CN103316909A - 用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境治理技术领域，特别涉及一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置及方法。该装置由直流电源、阳极室、气体收集装置、土壤室、阳极电极和阴极电极组成。本发明装置在电动压力下，电极附近土壤溶液发生电化学元素反应，改变土壤中的氧化还原电位、pH值等理化性质，通过羟丙基-β-环糊精可以使低渗透性的土壤保持一个较高的电导率，加快土壤固体上重金属或者有机物的解吸。

Description

用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置及方法

技术领域

本发明属于环境治理技术领域，特别涉及一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置及方法。

背景技术

我国的地下水和土壤污染相当严重，主要污染物是重金属离子和有毒有害有机物。据调查，超过50％的城市地下水受到不同程度的污染。城镇主要污染源来自工业生产和居民消费，农村地区的土壤和地下水污染主要是由粗放式农业耕作和乡镇工业造成的。尽管目前我国环境工作的重点仍然是废水、大气和固体废弃物的处理和处置，然而随着这些问题逐渐得到解决，受污染土壤和地下水的修复将会得到重视。

发达国家已经投入大量资金对受污染环境进行修复。相关的修复技术在国外也得到了迅速开发。修复技术基本上分为两类：物理化学类型和生物学类型。物理化学修复技术包括隔离、泵抽取和地上处理、土壤清洗、萃取、固化和稳定化等；生物修复技术包括地上生物处理和地下现场生物修复等。

物理化学类型的修复技术一般是将受污染的土壤或地下水移走，再进行适当的处理和处置。这类技术能够彻底清除土壤和地下水中的污染，其缺点是严重影响土壤的结构和地下水所处的生态环境，而且成本非常高。相比较而言，现场生物修复技术不会破坏生态环境，但是修复过程非常缓慢、效率低，不能满足快速修复的需要；尤其是在比较密实的土壤中，修复所需要的活性微生物、辅助药剂等很难输送至受污染的区域。

目前，既能修复受污染的土壤和地下水而又不会破坏生态环境成为修复技术发展的方向。电动力学可能就是这样一种修复技术。实际上，电动力学很早已经在土木工程领域得到使用，主要是水坝和土壤的脱水和夯实。近几年，电动力学技术主要用于受污染地下水和土壤的修复。这种技术非常适合多向异性、密实的土壤，而且成本低。

电动力学修复技术的基本原理是将电极插入受污染的地下水及土壤区域。在施加直流电后，形成直流电场。由于土壤颗粒表面具有双电层、孔隙水中离子或颗粒带有电荷。引起土壤孔隙水及水中的离子和颗粒物质沿电场方向进行定向运动，统称为动电效应或者电动力学现象。土壤孔隙表面带负电荷，并与孔隙水中的离子形成双电层。扩散双电层引起孔隙水沿电场从阴极向阳极方向流动，称为电渗析。孔隙水流动速度与双电层厚度（土壤孔隙表面的zeta电位）或者说与水流所携带的动电电流成正比，而与水流中电解质的浓度关系不。土壤颗粒表面的双电层厚度一般约为10m左右。不同类型的土壤带有的电荷及形成的双电层厚度是不同的：沙土<细沙土<高蛉土<蒙脱土。

电动力学第二种机理是带电离子的迁移运动，简称电迁移。在直流电场中，正粒子向阳极迁移，负离子向阴极迁移。离子在单位电场梯度（也就是l V/m）中的迁移速度称为离子淌度。淌度与离子的浓度有关。在无限稀的溶液中，淌度在l×10^-8至10×10^-8m²／（V·s）之间。在土壤中，由于孔隙的作用，迁移的路径长而血折，实际淌度大约在3×10^-9至l×10^-8m²／（V·s）之同。

电动力学第三种机理是土壤中带电胶体粒子的迁移运动，称为电泳。土壤中胶体粒子包括细小土壤颗粒、腐殖质和微生物细胞等。运动的方向和大小取决于电场和毛细孔隙的直径等因素。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置及方法。

一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置，该装置土壤室内部靠近两侧分别设置阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极与土壤室内壁密封连接；所述阳极电极和阴极电极将土壤室分割成阳极电极外侧的阳极进液区、阳极电极和阴极电极之间的修复区和阴极电极外侧的气体收集区；阳极室通过管路和泵与土壤室的阳极进液区相连，气体收集装置通过管路与土壤室的气体收集区相连，所述气体收集区设置排液口；所述阳极电极和阴极电极分别与直流电源相连；

在土壤室的修复区中，在阳极电极上设置第一沙层，在沙子层上设置铁屑层，在铁屑层上设置第二沙层，在第二沙子层上设置阳极滤纸；在土壤室的修复区中，在阴极电极上设置第三沙层，在第三沙层上设置阴极滤纸。

所述第一沙层、第二沙层和第三沙层所用的沙子的粒径不大于1mm。

所述阳极电极和阴极电极均为石墨电极。

一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置的修复方法，具体方案如下：

阳极室采用浓度为0.01mol/L的NaOH溶液为缓冲液，质量分数为10%的羟丙基-β-环糊精HPCD为阳极电解液；施加电场电压梯度为2VDC/cm，运行周期为工作5天，停运2天，以此循环；修复过程中靠近电极阳极处土壤pH值应维持在7～8之间，通过阳极缓冲液实现；不同时间段采样，采样点分别在靠近电极阳极处、靠近电极阴极处以及二者中间位置处；每隔20h更换阳极室电解液，并清洗电极。

本发明的有益效果为：

本发明装置在电动压力下，电极附近土壤溶液发生电化学元素反应，改变土壤中的氧化还原电位、pH值等理化性质，通过HPCD可以使低渗透性的土壤保持一个较高的电导率，加快土壤固体上重金属或者有机物的解吸。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明实施例1土壤室部分结构示意图；

图中标号：1-直流电源；2-阳极室；3-气体收集装置；4-土壤室；5-阳极电极；6-阴极电极；7-第一沙层；8-铁屑层；9-阳极滤纸；10-第二沙层；11-第三沙层；12-阴极滤纸。

具体实施方式

本发明提供了一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置，该装置土壤室4内部靠近两侧分别设置阳极电极5和阴极电极6，所述阳极电极5和阴极电极6与土壤室4内壁密封连接；所述阳极电极5和阴极电极6将土壤室4分割成阳极电极5外侧的阳极进液区、阳极电极5和阴极电极6之间的修复区和阴极电极6外侧的气体收集区；阳极室2通过管路和泵与土壤室4的阳极进液区相连，气体收集装置3通过管路与土壤室4的气体收集区相连，所述气体收集区设置排液口；所述阳极电极5和阴极电极6分别与直流电源1相连；

在土壤室4的修复区中，在阳极电极5上设置第一沙层7，在沙子层7上设置铁屑层8，在铁屑层8上设置第二沙层10，在第二沙子层10上设置阳极滤纸9；在土壤室4的修复区中，在阴极电极6上设置第三沙层11，在第三沙层11上设置阴极滤纸12。

所述第一沙层7、第二沙层10和第三沙层11所用的沙子的粒径不大于1mm。

所述阳极电极5和阴极电极6均为石墨电极。

一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置的修复方法，具体方案如下：

阳极室采用浓度为0.01mol/L的NaOH溶液为缓冲液，质量分数为10%的羟丙基-β-环糊精HPCD为阳极电解液；施加电场电压梯度为2VDC/cm，运行周期为工作5天，停运2天，以此循环；修复过程中靠近电极阳极处土壤pH值应维持在7～8之间，通过阳极缓冲液实现；不同时间段采样，采样点分别在靠近电极阳极处、靠近电极阴极处以及二者中间位置处；每隔20h更换阳极室电解液，并清洗电极。

实施例1

实验土壤才自某多环芳烃PAH污染物场地，土样经过风干后，过孔径为2mm的筛。

采用如图1所示的装置进行修复，土壤室4的长、宽、高分别为25cm、8.2cm和6cm。阳极电极5和阴极电极6均采用相同的石墨电极，所用的石墨电极长、宽、高分别为25cm、8cm和1.5cm，阳极室2内加入质量分数为10%的HPCD的电解液，在压实土壤和阳极电极5间依次加约1.5cm厚的第二沙层10(过孔径为1mm的筛)和1.5cm厚的铁屑层8，为避免修复结束时铁屑层8与阳极电极5难以分开，在二者间亦加入1cm厚的第一沙层7，用阳极滤纸9将土壤与电解液隔开，电压梯度为2V/cm，处理5天后，关闭电源2天，依次循环直至修复结束。阳极电极5附近土壤初始pH为3.59左右，阴极电极6附近土壤初始pH为6.86左右，阳极电极5附近初始电导率为1950μS/cm，阴极电极6附近初始电导率为1490μS/cm，随着通电时间增加阴阳极的电导率都有明显的增加。随着电导率的增加，污染物的电迁移保持在一个较高的速度，PAH的土壤去除率可达到82%左右。

Claims (4)

1.一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置，其特征在于：该装置土壤室（4）内部靠近两侧分别设置阳极电极（5）和阴极电极（6），所述阳极电极（5）和阴极电极（6）与土壤室（4）内壁密封连接；所述阳极电极（5）和阴极电极（6）将土壤室（4）分割成阳极电极（5）外侧的阳极进液区、阳极电极（5）和阴极电极（6）之间的修复区和阴极电极（6）外侧的气体收集区；阳极室（2）通过管路和泵与土壤室（4）的阳极进液区相连，气体收集装置（3）通过管路与土壤室（4）的气体收集区相连，所述气体收集区设置排液口；所述阳极电极（5）和阴极电极（6）分别与直流电源（1）相连；

在土壤室（4）的修复区中，在阳极电极（5）上设置第一沙层（7），在沙子层（7）上设置铁屑层（8），在铁屑层（8）上设置第二沙层（10），在第二沙子层（10）上设置阳极滤纸（9）；在土壤室（4）的修复区中，在阴极电极（6）上设置第三沙层（11），在第三沙层（11）上设置阴极滤纸（12）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一沙层（7）、第二沙层（10）和第三沙层（11）所用的沙子的粒径不大于1mm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述阳极电极（5）和阴极电极（6）均为石墨电极。

4.如权利要求1～3任意一条权利要求所述的一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置的修复方法，其特征在于，具体方案如下：

阳极室采用浓度为0.01mol/L的NaOH溶液为缓冲液，质量分数为10%的羟丙基-β-环糊精HPCD为阳极电解液；施加电场电压梯度为2VDC/cm，运行周期为工作5天，停运2天，以此循环；修复过程中靠近电极阳极处土壤pH值应维持在7～8之间，通过阳极缓冲液实现；不同时间段采样，采样点分别在靠近电极阳极处、靠近电极阴极处以及二者中间位置处；每隔20h更换阳极室电解液，并清洗电极。

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