并且加入改善剂，搅拌萃取釜内的搅拌设备使被污染土壤与改善剂和二氧化碳流体充分接触；利用加热设备为搅拌萃取釜加温；当搅拌萃取釜内温度达到预定范围后，向搅拌萃取釜内通入CO2气体，并且利用加压设备进行加压，使搅拌萃取釜内温度达到预定压力，关闭进气阀，使CO2在预定的温度和压力条件下达到超临界状态，对土壤中的有机污染物进行萃取；达到预定萃取时间后，开始放气收集过程，对收集的气体通过减压的方式达到CO2与萃取出的有机污染物进行分离的目的；分离后的CO2气体需要通过有机污染物过滤装置，过滤残留在CO2气体中的有机污染物。
通过加压泵对CO2气体进行加压，并且通过压力调节装置对压力进行调节控制。
所加入的经过破碎的被有机物污染的土壤的体积与搅拌萃取釜的体积比为（1~3）：10；需要处理的土壤需要经过破碎，使土壤不成块板结；在搅拌萃取釜内对需要处理的土壤进行充分搅拌，使土壤与改善剂和超临界CO2充分接触，提高萃取效率；
所述改善剂为水、甲醇、乙醇、正己烷、异戊烷和甲苯中的一种或多种，用以提供有机物在超临界CO2中的溶解能力；具体使用过程中改善剂的浓度和添加量根据需要萃取的有机物种类决定。
所述改善剂为甲醇、乙醇或甲醇-水体系，其中甲醇-水体系中甲醇溶液的体积分数为5%。
所加入的改善剂的体积与搅拌萃取釜的体积比为1：10。
所述超临界CO2萃取过程中搅拌萃取釜温度设定为40~200 ℃，搅拌萃取釜压力设定为10~60 MPa。
所述超临界CO2萃取时间为1~60 min。
所述超临界CO2萃取时间为20~40 min。
本发明的有益效果为：
本发明方法具有萃取时间短、溶剂用量少、操作方便、萃取效率高、无环境污染，且可通过改变萃取条件实现高选择性萃取等特点。本发明方法相对于索氏提取法、超声波提取法、加速溶剂萃取方法等传统萃取技术有提取时间短、无需预浓缩和纯化、不会产生二次污染等优点。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图中标号：1- CO2储气罐；2-加压泵；3-进气阀门；4-压力监测装置；5-土壤预处理装置；6-搅拌萃取釜；7-土壤出口；8-温度控制装置；9-减压阀；10-气液分离器；11-有机污染物储存罐；12-有机污染物过滤装置；13-CO2出口。
具体实施方式
本发明提供了一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置及修复方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置，其CO2储气罐1通过加压泵2及进气阀门3与搅拌萃取釜6的进气口相连，搅拌萃取釜6的出气口通过减压阀9与气液分离器10的气液入口相连；所述搅拌萃取釜6的顶部土壤入口与土壤预处理装置5相连，搅拌萃取釜6的底部设置土壤出口7，搅拌萃取釜6的釜体还分别与压力监测装置4和温度控制装置8相连；所述气液分离器10的底部液体出口与有机污染物储存罐11相连，二者之间设置控制阀门，气液分离器10的气体出口与有机污染物过滤装置12的气体入口相连，二者之间设置控制阀门；所述有机污染物过滤装置12上设置CO2出口13。
一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其具体方案如下：
在搅拌萃取釜内，放入经过破碎的被有机物污染的土壤，并且加入改善剂，搅拌萃取釜内的搅拌设备使被污染土壤与改善剂和二氧化碳流体充分接触；利用加热设备为搅拌萃取釜加温；当搅拌萃取釜内温度达到预定范围后，向搅拌萃取釜内通入CO2气体，并且利用加压设备进行加压，使搅拌萃取釜内温度达到预定压力，关闭进气阀，使CO2在预定的温度和压力条件下达到超临界状态，对土壤中的有机污染物进行萃取；达到预定萃取时间后，开始放气收集过程，对收集的气体通过减压的方式达到CO2与萃取出的有机污染物进行分离的目的；分离后的CO2气体需要通过有机污染物过滤装置，过滤残留在CO2气体中的有机污染物。
通过加压泵对CO2气体进行加压，并且通过压力调节装置对压力进行调节控制。
所加入的经过破碎的被有机物污染的土壤的体积与搅拌萃取釜的体积比为（1~3）：10；需要处理的土壤需要经过破碎，使土壤不成块板结；在搅拌萃取釜内对需要处理的土壤进行充分搅拌，使土壤与改善剂和超临界CO2充分接触，提高萃取效率；
所述改善剂为水、甲醇、乙醇、正己烷、异戊烷和甲苯中的一种或多种，用以提供有机物在超临界CO2中的溶解能力；具体使用过程中改善剂的浓度和添加量根据需要萃取的有机物种类决定。
所述改善剂为甲醇、乙醇或甲醇-水体系，其中甲醇-水体系中甲醇溶液的体积分数为5%。所加入的改善剂的体积与搅拌萃取釜的体积比为1：10。具体使用过程中改善剂的浓度和添加量可以根据需要萃取的有机物种类决定。如在试验中，温度从50 ℃增加到80 ℃，压力从23MPa增加到60 MPa，用甲醇作为改善剂去除PAHs的效率最高。
所述超临界CO2萃取过程中搅拌萃取釜温度设定为40~200 ℃，搅拌萃取釜压力设定为10~60 MPa。具体的温度和压力值根据需要萃取的有机物种类确定。例如，在温度为200 ℃，压力为60 MPa条件下，PCBs和PAHs的萃取效率比温度为50 ℃，压力为35 MPa条件下高的多。但是在萃取PAHs过程中，当压力超过45 MPa时，再升高压力会导致PAHs的萃取效率会下降。
所述超临界CO2萃取时间为1~60 min。
所述超临界CO2萃取时间为20~40 min。
实施例1
一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其具体步骤如下：
（1）将被有机污染物污染的土壤从污染地块中取出，经过土壤破碎预处理，至土壤不成块没有板结后放入搅拌萃取釜内，所加入土壤的体积与搅拌萃取釜的体积比为（1~3）：10；
（2）向搅拌萃取釜内加入甲醇-水体系，其中甲醇溶液的体积浓度（v/v）为5%，作为改善剂，所加入改善剂的体积与搅拌萃取釜的体积比为1：10；
（3）安装好搅拌萃取釜所有的釜盖，萃取釜中所有的釜盖都带有密封垫圈。将装填好的搅拌萃取釜进行加热，并且搅拌萃取釜内的搅拌装置开始运行搅拌，此时系统中所有气阀都应在关闭状态，拧紧搅拌萃取釜两端接头，关好加热箱；
（4）设定加热温度，待萃取釜温度达到设定值时，打开进气阀门调节压力，当搅拌萃取釜压力达到设定条件后，进行静态萃取，其中萃取釜温度为 40~200 ℃，压力为 10~45 MPa，静态萃取的时间为20~40分钟；
（5）萃取完成后，打开减压阀，二氧化碳流体在管道内流动温度降低，通过减压阀后压力降低，二氧化碳气化，在气液分离器中二氧化碳与有机污染物分离，有机污染物被收集在有机污染物储存罐中，二氧化碳集体通过有机物过滤装置分离收集。

Claims (10)

1.一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置，其特征在于：CO2储气罐（1）通过加压泵（2）及进气阀门（3）与搅拌萃取釜（6）的进气口相连，搅拌萃取釜（6）的出气口通过减压阀（9）与气液分离器（10）的气液入口相连；所述搅拌萃取釜（6）的顶部土壤入口与土壤预处理装置（5）相连，搅拌萃取釜（6）的底部设置土壤出口（7），搅拌萃取釜（6）的釜体还分别与压力监测装置（4）和温度控制装置（8）相连；所述气液分离器（10）的底部液体出口与有机污染物储存罐（11）相连，二者之间设置控制阀门，气液分离器（10）的气体出口与有机污染物过滤装置（12）的气体入口相连，二者之间设置控制阀门；所述有机污染物过滤装置（12）上设置CO2出口（13）。
2.一种如权利要求1所述的超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其特征在于，具体方案如下：
在搅拌萃取釜内，放入经过破碎的被有机物污染的土壤，并且加入改善剂，搅拌萃取釜内的搅拌设备使被污染土壤与改善剂和二氧化碳流体充分接触；利用加热设备为搅拌萃取釜加温；当搅拌萃取釜内温度达到预定范围后，向搅拌萃取釜内通入CO2气体，并且利用加压设备进行加压，使搅拌萃取釜内温度达到预定压力，关闭进气阀，使CO2在预定的温度和压力条件下达到超临界状态，对土壤中的有机污染物进行萃取；达到预定萃取时间后，开始放气收集过程，对收集的气体通过减压的方式达到CO2与萃取出的有机污染物进行分离的目的；分离后的CO2气体需要通过有机污染物过滤装置，过滤残留在CO2气体中的有机污染物。
3.根据权利要求2所述的一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其特征在于：通过加压泵对CO2气体进行加压，并且通过压力调节 装置对压力进行调节控制。
4.根据权利要求2所述的一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其特征在于：所加入的经过破碎的被有机物污染的土壤的体积与搅拌萃取釜的体积比为（1~3）：10；需要处理的土壤需要经过破碎，使土壤不成块板结；在搅拌萃取釜内对需要处理的土壤进行充分搅拌，使土壤与改善剂和超临界CO2充分接触，提高萃取效率。
5.根据权利要求2所述的一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其特征在于：所述改善剂为水、甲醇、乙醇、正己烷、异戊烷和甲苯中的一种或多种，用以提供有机物在超临界CO2中的溶解能力；具体使用过程中改善剂的浓度和添加量根据需要萃取的有机物种类决定。
6.根据权利要求5所述的一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其特征在于：所述改善剂为甲醇、乙醇或甲醇-水体系，其中甲醇-水体系中甲醇溶液的体积分数为5%。
7.根据权利要求5所述的一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其特征在于：所加入的改善剂的体积与搅拌萃取釜的体积比为1：10。
8.根据权利要求2所述的一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其特征在于：所述超临界CO2萃取过程中搅拌萃取釜温度设定为40~200 ℃，搅拌萃取釜压力设定为10~60 MPa。
9.根据权利要求2所述的一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其特征在于：所述超临界CO2萃取时间为1~60 min。
10.根据权利要求9所述的一种超临界CO2流体修复有机污染土壤的装置的修复方法，其特征在于：所述超临界CO2萃取时间为20~40 min。 
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