CN105728453B - 一种通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法,包括以下步骤:在矩阵电极单元内,根据污染物浓度空间分布,设计辅助电极布设位置;根据辅助电极与矩阵电极的位置关系,设计辅助电极的极性;通过辅助电极与矩阵电极构建非均匀电场,实现电场强度的空间补偿。本发明根据污染物浓度的空间分布,在矩阵电极的基础上,通过辅助电极的空间布设与极性设定,构建了与污染物浓度场相匹配的非均匀电场,解决了污染物空间分布的异质性与均匀电场去除效率一致性的矛盾,避免电动修复有机污染土壤效率的空间差异,从而提高电动修复的整体空间修复效率。
Description
技术领域
本发明涉及有机污染土壤的修复技术,具体说是一种通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法。
背景技术
电动方法修复有机污染土壤是目前一种新兴技术。在已有的电动修复过程中,将成对电极插入到污染土壤中,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有机污染物。
前期研究过程中利用M×N个矩阵电极等距网格排列,通过周期性的正、负极的极性切换,形成实现了的全覆的均匀电场,(CN 102294350B)。但由于土壤中有机污染物浓度的空间分布存在异质性,且降解效率与电场强度有关,会导致均匀电场条件下,污染物修复后的残留量空间变异性很大,无法实现有机污染土壤整体修复效率达标。
因此,针对土壤中有机污染物空间分布的异质性与均匀电场去除效率一致性的矛盾,如何在污染物高浓度区,通过增设辅助电极,设定极性与切换方式,构建非均匀的电场,可以补偿污染物高浓度区的电场强度,避免电动修复有机污染土壤效率的空间差异,对提高电动修复有机污染土壤的整体效率具有重大意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法,包括以下步骤:
在矩阵电极单元内,根据污染物浓度空间分布确定辅助电极布设位置,并插入辅助电极;
根据辅助电极与矩阵电极的位置关系,控制辅助电极的极性;
通过辅助电极与矩阵电极构建的非均匀电场,实现电场强度的空间补偿。
所述根据污染物浓度空间分布确定辅助电极布设位置包括以下步骤:
以相邻的4个矩阵电极为单元;
当该矩阵电极单元内存在污染物浓度高于阈值的区域时,则该区域的几何中心位置为辅助电极的布设位置。
所述根据辅助电极与矩阵电极的位置关系,控制辅助电极的极性包括以下步骤:
di为辅助电极与第i个矩阵电极的距离,n=4;污染物平均去除率对应的场强E与最近矩阵电极的距离为R;
当时,使相邻矩阵电极的极性相反,辅助电极极性与距离最近的矩阵电极极性相反;
当时,使矩阵电极的极性相同,辅助电极极性与矩阵电极极性相反。
所述通过辅助电极与矩阵电极构建非均匀电场具体为:通过辅助电极与矩阵电极的极性同时进行正负切换,构建非均匀电场。
本发明具有以下优点及有益效果:
本发明根据污染物浓度的空间分布,在矩阵电极的基础上,通过辅助电极的空间布设与极性设定,构建了与污染物浓度场相匹配的非均匀电场,实现了污染物高浓度区中场强的有效补偿,解决了污染物空间分布的异质性与均匀电场去除效率一致性的矛盾,避免电动修复有机污染土壤效率的空间差异,从而提高电动修复的整体空间修复效率。
附图说明
图1为实施例1中辅助电极位置、极性切换与非均匀电场图;
其中,图1-1为实施例1矩阵电极布设与场强等值线示意图;
图1-2为实施例1辅助电极位置布设示意图;
图1-3为实施例1辅助电极与矩阵电极极性切换示意图
图1-4为实施例1非均匀电场示意图;
图2为实施例2中辅助电极位置、极性切换与非均匀电场图;
其中,图2-1为实施例2矩阵电极布设与场强等值线示意图;
图2-2为实施例2辅助电极位置布设示意图;
图2-3为实施例2辅助电极与矩阵电极极性切换示意图
图2-4为实施例2非均匀电场示意图。
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。
一种通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法,包括以下步骤:
(1)在矩阵电极单元内,根据污染物浓度空间分布,设计辅助电极布设位置;
(2)根据辅助电极与矩阵电极的位置关系,设计辅助电极的极性;
(3)通过辅助电极与矩阵电极构建非均匀电场,实现电场强度的空间补偿。
所述的辅助电极布设位置设计具体为:
(1)以相邻的4个矩阵电极为单元,相邻矩阵电极距离为L;
(2)在矩阵电极单元内,若存在污染物的高浓度区,则该高浓度区的几何中心位置,为辅助电极的布设位置;
(3)在矩阵电极单元内,若不存在污染物的高浓度区,则不布设辅助电极。
所述的辅助电极的极性设计具体为:
(1)辅助电极与矩阵电极的距离为d,并以污染物平均去除率对应的场强E,确定辅助电极的极性判别距离R;
(2)当时,设相邻矩阵电极的极性相反,辅助电极极性与距离最近的矩阵电极极性相反;di为辅助电极与第i个矩阵电极的距离;
(3)当时,设矩阵电极的极性相同,辅助电极极性与矩阵电极极性相反;
所述的非均匀电场具体为:
(1)根据辅助电极的布设位置,与辅助电极的极性设计,通过辅助电极与矩阵电极极性的正负切换,构建了非均匀电场;
(2)非均匀电场的场强分布与污染物浓度场分布基本一致,有效减少了污染物浓度的空间变异性。
所述的污染物浓度空间分布具体为:
(1)通过网格采样并测定采样点的污染物浓度,再利用克里格空间插值形成污染物空间浓度的连续分布;
(2)以污染物浓度的均值μ和标准差δ之和为阈值,将污染物浓度空间分布划分为高浓度区和低浓度区。
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,非均匀配制成40g/kg~50g/kg石油污染土壤,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%,装入到电动修复反应槽内(长20cm×宽20cm×高15cm)。
石油类污染物浓度的空间分布,是在反应槽内通过网格布点法,共采集25个样品(5×5)。采用红外分光光度法,测得石油类污染物浓度成含油量均值μ=44.5g/kg,标准差δ=7.2g/kg,空间变异系数CV=16.2%。以污染物浓度的均值与标准差之和,即μ+δ=51.7g/kg为阈值,将污染物浓度空间分布划分为高浓度区和低浓度区。其中,高浓度区占总面积的10.1%,低浓度区面积占总面积的89.9%。
如图1-1所示,矩阵电极以2×2的行列形式布设,矩阵电极分别编号为1#~4#电极,电极间距L为20cm。外加电压为36V,矩阵电极形成的均匀电场强度≥0.8V/cm,。辅助电极与矩阵电极的材质均为石墨电极(直径1cm,高20cm),外加电压也为36V。
本实施例中通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法的具体步骤是:1)根据污染物浓度空间分布,设计辅助电极布设位置;2)根据辅助电极与矩阵电极的位置关系,设计辅助电极的极性;3)通过辅助电极与矩阵电极构建非均匀电场,实现电场强度的空间补偿。
步骤一、辅助电极布设位置的设计具体如下:
如图1中图1-1~图1-2所示,在4个矩阵电极构成的均匀电场中,石油类污染物高浓度区的几何中心位置,为辅助电极(5#电极)的布设位置。
步骤二、辅助电极极性的设计具体如下:
前期研究结果表明,石油类污染物在电动修复条件下,污染物去除率在空间上与电极距离呈负相关,且场强在空间上也与电极距离呈负相关,所以,污染物在空间上的平均去除率,对应的场强值可形成一组等值线。
本实施例中,石油类污染物平均去除率对应的场强E=1.0V/cm,如图1-1,所示,该场强等值线形成了以矩阵电极为中心,半径为R=L/2的一组等值线。
由于辅助电极与矩阵电极距离(d)的关系,满足因此,如图1-3所示,设相邻矩阵电极的极性相反,辅助电极极性与距离最近的矩阵电极极性相反,即1#电极、3#电极、5#电极的极性相同,2#电极、4#电极的极性相同,且1#电极、3#电极、5#电极与2#电极、4#电极的极性相反。
步骤三、非均匀电场的构建具体如下:
辅助电极与矩阵电极极性,可以通过极性切换控制器调整。如图1-3所示,保持辅助电极与矩阵电极的极性切换,构建了与污染物浓度场相匹配的非均匀电场(图1-4)。电极极性切换的时间周期t=4h,总修复时间为T=60d。
修复结果见附表1。
表1
实施例2
与实施例1不同之处在于:
石油类污染物浓度成含油量均值μ=34.3g/kg,标准差δ=8.8g/kg,空间变异系数CV=25.7%。以污染物浓度的均值与标准差之和,即μ+δ=43.1g/kg为阈值,将污染物浓度空间分布划分为高浓度区和低浓度区。其中,高浓度区占总面积的20.7%,低浓度区面积占总面积的79.3%。
如图2中图2-1~图2-4所示,本实施例中,由于辅助电极与矩阵电极的距离关系,满足因此,如图2-3所示,设矩阵电极的极性相同,辅助电极极性与矩阵电极极性相反,即1#电极、2#电极、3#电极、4#电极的极性相同,且1#电极、2#电极、3#电极、4#电极与5#电极的极性相反。
如图2-3所示,通过保持辅助电极与矩阵电极的极性切换,构建了与污染物浓度场相匹配的非均匀电场(图2-4)。修复结果见附表2。
表2
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 (3)
1.一种通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法,其特征在于包括以下步骤:
在矩阵电极单元内,根据污染物浓度空间分布确定辅助电极布设位置,并插入辅助电极;
根据辅助电极与矩阵电极的位置关系,控制辅助电极的极性;
通过辅助电极与矩阵电极构建的非均匀电场,实现电场强度的空间补偿;
所述根据辅助电极与矩阵电极的位置关系,控制辅助电极的极性包括以下步骤:
di为辅助电极与第i个矩阵电极的距离,n=4;污染物平均去除率对应的场强E与最近矩阵电极的距离为R;
当时,使相邻矩阵电极的极性相反,辅助电极极性与距离最近的矩阵电极极性相反;
当时,使矩阵电极的极性相同,辅助电极极性与矩阵电极极性相反。
2.按权利要求1所述的通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法,其特征在于,所述根据污染物浓度空间分布确定辅助电极布设位置包括以下步骤:
以相邻的4个矩阵电极为单元;
当该矩阵电极单元内存在污染物浓度高于阈值的区域时,则该区域的几何中心位置为辅助电极的布设位置。
3.按权利要求1所述的通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法,其特征在于,所述通过辅助电极与矩阵电极构建非均匀电场具体为:通过辅助电极与矩阵电极的极性同时进行正负切换,构建非均匀电场。
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