CN103978023B - 用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及持久性有机污染物的机械化学法无害化处置技术领域，旨在提供用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置及其使用方法。该装置包括电机、皮带传动装置、传动齿轮组、水平球磨滚筒和滚筒支架；该使用方法包括步骤：将污染土壤、添加剂、磨球一起加入到水平球磨滚筒内，使水平球磨滚筒内的污染土壤完成污染土壤修复后，再将污染土壤、添加剂、磨球从水平球磨滚筒内倒出。本发明的水平球磨滚筒在临界转速内，大大节约了能耗，且操作运行简单可靠，可以进行几十个小时的长时间无间断运行；本发明工艺系统简单，初期投资少，工艺流程简单，设备磨损小，所需的维护成本也更少，特别适用于发展中国家和偏远地区的土壤修复。

Description

用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置及其使用方法

技术领域

本发明是关于持久性有机污染物的机械化学法无害化处置技术领域，特别涉及用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置及其使用方法。

背景技术

近三十年，我国的固废拆解行业发展迅速，世界上多达70％的电子垃圾被运送到中国进行拆解。固废拆解业实际上是一种电子固废回收利用的行业，通过对电子固废的拆解，可以从中获取可使用的旧产品、回收贵重金属等。但是因为电子产品制造材料成分复杂，本身含有很多有毒物质，不当处理与处置容易造成环境污染。我国的固废拆解企业普遍存在生产设备简单、工艺技术落后和管理缺乏等缺点，所以这些企业每年都会产生大量的不可利用的固体废弃物。对于这些固体废弃物，就目前的处理能力，也只能像处理生活垃圾一样作简单的填埋处理。然而不同于生活垃圾，这些固体废弃物中含有的溴代/氯代二恶英类物质、多氯联苯、多环芳烃等持久性有机污染物会对土壤造成严重污染。

目前研发的各种土壤修复技术包含生物修复、植物修复、化学淋洗、热力学修复等，由于存在条件严格、耗时长、费用高或二次污染等缺点，限制了目前土壤修复技术的工业化实用发展。为了修复持久性有机污染物POPs污染的土壤，必须找寻一种高效、简便、经济适用的POPs无害化处置技术。1990年代初，西澳大利亚大学Rowlands等人首先将机械化学法用于多种POPs的处理，并将研究成果发表于Nature杂志上。自那以后，机械化学法被广泛研究，而且被认为是前景良好的POPs污染土壤修复技术。

所谓机械化学法，就是通过机械力的不同作用，如压缩、冲击、摩擦和剪切等，瞬间或累计产生的高能量施加于固体、液体等凝聚态物质，诱导其结构及物理化学性质发生变化，并诱发化学反应。机械化学法相比其他的POPs处理方法，具有其独特的优点：

a.它是非热处置技术，无高温高压条件要求；

b.反应为固固反应，反应过程全封闭，无气体污染；

c.具有非常广泛的有毒物质处理范围，而且降解效率可达到99％以上；

d.操作简单，成本合理，具有规模化运用潜质。

目前，机械化学法的土壤修复研究大多停留在理论研究阶段，所使用的装置大多为行星式球磨机。行星式球磨机是靠本身高速的自转和公转，使磨球产生巨大冲击、研磨作用，将物料粉碎的设备。尽管经过十几个小时的球磨降解，土壤里的POPs的降解效率能达到95％以上，但是为了实现土壤的规模性修复，行星式存在很多制约因素。目前应用于机械化学法处置POPs研究的行星式球磨机的球磨罐容量在100ml以下，而生产型行星式球磨机最大容量达到100L，即行星式球磨机单次处理量小；行星效应中有效的能量是磨球能量，用于维持公转的磨罐的能量是必须附加而未被有效利用的，球磨机的工作强度大，能耗高，能源利用率低、使用寿命短；为了防止仪器长时间高速运行的过热疲劳，球磨机只能进行间断式工作，不仅增加了操作复杂性，还大大增加了降解时长。如果为了实现土壤修复的规模化处理而把行星式球磨机的球磨罐尺寸做大，设备的重量成三次方比例增大，用于维持磨罐和磨球的公转和自转的能耗将会大大增加；其中用于维持筒体公转这部分能量的大大增加将造成更大的的能量浪费。因此，寻找一种处理量大、操作简便、低能耗、运行可靠且耐用的土壤机械化学修复装置显得很有必要。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有节能耗约、处理量大、运行可靠且耐用的机械化学法土壤修复装置及其使用方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置，包括用于提供动力源的电机，还包括皮带传动装置、传动齿轮组、水平球磨滚筒和滚筒支架；水平球磨滚筒为圆柱结构，圆柱结构的侧面上设有料口盖，料口盖打开时用于向水平球磨滚筒内添加或倒出污染土壤，料口盖关闭时能与水平球磨滚筒密封连接；圆柱结构两个底面的圆点处分别设有一根连接轴，滚筒支架上设有两个轴承，两根连接轴分别通过轴承与滚筒支架连接，滚筒支架用于固定水平球磨滚筒；一根连接轴穿过轴承与传动齿轮组连接，传动齿轮组包括大齿轮和小齿轮，水平球磨滚筒通过连接轴与大齿轮连接，小齿轮与皮带传动装置的一端连接，且小齿轮和大齿轮啮合连接；皮带传动装置的另一端与电机连接，皮带传动装置用于通过皮带实现电机和小齿轮的传动。

作为进一步的改进，所述用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置还包括磨球，磨球用于和污染土壤一起混合加入到水平球磨滚筒中，磨球采用不锈钢材质的磨球，且磨球的直径在20～150mm之间。

作为进一步的改进，所述水平球磨滚筒的容量在0.1～100m³之间。

提供基于所述的用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置的使用方法，用于修复持久性有机污染物的污染土壤，具体包括下述步骤：

(A)将水平球磨滚筒的料口盖打开，将污染土壤、添加剂、磨球一起加入到水平球磨滚筒内，关闭水平球磨滚筒的料口盖；所述添加剂用于辅助污染土壤的降解，添加剂采用CaO、金属铁或者金属镁中的任意一种；

(B)启动电机，通过皮带传动系统和传动齿轮组带动水平球磨滚筒水平转动，并保证水平球磨滚筒的转速在临界转速以下，磨球在随水平球磨滚筒的筒壁上升到一定高度后将脱离壁面落下，从而使水平球磨滚筒内的污染土壤和添加剂受到机械撞击，发生机械化学反应，进而降解污染土壤中的持久性有机污染物，完成污染土壤修复；

所述临界转速的计算公式为：

$n=\frac{42.3}{\sqrt{D}};$

其中，n是水平球磨滚筒的转速，单位为r/min，D是水平球磨滚筒的直径，单位为m；

(C)将水平球磨滚筒的料口盖打开，将污染土壤、添加剂、磨球一起从水平球磨滚筒内倒出。

作为进一步的改进，所述磨球和污染土壤一起混合加入到水平球磨滚筒中时，磨球和污染土壤的质量比例为4:1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、水平球磨滚筒在临界转速内，磨球依靠自身重力脱离水平球磨滚筒的壁面，不需要水平球磨滚筒的平动，大大节约了能耗；

2、水平球磨滚筒转速低，在100r/min以下，操作运行简单可靠，可以进行几十个小时的长时间无间断运行；

3、水平球磨滚筒单次处理量可达0.5吨，相比行星式球磨机的处理量大了5000倍，为土壤修复的规模化运行提供了可能；

4、本发明工艺系统简单，初期投资少，工艺流程简单，设备磨损小，所需的维护成本也更少，特别适用于发展中国家和偏远地区的土壤修复。

附图说明

图1为本发明的整体俯视图。

图2为本发明的水平球磨滚筒示意图。

图中的附图标记为：1电机；2皮带传动装置；3传动齿轮组；4大齿轮；5小齿轮；6轴承；7连接轴；8滚筒支架；9料口盖；10水平球磨滚筒；11磨球。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1、图2所示，用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置包括皮带传动装置2、传动齿轮组3、水平球磨滚筒10、滚筒支架8、磨球11和用于提供动力源的电机1，主要用于实现机械化学法规模化修复POPs污染土壤。

水平球磨滚筒10为圆柱结构，横截面为圆形，水平球磨滚筒10的容量在0.1～100m³之间，这里采用容量为Φ450×550mm的水平球磨滚筒10，可用于处理5kg受PCBs污染的土壤。圆柱结构的侧面上设有料口盖9，料口盖9打开时用于向水平球磨滚筒10内添加或倒出污染土壤、添加剂和磨球11，所述磨球11采用不锈钢材质制作，且磨球11的直径在20～150mm之间，水平球磨滚筒10内的磨球11总质量为20kg；料口盖9关闭时能与水平球磨滚筒10密封连接。圆柱结构两个底面的圆点处分别设有一根连接轴7，滚筒支架8上设有两个轴承6，两根连接轴7通过轴承6与滚筒支架8连接，滚筒支架8用于固定水平球磨滚筒10。一根连接轴7穿过轴承6与传动齿轮组3连接，传动齿轮组3包括大齿轮4和小齿轮5，水平球磨滚筒10通过连接轴7与大齿轮4连接，小齿轮5与皮带传动装置2的一端连接，且小齿轮5和大齿轮4啮合连接，并保证水平球磨滚筒10的转速在临界转速以下，磨球11不与筒壁成为整体。皮带传动装置2的另一端与电机1连接，所述皮带传动装置2用于通过一组皮带实现电机1和小齿轮5的传动。

这里水平球磨滚筒10的临界转速的计算公式为：

$n=\frac{42.3}{\sqrt{D}};$

其中，n是水平球磨滚筒10的转速，单位为r/min，D是水平球磨滚筒10的直径，单位为m。

使用时，首先将水平球磨滚筒10的料口盖9打开，将受POPs污染的土壤、添加剂、磨球11置于水平球磨滚筒10内，且磨球11和污染土壤的质量比例为4:1时，可以取得良好的降解效果，磨球11所占比例越高，降解效果也就越好。然后关闭水平球磨滚筒10的料口盖9，这里的添加剂是降解土壤中污染物的必要物质，常用的添加剂有CaO、金属铁、金属镁等。启动电机1，通过皮带传动系统2和传动齿轮组3带动水平球磨滚筒10水平转动，水平球磨滚筒10的转速为40r/min，由于转速低于临界转速，磨球11在随水平球磨滚筒10的筒壁上升到一定高度后将脱离壁面落下，从而使水平球磨滚筒10内POPs污染土壤和添加剂受到机械撞击，发生机械化学反应，进而降解土壤中的POPs修复土壤。

研磨20h后，测定污染土壤中PCBs的降解率达到74％，WHO-TEQ毒性当量的降解率为78％，说明采用本发明对于PCBs有良好的降解效果。同时测定二噁英(PCDD/Fs)毒性当量值由378I-TEQpg/g降低为196I-TEQpg/g。此外，由于水平球磨滚筒10的转速低，水平球磨滚筒10内的物料温度保持在100℃以下，所以可以克服了传统的污染物(PCBs)热处置的关键缺陷——过热及污染物(PCDD/Fs)二次合成问题，即可以延长连续运行时间。对PCBs的降解进行实验研究，得出PCBs含量在球磨至20h后仍具有明显的变化率，所以延长球磨时间可以使PCBs的降解率可达到90％以上。

因此，本发明提供的用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置对受POPs污染的土壤具有有效的修复作用，而且可以进行土壤的规模性修复，是一种较有商业应用前景的、成本低廉且有效的拆解行业污染土壤的修复技术。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置，包括用于提供动力源的电机，其特征在于，还包括皮带传动装置、传动齿轮组、水平球磨滚筒、滚筒支架和磨球；水平球磨滚筒为圆柱结构，圆柱结构的侧面上设有料口盖，料口盖打开时用于向水平球磨滚筒内添加或倒出污染土壤，料口盖关闭时能与水平球磨滚筒密封连接；圆柱结构两个底面的圆点处分别设有一根连接轴，滚筒支架上设有两个轴承，两根连接轴分别通过轴承与滚筒支架连接，滚筒支架用于固定水平球磨滚筒；一根连接轴穿过轴承与传动齿轮组连接，传动齿轮组包括大齿轮和小齿轮，水平球磨滚筒通过连接轴与大齿轮连接，小齿轮与皮带传动装置的一端连接，且小齿轮和大齿轮啮合连接；皮带传动装置的另一端与电机连接，皮带传动装置用于通过皮带实现电机和小齿轮的传动；所述磨球用于和污染土壤一起混合加入到水平球磨滚筒中。

2.根据权利要求1所述的用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置，其特征在于，所述磨球采用不锈钢材质的磨球，且磨球的直径在20～150mm之间。

3.根据权利要求1所述的用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置，其特征在于，所述水平球磨滚筒的容量在0.1～100m³之间。

4.基于权利要求1所述的用于修复持久性有机污染物污染土壤的装置的使用方法，用于修复持久性有机污染物的污染土壤，其特征在于，具体包括下述步骤：

(A)将水平球磨滚筒的料口盖打开，将污染土壤、添加剂、磨球一起加入到水平球磨滚筒内，关闭水平球磨滚筒的料口盖；所述添加剂用于辅助污染土壤的降解，添加剂采用CaO、金属铁或者金属镁中的任意一种；

(B)启动电机，通过皮带传动系统和传动齿轮组带动水平球磨滚筒水平转动，并保证水平球磨滚筒的转速在临界转速以下，磨球在随水平球磨滚筒的筒壁上升到一定高度后将脱离壁面落下，从而使水平球磨滚筒内的污染土壤和添加剂受到机械撞击，发生机械化学反应，进而降解污染土壤中的持久性有机污染物，完成污染土壤修复；

所述临界转速的计算公式为：

$n=\frac{42.3}{\sqrt{D}};$

其中，n是水平球磨滚筒的转速，单位为r/min，D是水平球磨滚筒的直径，单位为m；

(C)将水平球磨滚筒的料口盖打开，将污染土壤、添加剂、磨球一起从水平球磨滚筒内倒出。

5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述磨球和污染土壤一起混合加入到水平球磨滚筒中时，磨球和污染土壤的质量比例为4:1。