CN104907328B - 一种污染土壤加速碳化试验器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污染土壤加速碳化试验器，包括从上到下依次连接的挡水顶板(5)、样品仓和底座，所述的挡水顶板(5)罩设在样品仓上端，所述的样品仓包括样品仓主体(1)，以及分别设置在样品仓主体(1)上下两端的样品仓上端法兰(2)和样品仓下端法兰(3)，所述的底座包括底座法兰(4)和设置在底座法兰(4)下方的集液槽(13)，所述的样品仓下端法兰(3)与底座法兰(4)密封连接。与现有技术相比，本发明具有测试结果精确度高、各样品之间无交叉污染、污染土壤碳化程度高等优点。

Description

一种污染土壤加速碳化试验器及其应用

技术领域

本发明涉及污染土壤修复技术领域，尤其是涉及一种污染土壤加速碳化试验器及其加速碳化模拟试验方法。

背景技术

随着城市化和产业转移进程的加快，我国城市工业企业搬迁或遗留的污染场地数量与日俱增，场地污染土壤已成为我国许多大中城市土地资源安全再利用的限制因素。场地污染土壤修复的研究和实践已成为我国环境治理领域的重要内容。

固化稳定化已成为我国重金属污染土壤修复的主要技术方法。目前，湖南、湖北、重庆、江苏、浙江和上海等省市均主要采用了固化稳定化技术处理土壤重金属污染物。据不完全统计，目前国内实施的土壤固化稳定化修复工程案例已超过50例。

污染土壤的固化稳定化可以细分为固化技术和稳定化技术，两者具有不同的含义。污染土壤固化技术主要通过将污染物固封在结构完整的固态产物(固化体/固化块)中，隔离污染土壤与外界环境的联系，从而达到控制土壤污染物迁移的目的；稳定化技术将土壤污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式来实现其无害化，降低对生态系统危害性的风险。据统计，我国的污染土壤固化稳定化技术以稳定化为主，其比例占到90％以上。固化技术的研究和工程化应用相对较少。

固化稳定化技术只改变了土壤中污染物的赋存形态而其总量并没有降低，污染物依然可能会被再次活化或激活从而增大迁移出土壤污染周围环境的风险。因此经过固化稳定化处理后土壤污染物的长期稳定性就成为环境主管部门和土壤领域专家学者极为关心的问题，在土壤固化稳定化修复项目论证和验收时也最为关注。

目前，国内外依然缺失成熟的固化稳定化修复后土壤污染物长期稳定性评估的技术方法和标准，实验室研究也比较缺乏。

《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082-2009)中采用碳化试验测试水泥混凝土的长期性能。其基本原理是利用高浓度二氧化碳对水泥水化产物加以破坏，从而降低水泥固化体的强度。应用水泥类固化材料生产固化体或混凝土时，水泥中的硅酸盐化合物与水形成水合产物，生成一种硅酸钙水合凝胶(水化硅酸钙CSH)。CSH是一种由不同聚合度的水化物所组成的固体凝胶，是形成水泥基体的重要物质基础。二氧化碳含量较高的情况下，水化硅酸钙与二氧化碳反应生成碳酸钙，从而对水化硅酸钙聚合而成的水泥基体造成破坏，表现为水泥基体强度下降。GB/T 50082-2009中的碳化试验具有以下特点：

(1)适用对象主要是混凝土试件，基本原理是二氧化碳破坏水泥水化产生的水化硅酸钙；

(2)混凝土试件形状一般为棱柱体或立方体，而非粉状或颗粒状；

(3)试验设备主要为碳化箱，其技术关键是将碳化箱的二氧化碳浓度、相对湿度和温度控制并保持在一定水平；

(4)其主要目的是测定试件或固化体在各试验龄期时的平均碳化深度，绘制碳化时间与碳化深度的关系曲线。

从上述技术特点可以看出，该试验流程主要是测定混凝土试件的平均碳化深度来说明高浓度二氧化碳对混凝土物理结构及稳固性方面的影响，这与研究土壤中污染物的长期稳定性的目的差异较大。

有研究者曾尝试利用加速碳化技术研究水泥基或其他固化材料对土壤污染物的长期稳定效果，但研究过程往往有以下两个方面的不足：(1)试验材料一般为固化体/固化块，而非粉状或颗粒状，因此稳定化处理土壤的加速碳化研究案例较为匮乏；(2)加速碳化试验过程中并未采取防止样品交叉污染的措施，这将显著影响试验结果的真实性和准确性。

由于污染土壤固化稳定化处理的主要目的是改变土壤污染物的赋存形态，降低其活性、毒性和迁移性，因此一般用土壤浸出毒性即浸出液中污染物浓度来评估污染土壤固化稳定化的处理效果，即加速碳化处理完成后，需要进一步用化学提取方法及其结果评估高浓度二氧化碳是否对浸出液中污染物浓度产生显著影响，这与混凝土稳定性主要采用物理性指标评估存在根本差异，因此试验过程和配套措施均应有所差别。在加速碳化过程中，碳化箱内的相对湿度一般控制在70％以上，且箱内样品放置区主体为不锈钢框架，湿气易在不锈钢框架上凝结成水滴，从而形成从上层框架向下层框架流动的水流，而水流对试件或样品中土壤污染物具有一定的提取作用，若不采取措施避免水流与土壤样品的接触，则可能导致样品间的交叉污染。

若将碳化箱内的不锈钢框架结构变更为不透水的槽状结构，可以避免从上层框架向下层框架流动的水流，但槽状结构内可能产生大量积水，导致样品间的交叉污染；若将样品放入培养皿或其他容器中，则会影响土壤样品或试件与二氧化碳的接触面积，导致不同部位的土壤样品或试件其碳化程度不同，从而影响试验结果的真实性和准确性。

因此，有必要研制一种污染土壤加速碳化试验器，以避免试验中流动水流导致的样品间的交叉污染，并保证二氧化碳与样品的充分接触，为科学真实地开展污染土壤加速碳化模拟试验奠定基础。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种污染土壤加速碳化试验器及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种污染土壤加速碳化试验器，包括从上到下依次连接的挡水顶板、样品仓和底座，所述的挡水顶板罩设在样品仓上端，所述的样品仓包括样品仓主体，以及分别设置在样品仓主体上下两端的样品仓上端法兰和样品仓下端法兰，所述的底座包括底座法兰和设置在底座法兰下方的集液槽，所述的样品仓下端法兰与底座法兰密封连接。

所述的挡水顶板呈直圆锥面形，所述的样品仓主体呈圆柱体形，所述的挡水顶板罩设在样品仓上端法兰上，防止加速碳化模拟试验过程中高湿度形成的外部水流进入样品，避免样品间的交叉污染。

所述的挡水顶板的圆锥侧面上设有至少两个螺纹孔，并通过与所述螺纹孔相匹配的顶部螺栓与样品仓上端法兰连接。

所述的样品仓下端法兰下端设有第一凹槽，该第一凹槽内设有与其匹配的样品仓端O型圈，所述的底座法兰上端设有第二凹槽，该第二凹槽内设有与其匹配的底座端O型圈，所述的样品仓下端法兰与底座法兰通过底部螺栓密封连接，第一凹槽与第二凹槽分别与样品仓端O型圈和底座端O型圈适配，起到了良好的密封作用。

所述的样品仓端O型圈和底座端O型圈的材质均为聚四氟乙烯。

所述的底座法兰上端设有支撑片，该支撑片上铺设滤膜，防止污染土壤样品的固相颗粒随水流进入集液槽。

所述的滤膜的材质为玻璃纤维。

所述的集液槽的形状为顶点向下的直圆锥面。

所述的底座法兰中心处设有导流孔，该导流孔周围设有支架，所述的集液槽通过支架与底座法兰相连接。

所述的底座法兰下端设有至少三个支撑腿，以支撑试验器并保证水平放置，所述的支撑腿底端设有脚垫，增加试验器与接触面的摩擦力。

一种污染土壤加速碳化试验器的应用，包括以下步骤：

(a)将样品仓端O型圈和底座端O型圈分别放入第一凹槽与第二凹槽中，然后在底座法兰上端依次铺设支撑片和滤膜，再通过底部螺栓将样品仓下端法兰与底座法兰紧密连接；

(b)将固化稳定处理后的待测试污染土壤样品放入样品仓，通过顶部螺栓将样品仓上端法兰与挡水顶板连接；

(c)将加速碳化试验器置入已设置好参数的碳化箱中，对污染土壤样品进行性能测试。

所述的污染土壤加速碳化试验器的应用，具体包括以下步骤：

(一)污染土壤固化稳定化处理和养护

根据试验方案中污染土壤用量、固化剂/稳定剂添加比例、水分含量和混匀方式，对污染土壤进行固化稳定化处理，得到待测试污染土壤样品；

(二)加速碳化试验器清洗

根据土壤污染物的种类对加速碳化试验器采取相应的清洗措施；

(三)加速碳化试验器安装及样品放置

1)连接底座和样品仓

将样品仓端O型圈和底座端O型圈分别放入第一凹槽与第二凹槽中，然后在底座法兰上端依次铺设支撑片和滤膜，再通过底部螺栓将样品仓下端法兰与底座法兰紧密连接；

2)放入固化稳定化处理后的污染土壤样品

将固化稳定处理后的待测试污染土壤样品放入样品仓，稳定化处理后的污染土壤一般呈松散的颗粒状，可向土壤中放置土壤溶液取样器的取样头、延长管和接头，以便将集液槽收集的渗滤水回注入土壤中；

3)安装挡水顶板

通过顶部螺栓将样品仓上端法兰与挡水顶板连接，防止试验过程中外部水流进入样品，避免样品间的交叉污染；

(四)碳化箱条件设置

参照GB/T 50082-2009的具体流程，根据加速碳化试验方案设置碳化箱中的二氧化碳浓度、相对湿度和温度；

(五)加速碳化试验器放入碳化箱

将装有固化稳定化处理的污染土壤样品的加速碳化试验器放入碳化箱，各加速碳化试验器之间应保持一定的间隔；

(六)加速碳化试验

根据加速碳化试验方案，保持碳化箱中的二氧化碳浓度、相对湿度和温度在设定范围内，直至试验结束；

(七)污染土壤性能测试

设定污染土壤固化块或稳定化土壤的检测指标，依据相应标准方法和流程进行测试；

(八)数据分析

对上述试验数据加以对比分析，探讨加速碳化对污染土壤固化稳定化处理效果的影响，为评估较长时间尺度上固化稳定化技术对土壤污染物的稳定效果提供数据支撑。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的加速碳化试验器借助样品仓容纳供试污染土壤样品，且通过上端直圆锥面状挡水顶板防止试验过程中高湿度形成的外部水流进入样品，避免样品间的交叉污染，该结构能确保碳化箱可以设置较高的相对湿度，而不影响试验结果；

(2)加速碳化试验器的样品仓上端开口，下端铺设滤膜，试验过程中二氧化碳与土壤样品充分接触，能够避免培养皿或其他容器由于底部不通气所导致的二氧化碳与样品接触面积小、土壤样品碳化程度不均等缺点；

(3)加速碳化试验器底座上设置导流口和集液槽，能够将从污染土壤样品渗漏的渗滤水收集起来，实现渗滤水的回注；并可测定渗滤水中污染物浓度，对浸出毒性数据进行修正，避免渗滤水损失带来的试验结果偏差。

附图说明

图1为本发明的污染土壤加速碳化试验器的结构示意图；

图中，1-样品仓主体，2-样品仓上端法兰，3-样品仓下端法兰，4-底座法兰，5-挡水顶板，6-样品仓端O型圈，7-底座端O型圈，8-滤膜，9-支撑片，10-支撑腿，11-脚垫，12-支架，13-集液槽，14-底部螺栓，15-顶部螺栓，16-螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种污染土壤加速碳化试验器，其结构如图1所示，包括从上到下依次连接的挡水顶板5、样品仓和底座，样品仓包括呈圆柱体形的样品仓主体1，以及分别设置在样品仓主体1上下两端的样品仓上端法兰2和样品仓下端法兰3，挡水顶板5呈直圆锥面形，并罩设在样品仓上端，挡水顶板5的圆锥侧面上设有两个螺纹孔16，通过与该螺纹孔16相匹配的顶部螺栓15与样品仓上端法兰2连接，样品仓下端法兰3下端设有第一凹槽，该第一凹槽内设有与其匹配的聚四氟乙烯材质的样品仓端O型圈6，底座法兰4上端设有第二凹槽，该第二凹槽内设有与其匹配的聚四氟乙烯材质的底座端O型圈7，样品仓下端法兰3与底座法兰4通过底部螺栓14密封连接，底座法兰4上端依次铺设支撑片9与滤膜8，滤膜8的材质为玻璃纤维，底座法兰4中心设有导流孔，导流孔周围设有支架12，集液槽13形状为顶点在下端的直圆锥面，并通过连接支架12设置在底座法兰4下方，底座法兰4下端设有三个支撑腿10，支撑腿10上设有脚垫11。

实施例2

利用实施例1所述的污染土壤加速碳化试验器进行试验，模拟较长时间尺度上二氧化碳浓度升高时不同固化剂对土壤污染物的长期固化效果，模拟试验流程如下：

(一)、污染土壤固化处理和养护

选用三种固化剂对污染土壤进行固化处理，三种固化剂分别为42.5强度等级的硅酸盐水泥、生石灰、生石灰/粉煤灰(质量比1:1)，重金属污染土壤采自上海市浦东新区，固化剂的添加比例均为10％，水灰比均为1:3，每种固化剂处理设置12次重复，共计36个样品；

为每个样品称取1620g土壤(湿重)和162g固化剂，量取51ml去离子水；将称量的污染土壤、固化剂和去离子水放入混合搅拌设备，混合均匀，装入试模进行固化处理；在室温条件下养护24h后进行脱模；固化体在室温条件下养护28d；

(二)、加速碳化试验器清洗

用1mol/L的稀硝酸浸泡过夜，并用大量去离子水清洗。

(三)、加速碳化试验器安装及样品放置

(1)连接底座和样品仓

安装样品仓端O型圈6、底座端O型圈7，在底座法兰4上依次铺设支撑片9和孔径为0.65μm的玻璃纤维滤膜8，并通过底座法兰4、样品仓下端法兰3以及底部螺栓14将底座和样品仓连接；

(2)放入固化处理后的污染土壤样品

养护完成后，将每种固化剂处理的6个重复样品分别放入一个加速碳化试验器的样品仓，其余样品继续在室温下养护；

(3)安装挡水顶板5

通过顶部螺栓15将样品仓上端法兰2和挡水顶板5连接起来，防止试验过程中外部水流进入样品，避免样品间的交叉污染；

(四)、碳化箱条件设置

将箱内二氧化碳浓度控制在(20±3)％，相对湿度控制在(70±5)％，温度控制在(20±2)℃的范围内；

(五)、加速碳化试验器放入碳化箱

将装有污染土壤固化块的加速碳化试验器放入碳化箱，各加速碳化试验器之间保持至少10cm的间隔。

(六)、加速碳化试验

土壤固化块加速碳化处理28d后取出；

(七)、污染土壤性能测试

对于每种固化剂的处理，分别抽取室温下养护的3个固化块和经加速碳化处理的3个固化块，测定其无侧限抗压强度；剩余室温下养护的3个固化块以及经加速碳化处理的3个固化块，经过破碎后测定其浸出毒性；对于经过加速碳化处理的样品，用1mol/L稀硝酸清洗加速碳化试验器，将清洗液汇入集液槽13，测定其中污染物浓度，以对相应的浸出毒性数据进行校正；

(八)、数据分析

将室温下养护和经加速碳化处理的固化块的无侧限抗压强度、浸出毒性数据加以对比分析，探讨加速碳化对污染土壤固化处理效果的影响，为评估较长时间尺度上固化技术对土壤污染物的稳定效果提供数据支撑。

实施例3

利用实施例1所述的污染土壤加速碳化试验器进行试验，模拟较长时间尺度上二氧化碳浓度升高时不同稳定剂对土壤污染物的长期稳定效果，模拟试验流程与实施例2基本相同，不同之处在于：

(一)、污染土壤稳定化处理和养护：选用三种稳定剂对污染土壤进行稳定化处理，三种稳定剂分别为生石灰、硫化钠和磷酸氢二钾，每种稳定剂处理设置6次重复，共计18个样品，在室温条件下养护7d，其余参数和流程不变；

(三)加速碳化试验器安装及样品放置

(2)放入稳定化处理后的污染土壤样品：养护完成后，将每种稳定剂处理的3个重复样品分别放入一个试验器的样品仓，同步向土壤中放置土壤溶液取样器的取样头、延长管和接头；其余样品继续在室温下养护；

(六)、加速碳化试验：试验过程中，采用专用注射器抽取集液槽中的渗滤水，并与土壤溶液取样器的接头连接，通过延长管、取样头将渗滤水回注入土壤中，加速碳化处理28d后取出；

(七)、污染土壤性能测试：测定样品的浸出毒性，不测定无侧限抗压强度，其余流程不变；

(八)、数据分析：只分析浸出毒性数据，其余流程不变，探讨加速碳化对污染土壤稳定化处理效果的影响，为评估较长时间尺度上稳定化技术对土壤污染物的稳定效果提供数据支撑。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种污染土壤加速碳化试验器，其特征在于，包括从上到下依次连接的挡水顶板(5)、样品仓和底座，所述的挡水顶板(5)罩设在样品仓上端，所述的样品仓包括样品仓主体(1)，以及分别设置在样品仓主体(1)上下两端的样品仓上端法兰(2)和样品仓下端法兰(3)，所述的底座包括底座法兰(4)和设置在底座法兰(4)下方的集液槽(13)，所述的样品仓下端法兰(3)与底座法兰(4)密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种污染土壤加速碳化试验器，其特征在于，所述的挡水顶板(5)呈直圆锥面形，所述的样品仓主体(1)呈圆柱体形，所述的挡水顶板(5)罩设在样品仓上端法兰(2)上。

3.根据权利要求2所述的一种污染土壤加速碳化试验器，其特征在于，所述的挡水顶板(5)的圆锥侧面上设有至少两个螺纹孔(16)，并通过与所述螺纹孔(16)相匹配的顶部螺栓(15)与样品仓上端法兰(2)连接。

4.根据权利要求1所述的一种污染土壤加速碳化试验器，其特征在于，所述的样品仓下端法兰(3)下端设有第一凹槽，该第一凹槽内设有与其匹配的样品仓端O型圈(6)，所述的底座法兰(4)上端设有第二凹槽，该第二凹槽内设有与其匹配的底座端O型圈(7)，所述的样品仓下端法兰(3)与底座法兰(4)通过底部螺栓(14)密封连接。

5.根据权利要求4所述的一种污染土壤加速碳化试验器，其特征在于，所述的样品仓端O型圈(6)和底座端O型圈(7)的材质均为聚四氟乙烯。

6.根据权利要求1所述的一种污染土壤加速碳化试验器，其特征在于，所述的底座法兰(4)上端设有支撑片(9)，该支撑片(9)上铺设滤膜(8)。

7.根据权利要求6所述的一种污染土壤加速碳化试验器，其特征在于，所述的滤膜(8)的材质为玻璃纤维。

8.根据权利要求1所述的一种污染土壤加速碳化试验器，其特征在于，所述的底座法兰(4)中心处设有导流孔，该导流孔周围设有支架(12)，所述的集液槽(13)通过支架(12)与底座法兰(4)相连接。

9.根据权利要求1所述的一种污染土壤加速碳化试验器，其特征在于，所述 的底座法兰(4)下端设有至少三个支撑腿(10)，该支撑腿(10)底端设有脚垫(11)。

10.一种如权利要求4～9任一所述的污染土壤加速碳化试验器的应用，其特征在于，包括以下步骤：

(a)将样品仓端O型圈(6)和底座端O型圈(7)分别放入第一凹槽与第二凹槽中，然后在底座法兰(4)上端依次铺设支撑片(9)和滤膜(8)，再通过底部螺栓(14)将样品仓下端法兰(3)与底座法兰(4)紧密连接；

(b)将固化稳定处理后的待测试污染土壤样品放入样品仓，通过顶部螺栓(15)将样品仓上端法兰(2)与挡水顶板(5)连接；

(c)将加速碳化试验器置入已设置好参数的碳化箱中，对污染土壤样品进行性能测试。