CN104550216A - 一种维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污染土壤电动修复的技术领域，具体说是一种维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法。采用电动修复污染土壤，电动修复效应导致水分和可移动离子迁移减少，从而减弱电势差，待电极附近电势差的衰减率≥20％时，补加电解液有效维持该区域的电势差，有效提高污染土壤的整体修复效率。

Description

一种维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法

技术领域

本发明涉及污染土壤电动修复的技术领域，具体说是一种维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法。

背景技术

电动修复方法污染土壤是目前一种新兴技术。在已有的电动修复过程中，将电极插入到污染土壤中，形成电极矩阵，施加微弱直流电形成电场。在电化学反应和电动效应的联合作用下，能够有效去除土壤中的污染物。

前期研究结果表明，电动修复过程中，土壤中有机污染物的降解效率与电势差存在正相关(Li et al.，2014)，重金属污染物的迁移速率也与电势差密切相关，因此，维持电势差是提高污染土壤电动修复效率的关键。

电势差在外加电压恒定，正负电极间距离固定的条件下，其大小及空间分布是不变的。但污染土壤在电动修复过程中，电解、电迁移等电动效应均会造成土壤水和盐离子空间分布及含量的变化，直接导致电势差衰减，尤其在电动效应剧烈的阳极附近，电势差衰减的就更为显著。而极性切换条件下，土壤水分和可移动离子向阴阳电极中间迁移，导致电极附近均呈现电势差衰减的趋势。因此，适时适量补充电解液可有效解决电动修复电势差衰减的问题。

如何基于土壤理化性质，电极矩阵排列与极性切换时间，通过电极附近补充电解液的方式维持电势差，对保持电动修复过程中的高效性具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法。

为实现上述目的本发明采用的技术方案为：

一种维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法，

采用电动修复污染土壤，电动修复效应导致水分和可移动离子迁移减少，从而减弱电势差，待电极附近电势差的衰减率≥20％时，补加电解液有效维持该区域的电势差，提高污染土壤的整体修复效率。

所述电解液由高浓度盐溶液与水混合而成，其中盐离子浓度范围为0.5％-2％。

所述高浓度盐溶液阳离子包括Na⁺、K⁺、Ca²⁺，阴离子包括Cl^-、NO₃ ^-、SO₄ ^2-；

所述阳离子中Na⁺占阳离子总摩尔比例为40％-60％，K⁺占阳离子总摩尔比例为20％-30％，Ca²⁺占阳离子总摩尔比例为10％-30％；

所述阴离子中Cl^-占阴离子总摩尔比例为50％-70％，NO₃ ^-占阴离子总摩尔比例为10％-30％，SO₄ ^2-占阴离子总摩尔比例为10％-20％。

所述电解液的补充量与电极切换的间隔时间成反比，这是由于电极切换的间隔时间越长，电动效应导致土壤中水分和可移动离子量越少，从而电势差越小，需补充更多电解液。电解液的补充量范围为25ml/kg(土)-50ml/kg(土)。

所述电解液补充范围在以电极为中心，半径为3cm-10cm的圆内。

所述在布设电极的污染土壤中施加直流电源，并过极性控制器控制电极极性与极性切换时间；根据土壤质地，确定电解液中阳离子组成、阴离子组成及确定电解液浓度；根据电极切换的间隔时间，确定电解液的补充量，通过工控机定点监测电极附近的电势差衰减率，当衰减率≥20％时，由工控机自动下达指令补充电解液，或人工手动补充电解液。

维持污染土壤电动修复中电势差均匀的优选步骤是：

a.在污染土壤中电极(1)按M×N二维布设，通过施加直流，实现的污染土壤的电动修复。直流电源(2)的供电电压20V-36V，电势差保持在0.8V/cm-1.5V/cm。

b.通过极性控制器(3)控制电极极性与极性切换时间，即同行同列上相邻两个电极极性相反，电极极性的切换时间为2h-8h。

c.根据土壤质地，确定电解液中阴、阳离子的组成及确定电解液浓度；根据电极切换的间隔时间，确定电解液的补充量。

其中，土壤质地为粘土时，对离子吸收能力强，土壤的阳离子代换量为25-30cmol(+)/kg，相同外加电压条件下单位时间内电动效应导致的电势差变化小，因此，补充电解液的盐离子浓度为0.5％-0.8％；

土壤质地为壤土时，对离子吸收能力弱于粘土，土壤的阳离子代换量为15-18cmol(+)/kg，相同外加电压条件下单位时间内电动效应导致的电势差变化大于粘土，因此，补充电解液的盐离子浓度为1.0％-1.3％；

土壤质地为砂壤土时，对离子吸收能力弱于粘土和壤土，土壤的阳离子代换量为7-8cmol(+)/kg，相同外加电压条件下单位时间内电动效应导致的电势差变化大于粘土和壤土，因此，补充电解液的盐离子浓度为1.5％-1.7％；土壤质地为砂土时，对离子吸收能力最弱，土壤的阳离子代换量为1-5cmol(+)/kg，相同外加电压条件下单位时间内电动效应导致的电势差变化最大，因此，补充电解液的盐离子浓度为1.8％-2.0％；

d.通过工控机(5)定点监测(6)电极附近的电势差衰减率，当衰减率≥20％时，由工控机(5)自动下达指令补充电解液，或人工手动补充电解液。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明基于电极附近电势差的衰减率变化，补充电解液，增加水分和可移动离子，从而维持电极附近土壤的电势差。

2.本发明根据土壤质地，确定电解液中阳离子组成、阴离子组成及电解液浓度；根据电极切换的间隔时间，确定电解液的补充量，实现电势差适时适度的恢复与维持。

附图说明

图1是本发明实施例提供的最小电极矩阵单元的电势差维持方法应用示意图。

图2是本发明实施例提供的维持电势差条件下石油污染粘土电动修复的效率图。

图3是本发明实施例提供的维持电势差条件下石油污染壤土电动修复的效率图。

图4是本发明实施例提供的维持电势差条件下芘污染砂壤土电动修复的效率图。

图5是本发明实施例提供的维持电势差条件下芘污染砂土电动修复的效率图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

本实施例所修复的污染土壤为实验室配置的石油污染土壤，所采的土壤为粘土，除去肉眼可见的杂质和草木根，室内自然风干后过2mm筛子，石油采自辽河油田曙光采油厂某油坑，配制成含油量40g/kg石油污染土壤。

配制土壤自然风干放置7天，待石油与土壤混合均匀后，用去离子水调节含水率为25％，分成3个处理，即对照、电动修复、电解液补充电动修复，分别装入到土壤盒内(长20cm×宽20cm×高10cm)。

如图1所示，污染土壤中布置2×2的电极(1)矩阵，电极材质为石墨电极，直径1cm，高11cm，外加电压为20V(2)。通过调整极性切换控制器(3)，实现电极极性切换时间为4h，保持相邻两根电极(1)的极性相反。修复时间为60d。

具体操作流程包括：

根据实验用粘土的阳离子代换量为30cmol(+)/kg，所述电解液由高浓度盐溶液与水混合而成，其中盐离子浓度为0.7％。

由于粘土对阳离子和阴离子的吸收能力最强，补充的电解液中阴、阳离子应以吸附弱的离子为主，即电解液中阳离子中Na⁺：K⁺：Ca²⁺的摩尔比为60：30：10，阴离子Cl^-：NO₃ ^-：SO₄ ^2-的摩尔比为70：20：10。

根据电极极性切换时间，电解液的补充量为27mL/kg(土)，补充范围是在以电极为中心，半径为4cm的圆内(4)加入。

通过电势差的自动监测装置(5)，监测电极附近(6)的电势差衰减率，当电势差衰减率≥20％时，向电极附近(4)定量补充此实验制备的电解液。

基于电势差衰减率的实时监控，利用电解液的补充方式，弥补电动修复过程中电极附近电势差的大幅衰减，有效提高了石油污染土壤的电动修复整体效率(图2)。

实施例2

与实施例1不同之处在于土壤为壤土。其余条件与实施例1相同。

具体操作流程包括：

根据实验用壤土的阳离子代换量为16cmol(+)/kg，所述电解液由高浓度盐溶液与水混合而成，其中盐离子浓度为1.2％。

由于壤土对离子的吸收能力比粘土弱，因此，补充的电解液中阴、阳离子，虽以吸附弱的离子为主，但可适当增加吸附强的离子，即电解液中阳离子中Na⁺：K⁺：Ca²⁺的摩尔比为55：30：15，阴离子Cl^-：NO₃ ^-：SO₄ ^2-的摩尔比为70：15：15。

根据电极极性切换时间，电解液的补充量为32mL/kg(土)，补充范围是在以电极为中心，半径为5cm的圆内(4)加入。

当电极周边土壤电势差衰减率≥20％时，向电极附近定量补充此实验制备的电解液。

基于电势差衰减率的实时监控，利用电解液的补充方式，弥补电动修复过程中电极附近电势差的大幅衰减，有效提高了石油污染土壤的电动修复整体效率(图3)。

实施例3

与实施例1和2不同之处在于：

修复的污染土壤为芘污染土壤，芘含量为100mg/kg，土壤为砂壤土。用去离子水调节含水率为25％，分成3个处理，即对照、电动修复、电解液补充电动修复，分别装入到土壤盒内(长30cm×宽30cm×高10cm)。污染土壤中布置3×3的电极矩阵，外加电压为30V，电极极性切换时间为8h，修复时间为30d。

具体操作流程包括：

根据实验用砂壤土的阳离子代换量为7cmol(+)/kg，所述电解液由高浓度盐溶液与水混合而成，其中盐离子浓度为1.7％。

由于砂壤土对离子的吸收能力比粘土和壤土弱，因此，补充的电解液中阴、阳离子，可适当增加吸附强的离子，即电解液中阳离子中Na⁺：K⁺：Ca²⁺的摩尔比为50：30：20，阴离子Cl^-：NO₃ ^-：SO₄ ^2-的摩尔比为60：25：15。

根据电极极性切换时间，电解液的补充量为40mL/kg(土)，补充范围是在以电极为中心，半径为7cm的圆内(4)加入。

当电极周边土壤电势差衰减率≥20％时，向电极附近定量补充此实验制备的电解液。

基于电势差衰减率的实时监控，利用电解液的补充方式，弥补电动修复过程中电极附近电势差的大幅衰减，有效提高了芘污染土壤的电动修复整体效率(图4)。

实施例4

与实施例1、2和3不同之处在于土壤为砂土。其余条件与实施例3相同。

具体操作流程包括：

根据实验用砂土的阳离子代换量为4cmol(+)/kg，所述电解液由高浓度盐溶液与水混合而成，其中盐离子浓度为1.8％。

由于砂土对离子的吸收能力最弱，因此，补充的电解液中阴、阳离子，吸附强离子的摩尔比可适当增大，即电解液中阳离子中Na⁺：K⁺：Ca²⁺的摩尔比为50：30：20，阴离子Cl^-：NO₃ ^-：SO₄ ^2-的摩尔比为55：25：20。

根据电极极性切换时间，电解液的补充量为45mL/kg(土)，补充范围是在以电极为中心，半径为7cm的圆内(4)加入。

当电极周边土壤电势差衰减率≥20％时，向电极附近定量补充此实验制备的电解液。

基于电势差衰减率的实时监控，利用电解液的补充方式，弥补电动修复过程中电极附近电势差的大幅衰减，有效提高了芘污染土壤的电动修复整体效率(图5)。

以上内容是结合具体的优先实施案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于此。在不脱离本发明构思的前提下，还可做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法，其特征在于：

采用电动修复污染土壤，电动修复效应导致水分和可移动离子迁移减少，从而减弱电势差，待电极附近电势差的衰减率≥20％时，补加电解液有效维持该区域的电势差，提高污染土壤的整体修复效率。

2.按权利要求1所述的维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法，其特征在于：所述电解液由高浓度盐溶液与水混合而成，其中盐离子浓度范围为0.5％-2％。

3.按权利要求2所述的维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法，其特征在于：所述高浓度盐溶液阳离子为Na⁺、K⁺、Ca²⁺中的一种或几种，阴离子为Cl^-、NO₃ ^-、SO₄ ^2-中的一种或几种；

所述阳离子中Na⁺占阳离子总摩尔比例为40％-60％，K⁺占阳离子总摩尔比例为20％～30％，Ca²⁺占阳离子总摩尔比例为10％-30％；

所述阴离子中Cl^-占阴离子总摩尔比例为50％-70％，NO₃ ^-占阴离子总摩尔比例为10％-30％，SO₄ ^2-占阴离子总摩尔比例为10％-20％。

4.按权利要求1中所述的维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法，其特征在于：所述电解液的补充量范围为25ml/kg(土)-50ml/kg(土)。

5.按权利要求1中所述的维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法，其特征在于：所述电解液补充范围在以电极为中心，半径为3cm-10cm的圆内。

6.按权利要求1中所述的维持污染土壤电动修复中电势差均匀的方法，其特征在于：所述在布设电极的污染土壤中施加直流电源，并过极性控制器控制电极极性与极性切换时间；根据土壤质地，确定电解液中阳离子组成、阴离子组成及电解液浓度；根据电极切换的间隔时间，确定电解液的补充量，通过工控机定点监测电极附近的电势差衰减率，当衰减率≥20％时，由工控机自动下达指令补充电解液，或人工手动补充电解液。