CN104607447A - 一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复方法及装置，包括脉冲电源、电气监测系统、高压电极、地电极、外筒体、底座和载气系统，高压电极包括第一金属杆和高压端金属网盘，地电极包括第二金属杆和接地端金属网盘，第一金属杆和第二金属杆分别穿过外筒体上端面、下端面连接高压端金属网盘、接地端金属网盘；外筒体侧壁上部和下部分别有进气口、出气口；脉冲电源的输出端一路与电气监测系统相连，另一路与第一金属杆相连；第二金属杆通过接地端连接线连接电气监测系统，载气系统输出端连接进气口。本装置利用脉冲放电过程所产生的高活性物种、臭氧、紫外光效应，快速、高效的降解土壤中的PAHs污染物，完成对有机污染土壤的修复。

Description

一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复方法及装置

技术领域

本发明属于有机污染土壤修复领域，具体内容涉及一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复方法及装置。

背景技术

土壤是人类赖以生存的物质基础，是最为重要的环境要素之一；然而，土壤又是污染物的载体。近年来，中国土壤污染日趋严重，耕地、城市土壤、矿区土壤均受到不同程度的污染，急需对已污染的土壤进行修复。

多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，简称PAHs)是一类具有两个及两个以上苯环且不溶于水的难降解有机污染物，因化石燃料及有机物质的不完全燃烧，广泛存在于大气、水体和土壤中。因其可通过食物链在人体和动物组织中生物累积，对免疫、生殖和内分泌系统等具有毒性效应，最终造成致畸、致癌、致突变的“三致效应”，被美国环境保护署列为“环境优先控制污染物”。土壤中富含有机质，可有效吸附PAHs这类亲脂性较强的有机物，且随着时间的延长，PAHs可在土壤中老化而更难于被生物降解。

目前PAHs污染土壤的修复方法包括物理法、化学法、生物法及它们之间的联合。物理、化学修复法包括气提、热解吸、焚烧、填埋、添加表面活性剂等，存在修复成本昂贵、修复不彻底及易造成二次污染等问题；生物法包括植物修复、微生物修复及植物-微生物联合修复等，主要存在优势菌株难以筛选、修复时间长等问题。基于此，快速、高效的高级氧化技术应运而生。

作为高级氧化技术的一种，低温等离子体内富含多种活性粒子，如离子、电子、激发态的原子、分子及自由基等，从而为等离子体技术通过化学反应处理有机污染物提供了条件。低温等离子体中的脉冲放电等离子体(pulsed discharge plasma,PDP)技术已被证明可以成功用于气相和液相有机污染物的氧化降解，其作用过程产生的氧化性粒子(·OH,·O,H2O2和O3等)可以有效氧化降解有机污染物。因此，可以将该技术引入有机污染土壤修复领域，高效修复有机污染土壤。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复方法及装置，利用脉冲放电过程所产生的高活性物种、臭氧、紫外光效应降解土壤中的PAHs污染物，完成对有机污染土壤的修复。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，其特征在于，包括脉冲电源、电气监测系统、反应器和载气系统，所述反应器包括高压电极、地电极、外筒体和底座，所述高压电极包括第一金属杆和高压端金属网盘，所述地电极包括第二金属杆和接地端金属网盘，所述第一金属杆穿过外筒体上端面连接高压端金属网盘，所述第二金属杆穿过外筒体下端面连接接地端金属网盘；所述外筒体侧壁上部开有进气口，侧壁下部开有出气口；所述脉冲电源的输出端分为两路，一路与电气监测系统相连，另一路通过高压端连接线与第一金属杆相连；所述第二金属杆通过接地端连接线连接电气监测系统，所述载气系统输出端连接进气口。

优选的，所述高压端金属网盘和接地端金属网盘中至少一个可沿反应器的轴上下移动。

优选的，所述高压端金属网盘和接地端金属网盘均为不锈钢网包裹的中心开有螺纹孔的有机玻璃圆盘，所述第一金属杆和第二金属杆均为与所述螺纹孔配合连接的螺纹杆。

优选的，所述高压端金属网盘和接地端金属网盘表面分布有多个小孔。

优选的，所述外筒体为至少一个有机玻璃圆筒叠加而成。

优选的，所述脉冲电源为正极性窄脉冲旋转火花隙式高压电源，峰值电压0-60kV连续可调，脉冲频率0-150Hz连续可调。

优选的，所述电气监测系统包括示波器、高压探头和电流探头，所述高压探头一端与脉冲电源的输出端相连，另一端连接示波器；所述电流探头一端连接接地端连接线，另一端连接示波器。

优选的，所述载气系统由气体流量计和气泵组成，所述气泵通过气体流量计连接进气口。

一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复方法，包括以下步骤：

(1)污染土壤前处理：原土土壤经分选去除树枝根叶、石块等杂物，在室温下风干后过筛网备用，得待修复污染土壤；

(2)污染土壤修复：a)将待修复污染土壤均匀的铺在反应器中的接地端金属网盘上，调节高压电极和地电极间距，密封反应器；b)启动载气系统的气泵，调节气体流量计，闭合电路，通过控制台调节峰值电压0-60kV，脉冲频率0-150Hz，至高压电极与地电极间形成流光放电，放电处理污染的土壤；c)断开电源，停止气泵，打开反应器，取出修复后土壤；

(3)污染物的去除：修复后土壤经萃取、超声、离心、过柱后去除污染物。

优选的，步骤(2)中所述高压电极与地电极间距为10mm，气体流量计(8)调至1L/min，峰值电压为19kV，频率为50Hz，放电处理时间为60min。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复方法，利用脉冲放电过程所产生的高活性物种、臭氧、紫外光效应，快速、高效的完成对有机污染土壤的修复。

(2)通过设置脉冲电源、电气监测系统、高压电极、地电极、外筒体、底座和载气系统，实现基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置；通过设置均为螺纹杆的第一金属杆和第二金属杆，中心带螺纹孔的高压端金属网盘和接地端金属网盘，实现高压电极和地电极间距离可调，以获取较好的放电反应、提高修复效果；将外筒体设置为有机玻璃圆筒，实现对放电过程的直接观察。

附图说明

图1为基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置的示意图。

图2为反应器的正视图。

图3为高压端金属网盘的俯视图。

附图标记说明如下：

1-电源控制台，2-直流电源，3-储能电容，4-成型电容，5-电压探头，6-示波器，7-反应器，8-气体流量计，9-气泵，10-电流探头，11-第一旋转火花隙，12-第二旋转火花隙，13-高压端连接线，14-接地端连接线，15-进气口，16-出气口，17-第一金属杆，18-第二金属杆，19-高压端金属网盘，20-接地端金属网盘，21-第一橡胶垫圈，22-第二橡胶垫圈。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，包括脉冲电源、电气监测系统、反应器7和载气系统；所述脉冲电源为正极性窄脉冲旋转火花隙式高压电源，峰值电压0-60kV连续可调，脉冲频率0-150Hz连续可调，且包括电源控制台1、直流电源2、储能电容3、成型电容4、第一旋转火花隙11和第二旋转火花隙12，所述电源控制台1输出端连接直流电源2输入端，所述直流电源2输出端并联连接有储能电容3和成型电容4，所述储能电容3和成型电容4之间连接有第一旋转火花隙11，成型电容4输出端连接有第二旋转火花隙12。

如图2、图3所示，所述反应器7包括高压电极、地电极、外筒体和底座，外筒体为三个有机玻璃圆筒叠加而成，便于直接观察放电过程且方便操作；其中，第二层圆筒底面和第三层圆筒顶面均开有与接地端金属网盘20上相应的通孔，且第一层圆筒和第二层圆筒连接处设有第一橡胶垫圈21，第二层圆筒与第三层圆筒之间设有第二橡胶垫圈22，以保证土壤修复过程中反应器7的密闭性。所述高压电极包括第一金属杆17和高压端金属网盘19；地电极包括第二金属杆18和接地端金属网盘20；所述高压端金属网盘19和接地端金属网盘20均位于中间的有机玻璃圆筒内，且接地端金属网盘20放置于第二层圆筒底部。

所述高压端金属网盘19和接地端金属网盘20均为200目不锈钢网包裹的直径105mm的有机玻璃圆盘，不锈钢网聚拢后用铁丝分别固定在带螺纹的直径为8mm的第一金属杆17和第二金属杆18，有机玻璃圆盘中央设有直径为8mm的螺纹孔，以便将第一金属杆17和第二金属杆18旋入螺纹孔中，调节高压电极和接地电极的间距；如图3所示，有机玻璃圆盘表面呈矩形均匀分布有多个孔径为6mm的小孔，孔与孔间距为10mm，使空气均匀通过土壤层。

外筒体内径110mm，高102.5mm，第二层圆筒筒壁上部设有进气口15，第三层圆筒桶壁下部设有出气口16；所述载气系统由气体流量计8和气泵9组成，气泵9通过气体流量计8连接进气口15；空气由图1中的气泵9经气体流量计8控制流量后从上端进气口6进入反应器7中，尾气透过土壤层从出气口16排出。

所述电气监测系统包括示波器6、高压探头5和电流探头10，所述高压探头5一端与通过电线与第二旋转火花隙12相连，另一端连接示波器6；所述电流探头10一端连接接地端连接线14，另一端连接示波器6。所述脉冲电源输出端分为两路，一路与电气监测系统相连，另一路通过高压端连接线13与第一金属杆相连；所述第二金属杆18通过接地端连接线14连接电气监测系统。

基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复过程为：

(1)污染土壤配置：采自江苏省镇江市南山较为干净的土壤，经分选去除树枝根叶、石块等杂物，在室温下风干七天后过2mm筛网备用。原土各项参数如下：有机质含量8.86g/kg；堆积密度1.12g/cm^-3；pH为6.04；含水率6.9％；离子交换量6.57cmol/kg^-1。

取一定量的原土，以PAHs中的芘为目标污染物，按一定比例配置成浓度为100g/kg芘污染土壤，作为示例用芘污染土壤。

(2)芘污染土壤的脉冲放电等离子体修复过程

a)将12g芘污染土壤均匀的平铺在反应器7中的接地端金属网盘20上，调节高压电极和接地电极间距为10mm，密封反应器7；b)启动载气系统的气泵9，调节气体流量计8至1L/min，闭合电路，通过控制台1调整脉冲电源各项参数值：峰值电压为19kV，频率为50Hz，放电处理该芘污染土壤60min。

(3)断开电源，停止气泵，打开反应器7，取出修复后土样。

(4)对修复后土样进行萃取、超声、离心、过柱后提取修复后土壤中的芘，以去除污染物。

采用岛津公司的LC-10AT高效液相色谱仪分析提取的芘甲醇溶液，操作条件为：Symmetry C185μm色谱柱，尺寸为4.6×250mm，流动相为甲醇：水＝90：10，柱温为30℃，最大柱压为18MPa，检测波长为234nm，流速为1mL/min，进样量为40μL。

结果表明，经本发明装置处理后的土壤中芘的去除率可达到87.9％，说明本方法可高效、快速的修复芘污染土壤。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，其特征在于，包括脉冲电源、电气监测系统、反应器(7)和载气系统，所述反应器(7)包括高压电极、地电极、外筒体和底座，所述高压电极包括第一金属杆(17)和高压端金属网盘(19)，所述地电极包括第二金属杆(18)和接地端金属网盘(20)，所述第一金属杆(17)穿过外筒体上端面连接高压端金属网盘(19)，所述第二金属杆(18)穿过外筒体下端面连接接地端金属网盘(20)；所述外筒体侧壁上部开有进气口(15)，侧壁下部开有出气口(16)；所述脉冲电源的输出端分为两路，一路与电气监测系统相连，另一路通过高压端连接线(13)与第一金属杆(17)相连；所述第二金属杆(18)通过接地端连接线(14)连接电气监测系统，所述载气系统输出端连接进气口(15)。

2.根据权利要求1所述的基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，其特征在于，所述高压端金属网盘(19)和接地端金属网盘(20)中至少一个可沿反应器(7)的轴上下移动。

3.根据权利要求2所述的基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，其特征在于，所述高压端金属网盘(19)和接地端金属网盘(20)均为不锈钢网包裹的中心开有螺纹孔的有机玻璃圆盘，所述第一金属杆(17)和第二金属杆(18)均为与所述螺纹孔配合连接的螺纹杆。

4.根据权利要求3所述的基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，其特征在于，所述高压端金属网盘(19)和接地端金属网盘(20)表面分布有多个小孔。

5.根据权利要求1或2所述的基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，其特征在于，所述外筒体为至少一个有机玻璃圆筒叠加而成。

6.根据权利要求1所述的基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，其特征在于，所述脉冲电源为正极性窄脉冲旋转火花隙式高压电源，峰值电压0-60kV连续可调，脉冲频率0-150Hz连续可调。

7.根据权利要求1所述的基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，其特征在于，所述电气监测系统包括示波器(6)、高压探头(5)和电流探头(10)，所述高压探头(5)一端与脉冲电源的输出端相连，另一端连接示波器(6)；所述电流探头(10)一端连接接地端连接线(14)，另一端连接示波器(6)。

8.根据权利要求1所述的基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复装置，其特征在于，所述载气系统由气体流量计(8)和气泵(9)组成，所述气泵(9)通过气体流量计(8)连接进气口(15)。

9.一种基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)污染土壤前处理：原土土壤经分选去除树枝根叶、石块等杂物，在室温下风干后过筛网备用，得待修复污染土壤；

(2)污染土壤修复：a)将待修复污染土壤均匀的铺在反应器(7)中的接地端金属网盘(20)上，调节高压电极和地电极间距，密封反应器(7)；b)启动载气系统的气泵(9)，调节气体流量计(8)，闭合电路，通过控制台(1)调节峰值电压0-60kV，脉冲频率0-150Hz，至高压电极与地电极间形成流光放电，放电处理污染的土壤；c)断开电源，停止气泵(9)，打开反应器(7)，取出修复后土壤；

(3)污染物的去除：修复后土壤经萃取、超声、离心、过柱后去除污染物。

10.根据权利要求1所述的基于低温等离子体技术的有机污染土壤修复方法，其特征在于，步骤(2)中所述高压电极与地电极间距为10mm，气体流量计(8)调至1L/min，峰值电压为19kV，频率为50Hz，放电处理时间为60min。