CN103796768B

CN103796768B - 电修复

Info

Publication number: CN103796768B
Application number: CN201180073504.0A
Authority: CN
Inventors: 菅野茂夫; 楠浦崇央
Original assignee: Empire Technology Development LLC
Current assignee: Empire Technology Development LLC
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: WO2013055333A1; JP2014531978A; CN103796768A; JP5914670B2; US8992122B2; US20130094907A1

Abstract

本文所提供的实施方式涉及电修复。在一些实施方式中，提供一种收集金属的设备，其包括螺旋形电极。可以对所述设备施加电流，引起金属及其离子固定于电极上。

Description

电修复

技术领域

本发明主要涉及土壤净化。

背景技术

土壤污染系因自然土壤环境中存在非自然产生的物质而造成。污染可因任何数量的状况造成，例如，地下储油罐的泄露、杀虫剂的使用、受污染地表水渗透至表面下地层、油和燃料排放、垃圾填埋场的水浸出或者工业废物直接排放至土壤。被发现污染土壤的最常见物质包括石油烃、溶剂、杀虫剂、铅和其他重金属。土壤污染通过与受污染土壤和污染物蒸气接触和土壤中供水系统的污染而带来健康风险。土壤污染也会对生态系统和农业用地具有有害作用。至少基于这些原因，土壤净化很有必要。

发明内容

在一些实施方式中，提供一种收集金属的设备。该设备可以至少包括第一螺旋形电极。该设备也可以包括第二电极。第一电极可以充当正极同时第二电极可以充当负极，或者第一电极可以充当负极同时第二电极可以充当正极。

在一些实施方式中，提供一种净化土壤的方法。该方法包括将设备插入土壤。该设备包括第一螺旋形电极和第二电极，其中所述第二电极与第一电极电隔离。该方法还包括对该设备施加电流。

以上发明内容只是示例性的，绝不意在进行限制。除上述说明性方面、实施方式和特征之外，其他方面、实施方式和特征通过参照附图和以下详细描述也将显而易见。

附图说明

图1是描绘收集金属的设备的一些实施方式的图。

图2是描绘净化材料的方法的一些实施方式的流程图。

图3是描绘净化土壤的方法的一些实施方式的流程图。

图4是描绘具有第一螺旋电极和第二螺旋电极的设备的一些实施方式的图。

图5是描绘具有第一螺旋电极和第二电极的设备的一些实施方式的图。

具体实施方式

在以下具体实施方式中参考了构成其一部分的附图。附图中，除非另有上下文指出，否则相似的附图标记通常指示的是相似的组成部分。具体实施方式、附图和权利要求中所描述的说明性实施方式并不意在起限制作用。可以采用其他实施方式，并可进行其他改变，而不脱离本文所提出的主题的主旨或范围。容易理解的是，可以以各种各样的不同配置对如本文所一般性描述的及如附图所说明的本公开内容的方面进行安排、取代、组合、分离和设计，所有这些在此都得到明确预期。

在一些实施方式中，提供一种收集金属的设备。该设备可以包括第一螺旋形电极。在一些实施方式中，该设备还包括第二电极，所述第二电极与第一电极电隔离，以使第一电极可以充当正极的同时第二电极可以充当负极，或者以使第一电极可以充当负极的同时第二电极可以充当正极。在一些实施方式中，第二电极也可以是螺旋形。在一些实施方式中，第一和第二电极可以结合，以使其共同形成双(或更高阶)螺旋。在一些实施方式中，设备的一个端部被构造为插入拟通过电修复(electro-remediation)处理的材料中。在一些实施方式中，可以对该设备施加电流。在一些实施方式中，电流可使材料中的金属(其离子，或任何充分带电的颗粒)被吸引至第一螺旋形电极和/或第二电极。在一些实施方式中，螺旋可以在沿螺旋长度向下延伸时沿顺时针方向盘绕。在一些实施方式中，螺旋可以在沿螺旋长度向下延伸时沿逆时针方向盘绕。

图1描绘的是从材料中收集金属的设备100的实施方式。在一些实施方式中，该设备用于电修复法。在一些实施方式中，该设备包括第一螺旋形电极102和第二电极104。在一些实施方式中，第二电极104与第一电极102电隔离，以使第一电极102可以充当正极同时第二电极104可以充当负极，或者以使第一电极102可以充当负极而同时第二电极104可以充当正极。虽然第二电极104在图1中被绘成第二螺旋电极，但其不需要在所有实施方式中都如此。例如，在一些实施方式中，第二电极与第一电极机械隔离(由此从图1中除去第二电极)。在一些实施方式中，第二电极可以位于第一螺旋电极102的中央。

在一些实施方式中，设备100包括超过一个第一电极102和第二电极104。例如设备100可以包括第三和第四电极。考虑到电极的平衡，在一些实施方式中，设备100包括偶数个电极是有利的。

如图1所示，在一些实施方式中，第二电极104可以至少部分地是螺旋形的。螺旋形第一电极102和/或第二电极104可以有利地提高电极的强度，并使电极能容易且深深地插入拟处理的土壤或其他材料中。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104具有基本相似的形状，包括基本相似的半径、螺旋间距和长度。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104不具有相似的形状，并可包括不同的半径、螺旋间距和长度。在一些实施方式中，第一电极102的半径、螺旋间距和长度中的至少一个与第二电极104的相应属性基本相似。在一些实施方式中，第二电极104也可以是其他形状。例如，在一些实施方式中，第二电极104可以是棒形或板形。

在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104中至少之一的半径为约0.01米～5米，例如0.01米、0.1米、0.2米、0.3米、0.4米、0.5米、0.6米、0.7米、0.8米、0.9米、1米、2米、3米、4米、5米或更长，包括高于或低于前述值中任一值的任意范围和前述值中任意两值之间限定的任意范围。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104中至少之一的半径沿电极长度方向保持恒定。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104中至少之一的半径沿电极长度方向变化。在一些实施方式中，第一电极102和/或第二电极104中至少之一的长度为约0.1米～500米，例如0.1米、0.2米、0.3米、0.4米、0.5米、0.6米、0.7米、0.8米、0.9米、1米、2米、3米、4米、5米、10米、20米、30米、50米、100米、200米、300米、400米或500米，包括高于或低于前述值中任一值的任意范围和前述值中任意两值之间限定的任意范围。在一些实施方式中，当希望进行较深度的金属去除时，可以将该设备连接于延伸杆，以便能够到达较深的深度。虽然延伸杆不需要导电或者充当电极，但在一些实施方式中，它可以导电，以简化向第一电极的电传输。在一些实施方式中，增加第一电极102和第二电极104的半径和/或长度可以有利地对大面积土壤或其他材料进行净化。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104中至少之一的螺旋间距为约0.01米～5米，例如0.01米、0.05米、0.1米、0.2米、0.3米、0.4米、0.5米、0.6米、0.7米、0.8米、0.9米、1米、2米、3米、4米或5米，包括高于或低于前述值中任一值的任意范围和前述值中任意两值之间限定的任意范围。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104中至少之一的引线(lead)或每转游程长度(travelinglength)为约0.02米～10米，例如0.02米、0.05米、0.1米、0.2米、0.3米、0.4米、0.5米、0.6米、0.7米、0.8米、0.9米、1米、2米、3米、4米、5米、6米、7米、8米、9米或10米，包括高于或低于前述值中任一值的任意范围和前述值中任意两值之间限定的任意范围。在一些实施方式中，大引线可以有利地使得可迅速插入拟处理的土壤或其他材料中并从其去除。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104中至少之一的螺旋间距沿电极长度方向保持基本恒定。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104中至少之一的螺旋间距沿电极长度方向变化。在一些实施方式中，第一和/或第二电极的整体是螺旋形的。在一些实施方式中，第一和/或第二电极并非全部是螺旋的，例如第一和/或第二电极的99.99%、99.9%、99%、98%、97%、96%、95%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、5%、4%、3%、2%或1%可以是螺旋的。

在一些实施方式中，第一电极102的至少一部分缠绕第二电极104的一部分(例如，如图1所示)。在一些实施方式中，基本上整个第一电极102缠绕第二电极104的一部分。在一些实施方式中，第一电极102缠绕螺旋形第二电极104的至少一部分。也可以为其他构造。在一些实施方式中，第一电极可以紧密地缠绕第二电极的至少一部分，包括具有小的螺旋间距。在一些实施方式中，第一电极可以松散地缠绕第二电极，包括具有大螺旋间距。

在一些实施方式中，设备100包括第一电极102和第二电极104沿设备100的长度(例如，从图1中设备的顶部至底部)的交替部分。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104的交替部分由“围绕”第二电极缠绕或与第二电极104一起缠绕的第一电极102形成。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104的交替部分由相互缠绕的第一电极102和第二电极104形成。第一电极102和第二电极104的交替部分也可以为其他构造。例如，在一些实施方式中，第二电极可以包括棒，所述棒包含交替的绝缘体和电极材料的表面，并且第一电极102可以围绕第二电极104缠绕。

在一些实施方式中，螺旋形第一电极102和螺旋形第二电极104可以形成双螺旋形状。双螺旋一般包括两个通常全等的螺旋和基本同一的轴，不同之处在于沿轴的平移。在一些实施方式中，由第一电极102和第二电极104形成的双螺旋形状可以不必然包括两个全等的螺旋。例如，第一电极102和第二电极104可以包括不同的长度、半径或螺旋间距。此外，由第一电极和第二电极104形成的双螺旋形状可以不必然包括同一的轴。但是，双螺旋实施方式的大体形状类似于双螺旋的形状。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104形成左手双螺旋的形状。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104形成右手双螺旋的形状。在一些实施方式中，设备包括超过一个第一电极102和第二电极104，例如，设备100可以包括具有三重以上螺旋的多重螺旋形状(例如，3、4、5、6、7、8、9、10、50、100重或更多重螺旋)。

在一些实施方式中，第一电极102与电源110的正端子114电连通，并且第二电极与电源110的负端子116电连通。在一些实施方式中，第一电极与电源110的负端子116电连通，并且第二电极与电源110的正端子114电连通。在一些实施方式中，第一电极102充当正极，并且第二电极104充当负极。在一些实施方式中，第一电极102充当负极，并且第二电极104充当正极。

在一些实施方式中，设备的一个端部106被构造为可使设备插入拟处理的土壤或其他材料中。在一些实施方式中，设备100的端部106是锥形的，以便可插入土壤或其他材料中。在一些实施方式中，螺旋形第一电极102在设备100的端部116处的半径比远离端部116的半径小。在第二电极104包括螺旋形状的实施方式中，第二电极104在设备100的端部116的半径比远离端部116的半径小。在一些实施方式中，设备100的不包括第一电极102或第二电极104的部分是锥形的。例如，第一电极102和第二电极104可以缠绕独立的支持结构体112，支持结构体112可以延伸经过设备在端部116处的电极并包括锥形的形状。设备的端部116也可以采用其他形状。例如，设备100可以包括下述结构，所述结构在端部116的横截面积比设备100其余部分的横截面积小。例如，设备可以包括下述圆柱，所述圆柱在端部116的横截面积比设备其余部分的横截面积小。在一些实施方式中，设备100的端部116被车螺纹以帮助设备100的插入。在一些实施方式中，螺旋由小至大逐渐改变其直径。在一些实施方式中，这使得从侧面查看时其为圆锥体形。这种实施方式可以先以小端或先以大端插入土壤。

在一些实施方式中，设备100的端部116可以包括许多材料中的至少一种。在一些实施方式中，设备100的端部116包括铁、铸铁、碳钢或其他材料，其适合钻穿所需材料。如高速钢、钛、炭纤维增强聚合物(CFRP)、玻璃纤维增强聚合物(GFRP)和可导电承受力并可选为环境友好的任何材料等材料也是可以的。具有高拉伸强度和屈服强度的材料能够承受在设备100插入土壤或其他材料过程中施加于设备100的机械压力。

在一些实施方式中，设备100还包括配置用以为能够旋转螺旋形电极以将螺旋形电极插入土壤或其他材料中和从中取出的电动机。旋转螺旋形电极可以引起电极插入拟处理的材料中。沿与插入过程中所采用的方向相反的方向旋转螺旋形电极，可使电极从拟处理的材料或已处理的材料中取出。在一些实施方式中，电动机包括钻机，如履带式钻机。也可以考虑如气动钻机等其他钻机。可以考虑以下方面来选择用于插入设备100的电动机：土壤或材料污染、需要净化的土壤或材料的深度和面积，和土壤或材料性质。在一些实施方式中，将自推进钻探机用于插入。在一些实施方式中，可将具有阵列钻机的机器用于插入。在一些实施方式中，可以使用螺旋钻或地钻来挖掘土壤。在一些实施方式中，如果土壤非常软(如光滑的沙或泥)则也可以采用轴向振动来代替旋转力。在一些实施方式中，可以采用振动锤。在一些实施方式中，该装置可以因螺杆形状的机械结构而通过轴向力插入。轴向力包括设备和土壤的旋转移动。在一些实施方式中，可以采用沉桩(pilling)机或压机。

在一些实施方式中，设备100还包括装置110，装置110用于控制跨越第一电极102与第二电极104的电压。在一些实施方式中，装置110包括电压发生器。也可以是如电池或电源等其他装置。可以考虑以下方面来选择所施加的电压：第一电极102和第二电极104的形状、第一电极102和第二电极104的材料以及第一电极102与第二电极104之间的距离。在一些实施方式中，电场强度可以通过装置110来调节。在一些实施方式中，土壤或其他材料的处理速率可以与第一电极102与第二电极104之间的电场强度成正比地升高。在一些实施方式中，电场强度可以为至少约10V/m、至少约50V/m、至少约100V/m、至少约120V/m、至少约130V/m、至少约140V/m、至少约150V/m、至少约160V/m或至少约200V/m。也可以是其他电场强度。

在一些实施方式中，第一电极102包括带状物和/或线，并且第二电极104包括带状物和/或线。在一些实施方式中，第一电极102的至少一部分包括带状物，并且第二电极104的至少一部分包括带状物，如图1中所示。在一些实施方式中，第一电极102的至少一部分包括带状物，并且第二电极104的至少一部分包括线。在一些实施方式中，第一电极102的至少一部分包括线，并且第二电极104的至少一部分包括带状物。在一些实施方式中，第一电极102的至少一部分包括线，并且第二电极104的至少一部分包括线。也可以是其他构造。例如，第二电极104的至少一部分可以包括棒，并且第一电极102的至少一部分可以包括带状物，所述带状物缠绕棒包括第二电极104。

在第一电极102和第二电极104中至少之一包括带状物的实施方式中，带状物的宽度可以为约0.01米～5米。在第一电极102和第二电极104中至少之一包括带状物的实施方式中，带状物的厚度可以为约1mm～1,000mm。在第一电极102和第二电极104中至少之一包括线的实施方式中，线的直径可以为约1mm～1m，例如，1mm、5mm、10mm、20mm、40mm、50mm、100mm、200mm、400mm、500mm或1000mm，包括高于或低于前述值中任一值的任意范围和前述值中任意两值之间限定的任意范围。

在一些实施方式中，设备100还包括位于第一电极102的至少一部分与第二电极104之间的绝缘材料。在一些实施方式中，绝缘材料可以防止设备100短路。在一些实施方式中，设备100包括在节点处的绝缘材料，所述节点处在将第一电极102与第二电极104接合的装置的端部108处。在一些实施方式中，设备100包括位于螺旋形第一电极102与螺旋形第二电极104之间的绝缘棒112。绝缘材料也可以采用其他构造。例如，在一些实施方式中，设备100包括在接合处的绝缘材料，在所述接合处第一电极102和第二电极104接触设备100的其他组件。

绝缘材料可以包括许多种材料中的一种。在一些实施方式中，绝缘材料包括聚硅氧烷、聚硅氧烷树脂、聚硅氧烷橡胶、陶瓷或橡胶。也可以是其他绝缘材料。例如，在一些实施方式中，绝缘材料包括聚合物，如聚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、碳酸酯聚合物、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚砜、环氧树脂、碳纤维增强聚合物、氟化聚合物或其任意组合。

在一些实施方式中，设备100还包括支持结构体112，其中第一电极102连接于支持结构体112，并且其中第二电极104连接于该支持结构体。在一些实施方式中，支持结构体112包括棒，并且第一电极102和第二电极104缠绕该棒，如图1所示。在一些实施方式中，支持结构体包括在设备100的端部106、108之一或全部的接合处，第一电极102和第二电极104由该结合处延伸。支持结构体也可以采用其他构造。例如，支持结构体可以是棒，第二电极104接合于棒，并且第一电极102可以缠绕棒和第二电极104。

在一些实施方式中，第一电极102通过绝缘体连接于支持结构体112。在一些实施方式中，第二电极104通过绝缘体连接于支持结构体112。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104通过绝缘体连接于支持结构体112。例如，将第一电极102和第二电极104连接于棒或支持结构体112的接合处可以包括绝缘材料。关于另一实例，棒或支持体112自身可以包括绝缘材料。也可以是其他构造。例如，在一些实施方式中，在设备100的一个端部将第一电极102和第二电极接合的支持结构体112可以通过绝缘体连接于第一电极和第二电极之一。

如上所述，在一些实施方式中，支持结构体112包括棒形。在一些实施方式中，棒112的至少一部分是实心的。在一些实施方式中，基本上整个棒112是实心的。在一些实施方式中，棒112的至少一部分是空心的。在一些实施方式中，基本上整个棒112是空心的。在棒112是空心的的某些实施方式中，棒112包括被构造为可使溶液于其中通过的孔。在一些实施方式中，通过孔的溶液包括pH控制液，如酸或碱。也可以是如电解液等其他溶液。在一些实施方式中，孔可以被构造为仅向第一电极102或仅向第二电极104供给溶液。仅向第一电极102或仅向第二电极104供给溶液可以有利地将电极102、104和支持结构体112的pH调整为酸性，以促进从土壤或其他材料中除去金属。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104之一或全部是中空的，并且包括被构造为可使如以上所述的溶液等溶液于其中通过的孔。

在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104中至少之一包含碳、银、铂(例如，网状铂)或铁。在一些实施方式中，包括正极的电极包含碳(例如，碳纳米管、富勒烯、金刚石等)或银。在一些实施方式中，包括负极的电极包含铂。也可以是如金等其他材料；但是，使用如铜或铝等金属可能不理想，它们会洗脱并造成拟处理的材料的进一步污染。

在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104各自独立制造。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104之一或全部通过将材料注入所期望形状的模具中来制造。如铸造、碳钢铸造、铁铸造或板金属加工等其他制造方法也是可以的。铸造能够有利地低成本大量制造具有复杂形状的组件。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104之一或全部可以由如以上所述的电极材料(例如，铁)等电极材料一体地形成。在一些实施方式中，第一电极102和第二电极104之一或全部的内结构体可以由如铁、铸铁或碳钢等材料最初形成。也可以是如高速钢、钛和本文所指出的其他材料等其他材料。包括高拉伸强度和/或屈服强度的材料能够有利地承受设备100插入过程中所施加的机械压力。然后可以将电极材料设置在所述内结构体的表面上。例如，电极材料可以是接合于内结构体表面的独立结构。在一些实施方式中，电极材料作为糊剂涂敷于内结构体。有利的是，作为糊剂涂敷的电极材料可以在耗损之后再次涂敷，简化了设备100的维护。在设备100包括如棒112等支持结构体的实施方式中，第一电极102和第二电极104可以接合于支持结构体112(例如，利用扣件、螺栓、焊接件等)。如上所述，在紧固过程中，绝缘材料可以插入电极102、104之间，以减少设备100的短路。

图2是描绘净化材料的方法200的实施方式的流程图。方法200可以包括将包括第一螺旋形电极和第二电极(不必是螺旋形，但与第一电极电隔离)的设备插入如土壤等材料202中。该方法可以还包括对该设备204施加电流。在一些实施方式中，这将使带电颗粒基于所施加的电流由材料中的第一位置移向新位置，如方框205所示。在一些实施方式中，施加充足的电荷，以使带电颗粒被吸引和/或附着于带相反电荷的电极。

本领域技术人员将了解，对于本文所公开的此过程和其他过程以及方法，这些过程和方法所实现的功能可以以不同顺序来完成。此外，所概述的步骤和操作仅提供作为实例，并且一些步骤和操作可以是可选的、可合并为更少的步骤和操作或者可扩充为附加步骤和操作，而不偏离所公开的实施方式的主旨。

在一些实施方式中，插入设备100包括对设备100施加旋转力。旋转力可以起到将至少第一螺旋形电极旋入土壤或其他材料中的作用。旋转力可以起到将整个设备100旋入土壤或其他材料中的作用。在一些实施方式中，插入设备100包括对设备100施加向下的力。在一些实施方式中，插入设备100的步骤手动执行。在一些实施方式中，插入设备100的步骤利用如履带式钻机等钻机执行。也可以考虑如气动钻机等其他钻机。可以考虑以下方面来选择用于插入设备100的电动机：土壤或材料污染程度、需要净化的土壤或材料的深度和面积，和土壤或材料性质。在一些实施方式中，将自推进钻探机用于插入。在一些实施方式中，可以采用本文所提供的其他装置中的任一种(例如，振动锤等)。

在一些实施方式中，方法200还包括从土壤或其他材料中取出第一螺旋形电极。在一些实施方式中，从土壤或其他材料中取出第一螺旋形电极致使设备被从土壤或其他材料中取出。在一些实施方式中，从土壤或其他材料中取出第一螺旋形电极包括施加旋转力，所述旋转力与用于将第一螺旋形电极插入土壤或其他材料中的力相反。在一些实施方式中，取出包括对设备施加向上的力。在一些实施方式中，手动执行取出。在一些实施方式中，利用如以上关于插入所述的钻机等钻机来进行取出。在一些实施方式中，同样的钻机被用于将第一螺旋形电极插入土壤或其他材料中或从其中取出。在一些实施方式中，一个钻机被用于插入第一螺旋形电极，并且另一个钻机被用于从土壤或其他材料中取出第一螺旋形电极。

在一些实施方式中，施加电流包括使用第一电极作为负极，并且使用第二电极作为正极。在一些实施方式中，施加电流包括使用第一电极作为正极，并且使用第二电极作为负极。在一些实施方式中，对设备施加电流引起土壤或其他材料中的金属离子被吸引至第一螺旋形电极102和/或第二电极104。在一些实施方式中，一旦设备被插入拟处理的土壤或其他材料中，则土壤或其他材料会进入第一电极与第二电极之间的空间中。在施加电流之后，材料中的具有正电荷的金属离子会移向设备的负极并被吸附。在一些实施方式中，被吸附的金属离子可以通过接收来自第一电极或第二电极(例如，充当负极的电极)的电子而减少。在一些实施方式中，金属可以固定于第一电极或第二电极上，然后可以与电极一起取出。

当对包括固相(土壤或其他材料)和液相(土壤或其他材料中的水分)的系统施加电压时，在固体和液体的边缘会发生电荷分离，并且可以形成电双层。例如，当土壤或其他材料的ζ电位为负时，通过对水分施加直流(DC)电压，其可微弱地带正电，并且会出现电渗流。结果，土壤或其他材料中的金属离子会聚集在负极和/或正极。在土壤或其他材料中的水分几乎不移动的尺度下，重金属离子可以移动通过土壤或其他材料，此为称作电泳的现象。取决于材料、水分和电极之间的相对距离和电压强度，会发生电渗透和/或电泳。由于材料颗粒尺寸上会有所不同，因此推定电渗透和电泳实际上会同时发生。

在一些实施方式中，方法200还包括除去固定于电极表面上的金属。除去金属可以通过以下方式进行：通过在电解液中电解使离子再电离、用酸化学地除去离子，和/或通过机械研磨和/或喷丸物理地除去金属。也可以用如将金属与电极一起抛弃等其他除去方法。

在一些实施方式中，方法200还包括将土壤或其他材料预加工，以将其准备用于除去金属污染物。预加工可以包括喷水(例如，含电解质的水)、施加振动，和/或打碎土壤(例如，利用爆炸物)。预加工可以促进金属的除去。例如，在土壤或其他材料上喷水可以有利地促进离子的迁移。也可以是如喷pH控制液等其他预加工步骤。

如上所述，在一些实施方式中，方法200还包括对土壤或其他材料喷包含只扫一种电解质的溶液和/或pH控制液。在一些实施方式中，溶液被直接应用于土壤或其他材料，如在预加工过程中。在一些实施方式中，溶液通过以下方式应用：在将设备100插入土壤或其他材料中时使溶液流动通过设备100。在此实施方式中，设备100可以包括被构造为可使溶液于其中通过的孔。

图3描绘的是净化材料(例如，土壤)的方法300的另一实施方式。方法300将关于图1中所描绘的设备100来描述。作为可选的工序，拟处理的土壤可以如上所述如方框301所示被预加工。在一些实施方式中，可以利用旋转力将图1的设备(包括第一螺旋形电极102和与第一电极102电隔离的第二电极104)插入土壤，如方框302中所示。方法300可以包括然后对设备施加电流，以在第一与第二电极之间产生电势，如方框304中所示。在一些实施方式中，然后可以利用与第一旋转力方向相反的第二旋转力，从土壤中拔出设备(特别是，至少一个电极，或者两个以上电极)，如方框305中所示。在一些实施方式中，然后可以可选地从取出的电极上除去任何金属污染物，如方框306中所示。

在一些实施方式中，此处所述的方法中的任一种均可对于其中存在很少液体的土壤来执行。在一些实施方式中，可以对拟处理的材料或土壤添加另外的液体。在一些实施方式中，土壤靠近水体或液体。

图4描绘的是从材料中收集金属的设备400的实施方式的一部分。在一些实施方式中，该设备包括第一螺旋形电极402和第二电极404。在一些实施方式中，第二电极404与第一电极402电隔离，以使第一电极402可以充当正极，同时第二电极404可以充当负极，或者以使第一电极402可以充当负极，同时第二电极104可以充当正极。第二电极404也可以是螺旋形的，如图4中所示。

在一些实施方式中，布局可以不同。例如，图5描绘的是其中第二电极504可以为棒形的设备500的实施方式。第一电极502和第二电极504可以沿着设备在一个或多个点处机械接合，当然它们也可以保持物理分离。在一些实施方式中，两个电极仍将彼此电分离。在一些实施方式中，连接第一电极502和第二电极502的接合处可以包括绝缘材料。在一些实施方式中，第一电极502可以缠绕棒形第二电极504的至少一部分。在一些实施方式中，第二电极可以缠绕棒形第一电极的至少一部分。在一些实施方式中，当电极之一位于另一电极所创建的空间之内时，两个电极之间可以存在足以实现两个电极之间充分电分离的距离。在一些实施方式中，棒形电极位于螺旋形的另一电极的螺旋的外部。在一些实施方式中，当一个电极沿另一电极的螺旋的长度方向延伸时，该非螺旋形电极可以是直的、斜的、弯的或卷的。

目前，通过电处理从受污染土壤和地下水中除去金属的常规方法包括以下步骤：将平板电极原位插入土壤或将电极插入已转移至盒中的土壤中，然后使土壤附着于电极，并通过电渗透或电泳除去重金属。在一些实施方式中，此处所提供的方法或设备可允许在不原位使用平板电极或将土壤转移至盒中和/或离开原位的情况下进行修复。在一些实施方式中，电修复可以通过使用单一插入装置实现。即，在一些实施方式中，电极各自不必是单独结构，而是两个电极可以是同一结构的一部分，从而将单一结构插入材料中足以形成电势差。此处所提供的实施方式中有一些可以实现容易的深度土壤净化。例如，虽然一些土壤处理方法会处理覆盖200m2的面积并达到50cm的深度的土壤(如美国专利5,433,829号所提供)，但是，在不考虑钻探(例如，插入)能力的情况下，本设备可处理的深度和面积是不存在实际限制的。在一些实施方式中，可以在深度大于0.5m处处理土壤，并且/或者无需从其当前环境中取走土壤，例如，深度为0.5米、0.6米、0.7米、0.8米、0.9米、1米、2米、3米、4米、5米、6米、7米、8米、9米、10米、15米、20米、30米、40米、50米、60米、70米、80米、90米、100米、200米、300米、400米、500米、1000米或更深，包括高于前述值中任一值的任意范围和前述值中任意两值之间的任意范围。在一些实施方式中，当需要深度大于100m时，可以在插入装置之前先对材料钻孔。

在一些实施方式中，本文所提供的设备和/或方法可使电极容易且深深地插入土壤或其他材料中。在一些实施方式中，电极的单螺旋或双螺旋结构可以有助于插入，并可使电极深深地插入拟处理的材料中。在一些实施方式中，可以在保持电极之间的距离很小的同时深插入。以此方式，在大面积的材料中可以产生具有大电位梯度的电场，并且可以有效地进行材料的电净化。减小电极之间的距离也可以降低产生跨越电极的特定电压所需的驱动电压。在一些实施方式中，这可引起较低的能耗。在一些实施方式中，这可以降低处理成本，使处理更环境友好并使处理更加安全。此外，在一些实施方式中，本文所提供的方法和设备不依赖于拟处理的土壤或材料的性质。通过根据材料性质选择不同种类的具有不同硬度的电极，可以处理具有广泛特性的土壤。

实施例

实施例1

使用双螺旋设备净化沙

本实施例概述沙净化的方法。设备包括包含银的第一螺旋形电极和包含铂的第二螺旋形电极。第一和第二电极的形状是圆柱形的(如图4所示)，并且以双螺旋形态设置。第一和第二电极通过实心支持结构体在一端接合。支持结构体与电极之间的连接包括绝缘材料聚硅氧烷。设备约1m长，并具有约0.3m的半径。拟处理的沙通过对沙子施加振动而预加工。使用钻机对设备施加旋转力以将其插入拟处理的沙中。插入之后，将第一电极与电源的正端子电连通，并将第二电极与电源的负端子电连通。一旦设备已插入沙中，利用电源对设备施加电流。对设备施加170V/m的电场强度2小时。电流的施加使沙中带正电的金属离子固定于第二电极。然后利用履带式钻机从沙中取出设备和固定于其上的金属，由此净化沙。

实施例2

使用双螺旋设备的土壤净化

使用净化材料的设备来净化一定量的土壤。设备包括包含金的第一螺旋形电极和包含铂的第二螺旋形电极。第一和第二电极缠绕包含铸铁的棒形支持结构体(大致如图1所示)。第一和第二电极的内结构体也包含铸铁。第一和第二电极通过绝缘材料(碳纤维增强聚合物)接合于棒。棒包括被构造为可使溶液于其中通过的孔。设备约30m长并且直径为约1m。设备的端部是锥形以便于插入土壤中。使用履带式钻机对设备施加旋转力以将其插入拟处理的土壤中。一旦设备已插入土壤中，利用电源对设备施加电流。对设备施加150V/m的电场强度。电流的施加使土壤中的金属离子固定于带负电的电极。使电解液通过棒中的孔，以促进对金属的收集。然后利用履带式钻机从土壤中取出设备和固定于其上的金属，净化土壤。

本公开内容不限于本申请中所述的特定实施方式，所述特定实施方式意在说明各个方面。对于本领域技术人员显而易见的是，可以进行许多修改和变化而不脱离其主旨和范围。除本文所列举的内容之外，由以上描述，在本公开内容范围内的功能等同的方法和设备对于本领域技术人员而言是显而易见的。所述修改和变化将落在所附权利要求的范围内。本公开内容仅受所附权利要求的各项以及这些权利要求所赋予权利的等同物的全部范围的限制。可以理解的是，本公开内容不限于当然可以变化的特定方法、试剂、化合物、组合物或生物系统。还应理解，本文所使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，而不意在作出限制。

关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，在适合上下文和/或应用的情况下，本领域技术人员可以将复数转化为单数和/或将单数转化为复数。为清楚起见，本文中可能明确地阐述了各种单数/复数转换。

本领域技术人员将会理解，一般而言，本文中、特别是所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中所使用的术语通常意在作为“开放式”术语(例如，术语“包括(including)”应理解为“包括但不限于”，术语“具有”应理解为“至少具有”，术语“包括(includes)”应理解为“包括但不限于”，等等)。本领域技术人员将进一步理解，如果意图是特定数量的引入的权利要求叙述，则这样的意图将在权利要求中进行明确地陈述，在没有这样的叙述的情况下，则没有这样的意图。例如，为帮助理解，以下所附的权利要求可能包含对介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用，以介绍权利要求叙述。然而，这种短语的使用不应解释为暗指：由不定冠词“一(a或an)”介绍的权利要求叙述会使包含这种所介绍的权利要求叙述的任何特定权利要求限于包含仅一个这种叙述的实施方式，即使当同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和如“一(a或an)”等不定冠词时亦如此(例如“一(a和/或an)”应解释为“至少一个”或“一个或多个”的意思)；这同样适用于对介绍权利要求叙述的不定冠词的使用。另外，即使在所介绍的权利要求叙述中明确地陈述了确定的数量，本领域技术人员也将认识到这种叙述应解释为至少为所陈述的数量的意思(例如，没有其他修饰语的“两个叙述”这种单纯的叙述是至少两个叙述或者两个以上叙述的意思)。此外，在其中采用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯用说法的那些情形中，通常这类修辞意指本领域技术人员会理解该惯用说法(例如，具有“A、B和C中至少一个的系统”会包括但不限于只具有A的系统、只具有B的系统、只具有C的系统、同时具有A和B的系统、同时具有A和C的系统、同时具有B和C的系统和/或同时具有A、B和C的系统等)。在其中采用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯用说法的那些情形中，通常这类修辞意指本领域技术人员会理解该惯用说法(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”包括但不限于只具有A的系统、只具有B的系统、只具有C的系统、同时具有A和B的系统、同时具有A和C的系统、同时具有B和C的系统和/或同时具有A、B和C的系统等)。本领域技术人员还应理解，实际上，带出两个以上可选择的术语的任何转折连词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，都应被理解为设想了包括这些术语之一、这些术语中的任一个或者全部这些术语的可能。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或者“A和B”的可能。

另外，当公开内容的特征或方面以马库什群组描述时，本领域技术人员将认识到，公开内容由此也以马库什群组的任何单独成员或成员子组来描述。

如本领域技术人员所将理解的，对于任何和所有目的，如就提供书面说明书等而言，本文件所公开的所有范围都包括任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何所列范围均可以容易地被认作充分描述了并可使同一范围分解为至少两等分、三等分、四等分、五等分、十等分等。作为非限制性实例，本文件所讨论的各范围可以容易地分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一，等等。如本领域技术人员也将理解的，如“至多”、“至少”等所有语言包括所陈述的数字并指之后可分解为如上所述的子范围的范围。最后，如本领域技术人员将理解的，范围包括各单独的组成部分。因此，例如，具有1～3个单元的组是指具有1、2或3个单元的组。类似地，具有1～5个单元的组是指具有1、2、3、4或5个单元的组，等等。

由上可知，本发明内容的各种实施方式已出于说明的目的而在本文中描述，可以进行各种修改而不脱离本发明内容的范围和主旨。因此，本文所公开的各种实施方式并不意在起限制作用，真实范围和主旨如以下权利要求所指出。

Claims

1.一种收集金属的设备，所述设备包括：

第一螺旋形电极；和

第二电极，其中所述第二电极与所述第一电极电隔离，以使所述第一电极能充当正极同时所述第二电极能充当负极，或者使所述第一电极能充当负极同时所述第二电极能充当正极，

其中所述设备的端部被构造为允许将所述设备插入土壤中。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述第二电极是螺旋形的。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述第一电极的至少一部分缠绕所述第二电极的一部分。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述设备包括所述第一电极和所述第二电极沿所述设备长度方向的交替部分。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述第一螺旋形电极和所述第二螺旋形电极形成双螺旋。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述双螺旋为左手双螺旋。

7.如权利要求5所述的设备，其中所述双螺旋为右手双螺旋。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述第一电极与电源的正端子电连通，并且所述第二电极与电源的负端子电连通。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述端部具有锥形形状。

10.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括电动机，所述电动机被构造为能够旋转所述第一螺旋形电极，以将所述第一螺旋形电极插入土壤中和从土壤中取出。

11.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括控制所述第一电极和所述第二电极上的电压的装置。

12.如权利要求1所述的设备，其中所述第一电极包括带状物和/或线，并且所述第二电极包括带状物和/或线。

13.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括安置于所述第一电极的至少一部分与所述第二电极之间的绝缘材料。

14.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括支持结构体，其中所述第一电极连接于所述支持结构体，并且其中所述第二电极连接于所述支持结构体。

15.如权利要求14所述的设备，其中所述第一电极通过绝缘体连接于所述支持结构体。

16.如权利要求15所述的设备，其中所述第二电极通过绝缘体连接于所述支持结构体。

17.如权利要求15所述的设备，其中所述绝缘体包括陶瓷和聚合物中的至少一种。

18.如权利要求14所述的设备，其中所述支持结构体包括绝缘体。

19.如权利要求14所述的设备，其中所述支持结构体具有棒形。

20.如权利要求19所述的设备，其中所述棒是中空的。

21.如权利要求20所述的设备，其中所述棒包括孔，所述孔被构造为允许溶液从所述孔中通过。

22.如权利要求20或21所述的设备，其中所述棒容有电解液和/或pH控制液。

23.一种净化土壤的方法，所述方法包括：

将设备插入土壤中，所述设备包括：

第一螺旋形电极；和

第二电极，其中所述第二电极与所述第一电极电隔离；和

对所述设备施加电流，

其中所述对所述设备施加电流的步骤引起所述土壤中的金属离子被吸引至所述第一螺旋形电极和/或所述第二电极。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述插入包括对所述设备施加旋转力。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述旋转力起到将至少所述第一螺旋形电极旋入所述土壤的作用。

26.如权利要求23所述的方法，所述方法还包括从所述土壤中取出所述第一螺旋形电极。

27.如权利要求23所述的方法，其中所述插入步骤利用钻机来进行。

28.如权利要求23所述的方法，所述方法还包括预加工所述土壤以将其准备用于除去金属污染物。

29.如权利要求23所述的方法，所述方法还包括：对所述土壤施加包含至少电解质的溶液，对所述土壤施加pH控制液，或者对所述土壤施加所述包含至少电解质的溶液和所述pH控制液。

30.如权利要求29所述的方法，其中对所述土壤施加所述包含至少所述电解质的溶液的步骤通过在将所述设备插入所述土壤中时使所述包含至少所述电解质的溶液流动通过所述设备来实现。

31.如权利要求23所述的方法，其中所述施加电流包括使用所述第一电极作为负极，并且使用所述第二电极作为正极。