CN103962372A - 一种阴极逼近法修复铯污染土壤的装置及其修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了铯污染环境修复技术领域的一种阴极逼近法修复铯污染土壤的装置及其修复方法。该装置包括土样室、电极室、电极、电源和管道；其中，土样室为两个同心同高不同半径的空心圆柱体内外放置形成的内外两个室，在外圆柱体的内侧靠近室壁均匀设置多个一级阳极室，在内圆柱体的内侧靠近室壁均匀设置多个二级阳极室，在圆柱体的中心位置设置阴极室。本发明中该装置的处理方法是将阴极固定，随着电动修复的进行，变换阳极的使用，将污染物不断向阴极逼近，将土壤中的污染物铯集中富集在特定阴极区域，从而有效地将铯污染物迁移出受污染土壤中，以此减少受污染土壤的体积，随后采用吸附材料对铯污染物进行吸附并回收利用。
Description
技术领域
本发明属于铯污染环境修复技术领域，具体涉及一种阴极逼近法修复铯污染土壤的装置及其修复方法。
背景技术
随着核技术军用和民用的日益增多，放射性核素在工业、农业、能源、军事、交通、医疗卫生等领域中广泛应用，土壤中的放射性核素特别是长寿命核素的本底值有增加的趋势。铯-137是放射性尘埃和核燃料废物中重要的核素之一，其半衰期30117年，迁移速度很慢，基本集中于表层土壤中。这种放射性元素污染物进入土壤后，会危及生态系统的稳定，土壤微生物的种群区系成分、种群结构和生存受到影响，进入植物(包括粮食作物、蔬菜、果树)，通过食物链进入人体，威胁人类的生命健康和其他生物的生存，导致人体产生致突变、致癌和致畸三致变化。
放射性污染主要来自于放射性物质。就人为因素而言，目前放射线污染主要有以下来源：(1)核工业排放的废水、废气、废渣；(2)核试验造成的全球性污染要比核工业造成的污染严重得多。(3)核电站排入环境中的废水、废气、废渣等均具有较强的放射性。目前全球正在运行的核电站有400多座，中国有17座。1986年4月26日，前苏联的切尔诺贝利核电站4号机组，由于操作人员严重违反操作规程，造成大量的放射性物质外逸，使31人急性死亡，237人受到严重辐射性伤害，部分放射性物质随大气一直飘到欧洲西北部。2011年3月11日福岛第一核电站事故泄漏出的放射性物质-铯备受关注，据日本科技部报告显示：有8％日本土壤中铯-137浓度已超过10000Bq/m2，而福岛核电站附近区域土壤中铯-137浓度远远超过25000Bq/m2。
目前国外采取的修复铯污染土壤的方法大致分为间接防治法、直接处理法和生物修复技术三种。间接防治是先采用机械物理、化学、电化学和物理化学联合去污等方法对放射性污染源进行去污，然后将放射性污染物焚烧、固化、掩埋，不要让放射性污染物质进入土壤。直接处理法包括自然衰减消除法、化学处理法和物理换土法。土壤生物修复放射性核素污染土壤可利用耐辐射微生物、超积累植物和森林的吸附、截留作用等修复技术。其中，间接修复所需成本较高，周期短，效果比较明显，但易造成二次污染；直接处理法只是根据土地的不同作用而进行的暂缓措施，从根本上不能解决铯在环境中的污染问题；生物修复处理成本低，适用于大面积的土壤修复，但其处理速率慢，周期长，且对土壤环境要求严格，只能降解低浓度污染的土壤。
我国目前对铯污染土壤的研究主要集中在生物修复方面，2012年中科院成都生物研究所发明了一种采用嗜酸氧化亚铁硫杆菌活性菌处理铯/铀污染土壤；专利201210056482.3公开了一种用灰灰菜修复高浓度铯污染土壤的方法；郑洁敏等人通过在Cs污染土壤中移栽酸模、戟叶酸模和向日葵3种植物，得出在134Cs污染土壤中移栽酸模、戟叶酸模和向日葵3种植物；专利201010600935.5公开了一种将耐重金属菌株Burkholderia sp.D54应用于放射性核素铯污染的微生物修复方法；专利201010237053.7公开了一种利用红苋菜修复治理铯和/或锶污染土壤的方法；专利201210056497.X公开了一种通过种植空心莲子草来修复受高浓度铯污染湿地和滩涂土壤。截止目前，国内还没有一种非常成熟的技术可用于铯污染土壤的处理。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种阴极逼近法修复铯污染土壤的装置及其修复方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种阴极逼近法修复铯污染土壤的装置，所述装置包括土样室、电极室、电极、电源和管道，所述土样室为两个同心同高不同半径的空心圆柱体内外放置形成的内外两个室；在外圆柱体的内侧靠近室壁均匀设置多个一级阳极室，在每个一级阳极室中设置一级阳极；在内圆柱体的内侧靠近室壁均匀设置多个二级阳极室，在每个二级阳极室中设置二级阳极；在圆柱体的中心位置设置阴极室，阴极安装在阴极室中，电源的正极分别通过电线和开关与一级阳极和二级阳极相连，电源的负极与阴极相连；一级阳极室和二级阳极室的侧下方通过阳极液入液管道与阳极室控制系统、多通道蠕动泵、阳极液存储槽依次相连；一级阳极室和二级阳极室侧上方通过阳极液溢流管道与阳极液收集槽相连；阴极室侧下方通过阴极液入液管道与蠕动泵、阴极液存储槽依次相连；阴极室侧上方通过阴极液溢流管道与阴极液收集槽相连。
所述一级阳极室、二级阳极室和阴极室均与圆柱体高相同且底共面。
所述一级阳极室、二级阳极室和阴极室均为空心无顶圆柱体。
利用上述装置修复铯污染土壤的方法，包括如下步骤：
(1)装置安装：在外圆柱体内侧均匀安置4-12个一级阳极室并插入一级阳极，在内圆柱体的内侧均匀安置4-8个二级阴极室并插入二级阳极；为了让污染物质更好地沿着电场方向进行迁移，保证每个一级阳极室的中心线、每个二级阳极室的中心线和阴极室的中心线三条直线不在同一平面上；
(2)向土样室中添加待修复的土壤，采用10-18目筛子过筛，去除砂砾和剩余植物残体，将土壤和去离子水进行混合并填充到土壤室中，其中土壤和去离子水质量之比为1:1-2.5；
(3)在阳极液存储槽添加氢氧化钠溶液，控制溶液pH为7.5-8.5，阴极液存储槽中添加硫酸或硝酸溶液，控制溶液pH为3-4，阳极液存储槽通过多通道蠕动泵在阳极室控制系统控制下分别对一级阳极室、二级阳极室中的电解液进行输送，阴极液存储槽通过蠕动泵对阴极室中的电解液进行输送；
(4)将一级阳极接通电源正极，将阴极接通电源负极，接通直流电场进行修复，修复时间约为48-96h，随后将一级阳极与电源正极断开，将二级阳极接通电源正极，接通直流电场进行修复，修复时间约为24-72h，所施加电压梯度为1-2.5v/cm；
(5)电动修复停止后，选取距离阴极室7-15cm内的土壤，将土壤与去离子水按照1：5-10的质量比例进行混合，然后向土壤水溶液中添加吸附剂材料，对污染土壤中铯物质进行清除，随后对铯物质进行回收利用；
(6)不断检测污染土壤中铯物质的含量，根据需要重复步骤(1)至步骤(5)，直至修复完成。
污染土壤的重量与土样室的体积之比为1kg：500-1000cm3。
步骤(5)中所述吸附剂材料为沸石、复合离子交换剂、多价金属磷酸盐或金属亚铁氰化物。
本发明的有益效果为：(1)该装置的处理技术异于传统的电动修复技术，将阴极固定，随着修复的进行，变换阳极的使用，将污染物不断向阴极逼近，以此来提高处理效果；(2)此方法可以将土壤中的污染物铯集中富集在特定阴极区域，从而有效地将铯污染物迁移出受污染土壤中，减少了受污染土壤的体积；(3)采用吸附材料对铯污染物进行吸附，一方面能够彻底清除土壤中污染物，另一方面对铯污染物进行回收；(4)该处理过程清洁，无二次污染，处理周期短，安全性好。
附图说明
图1为一种阴极逼近法修复铯污染土壤装置的示意图；
图2为阳极和阴极的平面布置示意图；
其中各标号为：1-阴极室，2-一级阳极室，3-二级阳极室，4-一级阳极，5-二级阳极，6-阴极，7-电源，8-蠕动泵，9-阴极液入液管道，10-阴极液存储槽，11-阳极液溢流管道，12-阳极液存储槽，13-阳极液入液管道，14-多通道蠕动泵，15-阳极室控制系统，16-开关，17-阴极液溢流管道，18-阳极液收集槽，19-阴极液收集槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明：
一种阴极逼近法修复铯污染土壤的装置，如图1和2所示，所述装置包括土样室、电极室、电极、电源和管道，所述土样室为两个同心同高不同半径的空心圆柱体内外放置形成的内外两个室；在外圆柱体的内侧靠近室壁均匀设置多个一级阳极室2，在每个一级阳极室2中设置一级阳极4；在内圆柱体的内侧靠近室壁均匀设置多个二级阳极室3，在每个二级阳极室中设置二级阳极5；在圆柱体的中心位置设置阴极室1，阴极6安装在阴极室中，电源7的正极分别通过电线和开关与一级阳极和二级阳极相连，电源的负极与阴极6相连；一级阳极室2和二级阳极室3的侧下方通过阳极液入液管道13与阳极室控制系统15、多通道蠕动泵14、阳极液存储槽12依次相连；一级阳极室和二级阳极室侧上方通过阳极液溢流管道11与阳极液收集槽18相连；阴极室1侧下方通过阴极液入液管道9与蠕动泵8、阴极液存储槽10依次相连；阴极室侧上方通过阴极液溢流管道17与阴极液收集槽18相连。
实施例1
按照图1和图2对修复装置进行设置，所述土样室的圆柱体和电极室所用材料为有机玻璃，有机玻璃的厚度为1.5cm；两个大的空心圆柱体中心线相同、无顶面、底共面且高相同；8个一级阳极室在外圆柱体的内部且与外圆柱体的侧面相切，一级阳极安装在一级阳极室的中心处；4个二级阳极室在内圆柱体的内部且与内圆柱体的侧面相切，二级阳极在二级阳极室的中心处；1个阴极室安装在圆柱体的中心位置，阴极室1的中心线与圆柱体的中心线相同，阴极安装在阴极室的中心处；所有电极室均与圆柱体高相同且底共面。所述外圆柱体底面直径为60-100cm，内圆柱体底面直径为30-50cm，圆柱的高为10-30cm。
实施例2
利用上述装置，进行阴极逼近法修复铯污染土壤的方法，包括如下步骤：
(1)根据图1安装修复铯污染土壤的圆形装置，外圆柱底面直径为60cm，内圆柱底面直径为30cm，两圆柱的高均为20cm；在外圆柱体的内侧面均匀安置8个一级阳极室2(一级阳极室中心插入一级阳极4)，在内圆柱体的内侧面均匀安置4个二级阴极室3(二级阳极室中心插入二级阴极5)；阳极采用高20cm且直径1cm的钛电极，阴极采用高20cm且直径1cm的不锈钢电极；为了让铯物质更好地沿着电场方向进行迁移，需保证每个一级阳极室的中心线、每个二级阳极室的中心线和阴极室1的中心线三条直线不在同一平面上，其中阴极室、一级阳极室、二级阳极室的体积大小约为150cm3。
(2)选取被铯污染的土壤60kg，采用10目筛子过筛，去除砂砾和剩余植物残体，将土壤和去离子水进行混合并填充到土壤室中，其中土壤和去离子水质量之比为1:2.5。
(3)在阳极液存储槽12添加氢氧化钠溶液(控制溶液pH为8.5)，阴极液存储槽10中添加硫酸溶液(控制溶液pH为3)，阳极液存储槽12通过多通道蠕动泵14分别对一级阳极室2、二级阳极室3中的电解液进行输送，阴极液存储槽10通过蠕动泵8对阴极室1中的电解液进行输送，阳极室控制系统15主要是控制一级阳极室2和二级阳极室3的使用。
(4)将一级阳极4接通电源7正极，将阴极6接通电源7负极，接通直流电场进行修复，修复时间约为72h，随后将一级阳极4与电源7正极断开，将二级阳极5与电源7正极接通，接通直流电场进行修复，修复时间约为48h，所施加电压梯度为2v/cm。
(5)电动修复停止后，选取距离阴极室7cm内的土壤，将土壤与去离子水按照1：5的质量比例进行混合，然后向土壤水溶液中添加吸附剂材料，对污染土壤中铯物质进行彻底清除，吸附材料选用磷酸二氢钠，随后对铯物质进行回收利用。
(6)不断检测污染土壤中铯物质的含量，根据需要重复步骤(1)至步骤(5)，直至修复完成。
结果如表1：
表1污染土壤中铯物质去除效果
| 修复时间 | 24h | 48h | 72h | 96h | 120h |
| 去除效率 | 30.73 | 49.42 | 58.23 | 72.44 | 80.50 |
对比实验2：“Electrokinetic removal of caesium from kaolin”一文中得出：当电压梯度为1v/cm，修复时间为240h，且采用硫酸溶液控制阴极pH值时，高岭土中铯的去除率约为80％。
对比实验3：下表为“Cs-137and Cs-134removal from radioactive ashusingWashing-electrokinetic equipment”一文中的相关数据：
与对比文件相比较，从整体修复效果来看，本专利使用的装置和方法均有助于提高土壤中铯的去除效率，且对于相同的修复效果，本专利中的修复时间远远少于对比实验中所用修复时间。
Claims (6)
1.一种阴极逼近法修复铯污染土壤的装置，其特征在于，所述装置包括土样室、电极室、电极、电源和管道，所述土样室为两个同心同高不同半径的空心圆柱体内外放置形成的内外两个室；在外圆柱体的内侧靠近室壁均匀设置多个一级阳极室，在每个一级阳极室中设置一级阳极；在内圆柱体的内侧靠近室壁均匀设置多个二级阳极室，在每个二级阳极室中设置二级阳极；在圆柱体的中心位置设置阴极室，阴极安装在阴极室中，电源的正极分别通过电线和开关与一级阳极和二级阳极相连，电源的负极与阴极相连；一级阳极室和二级阳极室的侧下方通过阳极液入液管道与阳极室控制系统、多通道蠕动泵、阳极液存储槽依次相连；一级阳极室和二级阳极室侧上方通过阳极液溢流管道与阳极液收集槽相连；阴极室侧下方通过阴极液入液管道与蠕动泵、阴极液存储槽依次相连；阴极室侧上方通过阴极液溢流管道与阴极液收集槽相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一级阳极室、二级阳极室和阴极室均与圆柱体高相同且底共面。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一级阳极室、二级阳极室和阴极室均为空心无顶圆柱体。
4.利用权利要求1所述装置修复铯污染土壤的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)装置安装：在外圆柱体内侧均匀安置4-12个一级阳极室并插入一级阳极，在内圆柱体的内侧均匀安置4-8个二级阴极室并插入二级阳极；为了让污染物质更好地沿着电场方向进行迁移，保证每个一级阳极室的中心线、每个二级阳极室的中心线和阴极室的中心线三条直线不在同一平面上；
(2)向土样室中添加待修复的土壤，采用10-18目筛子过筛，去除砂砾和剩余植物残体，将土壤和去离子水进行混合并填充到土壤室中，其中土壤和去离子水质量之比为1:1-2.5；
(3)在阳极液存储槽添加氢氧化钠溶液，控制溶液pH为7.5-8.5，阴极液存储槽中添加硫酸或硝酸溶液，控制溶液pH为3-4，阳极液存储槽通过多通道蠕动泵在阳极室控制系统控制下分别对一级阳极室、二级阳极室中的电解液进行输送，阴极液存储槽通过蠕动泵对阴极室中的电解液进行输送；
(4)将一级阳极接通电源正极，将阴极接通电源负极，接通直流电场进行修复，修复时间约为48-96h，随后将一级阳极与电源正极断开，将二级阳极接通电源正极，接通直流电场进行修复，修复时间约为24-72h，所施加电压梯度为1-2.5v/cm；
(5)电动修复停止后，选取距离阴极室7-15cm内的土壤，将土壤与去离子水按照1：5-10的质量比例进行混合，然后向土壤水溶液中添加吸附剂材料，对污染土壤中铯物质进行清除，随后对铯物质进行回收利用；
(6)不断检测污染土壤中铯物质的含量，根据需要重复步骤(1)至步骤(5)，直至修复完成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，污染土壤的重量与土样室的体积之比为1kg：500-1000cm3。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(5)中所述吸附剂材料为沸石、复合离子交换剂、多价金属磷酸盐或金属亚铁氰化物。
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