CN105728457A - 一种土壤电动力修复局部强化装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土壤电动力修复局部强化装置及其应用。本发明提供的土壤电动力修复局部强化装置包括外套层以及外套层包裹的两个腔体，所述两个腔体中分别填充浸有导电性溶液的海绵体和氢型阳离子交换树脂。在直流电场的作用下，上游的重金属离子逐渐富集在高导电带中，高导电带中的离子则迁移到氢型阳离子交换树脂带中，发生离子交换后，氢型阳离子交换树脂释放出H⁺，由于酸的释放，下游的土壤得到酸化，有效抑制下游土壤pH值的升高，从而有利于土壤中重金属离子的解吸，增强了电动力修复效果。

Description

一种土壤电动力修复局部强化装置及其应用

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，特别涉及一种土壤电动力修复局部强化装置及其应用。

背景技术

电动力修复是在被污染土壤的两端加上直流电极，实现去除污染物修复土壤的目的。基本机理是：土壤中水在电场的作用下发生电解反应，阳极产生氧气和氢离子，阴极产生氢气和氢氧根离子。阳极产生的H⁺在电场和浓度梯度的作用下，向土壤内部迁移和扩散，形成一个酸区。H⁺在迁移和扩散的过程中，解吸土壤吸附的重金属离子，并且与土壤中重金属氧化物、氢氧化物和碳酸盐等沉淀物反应，使土壤中沉淀形式的重金属污染物转化为离子态(具有电荷)后，在电场力的作用下，主要以离子迁移和电渗的方式朝阴极方向定向迁移，进入电极的工作液里，使得污染物从土壤中分离达到去除的效果。

土壤电动力修复中，目标重金属在电动力修复过程中在某一区域出现聚集，导致浓度升高，形成高浓度或相对高浓度带或点，称之为聚焦现象。聚焦现象产生的原因一般认为是由于重金属离子在迁移过程中与OH-离子或其他阴离子发生反应生成沉淀而逐渐富集，或是在离子浓度高的区域，土壤电压梯度小，当目标污染物离子迁移到该区域时，移动速率显著下降，造成局部富集。从土壤中目标重金属污染物浓度的角度看，聚焦带出现的位置与目标重金属污染物浓度的初始分布情况并无直接关系，这严重影响了土壤电动力修复的整体效果和电流效率，甚至可能导致整个土壤电动力修复工作失败。此外，聚焦带中目标重金属污染物的移动速度非常缓慢，远远低于在非聚焦带的移动速度，导致整个场地电动修复时间延长数倍、电耗也相应增加数倍。聚焦现象导致的实地修复效果、费用及时间的不稳定性是电动力土壤修复工程实际应用成败的主要原因之一。

申请号201110082498.7的中国专利公开了一种利用离子诱导电压阱捕集效应，在阴阳两极之间建造人工高电导土壤带以制造人工聚焦带，将上游的污染物截留在人工聚焦带内，下游的污染物仍然迁移进入电极工作液中去除，富集了污染物的人工聚焦带被挖掘出来采用异位法进行处理和处置。该方法虽然采用了人工聚焦去除重金属污染物，但是人工高电导性土壤增加了土壤中的离子含量，在修复过程中，这些离子大量进入下游待修复的土壤中，会使得人工高导电带下游土壤(高导电带释放出的离子，其迁移路径上的土壤)离子浓度升高，修复更加困难，此外，大量添加的离子引入到土壤中，将“淹没”土壤中的污染物离子，当外加电流不变时，使得作用于污染物离子上的有效电流量减少，修复效率下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤电动力修复局部强化装置及其应用。本发明提供的土壤电动力修复局部强化装置可以有效提高土壤电动力修复效率。

本发明提供了一种土壤电动力修复局部强化装置，包括外套层以及外套层包裹的第一腔体和第二腔体；所述第一腔体内填充浸有导电性溶液的海绵体，所述第二腔体内填充氢型阳离子交换树脂。

优选的，所述导电性溶液的电导率为污染土壤浸出液电导率的10～20倍。

优选的，所述氢型阳离子交换树脂为变色氢型阳离子交换树脂。

优选的，所述氢型阳离子交换树脂中分布有多孔有机玻璃管，所述有多孔有机玻璃管内填充有变色氢型阳离子交换树脂。

优选的，所述氢型阳离子交换树脂的交换容量为导电性溶液中阳离子电荷总量的1.5～2倍。

优选的，所述导电性溶液为醋酸钠、醋酸钠缓冲液、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、磷酸钾和硫酸钾中至少一种的水溶液。

优选的，所述外套层的材质为透水防腐耐磨材料。

本发明还提供了上述技术方案所述土壤电动力修复局部强化装置在土壤电动力修复中的应用，包括以下步骤：

(1)将土壤电动力修复局部强化装置置于阳极和阴极之间的污染土壤中，使所述第一腔体靠近阳极一侧，所述第二腔体靠近阴极一侧；

(2)在阴阳两极间施加直流电压，进行污染土壤的电动力修复。

优选的，所述污染土壤在电动力修复过程中的含水率不低于25％。

本发明提供的土壤电动力修复局部强化装置包括外套层以及外套层包裹的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体内填充浸有导电性溶液的海绵体，所述第二腔体内填充氢型阳离子交换树脂，在直流电场的作用下，上游的重金属离子逐渐富集在高导电带中，高导电带中的离子则迁移到氢型阳离子交换树脂带中，进行离子交换，使氢型阳离子交换树脂释放出H⁺，避免了高导电带中的阳离子进入下游的土壤，同时由于酸的释放，下游的土壤得到酸化，有效抑制下游土壤pH值的升高，从而有利于土壤中重金属离子的解吸，增强了电动力修复效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的土壤电动力修复局部强化装置的腔体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的土壤电动力修复局部强化装置的腔体内填充物的俯视图；

图3为本发明实施例提供的土壤电动力修复局部强化装置的腔体内填充物的纵截面示意图；

图4为本发明实施例提供的土壤电动力修复局部强化装置的应用示意图；

图中，1是土壤电动力修复局部强化装置的外套层；2是第一腔体；3是第二腔体；4是浸有导电性溶液的海绵体；5是氢型阳离子交换树脂；6是多孔有机玻璃管；7是多孔有机玻璃管内填充的变色氢型阳离子交换树脂；8是污染的土壤；9是阳极；10是阴极。

具体实施方式

本发明提供了一种土壤电动力修复局部强化装置，包括外套层1以及外套层包裹的第一腔体2和第二腔体3；所述第一腔体2内填充浸有导电性溶液的海绵体4，所述第二腔体3内填充有氢型阳离子交换树脂5。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述土壤电动力修复局部强化装置为长方体；所述长方体垂直电场方向的侧面的尺寸与电极覆盖的范围相同。在本发明中，所述外套层1的材质优选为透水防腐耐磨材料，更优选为复合土工布、无纺布或尼龙布；所述外套层的厚度优选为2～6mm，更优选为3～5mm。本发明对所述第一腔体2和第二腔体3的形状和尺寸没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的腔体形状和尺寸即可。在本发明的实施例中，所述腔体2和腔体3为体积相同的两个腔体。具体的，在本发明的实施例中，在所述外套层内设置一隔板，将所述外套层的内部空腔隔为第一腔体和第二腔体。在本发明中，所述隔板优选采用与外套层相同的材质。

在本发明中，所述第一腔体内填充浸有导电性溶液的海绵体。在本发明中，所述导电性溶液的电导率优选为污染土壤浸出液电导率的10～20倍，更优选为12～18倍。本发明对所述导电性溶液的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的导电性溶液即可。在本发明中，所述导电性溶液中的导电物质根据土壤中污染物修复对象的具体要求而变；当需要在下游的土壤中产生弱酸性土壤环境时，使用有机酸盐作为导电物质；当土壤中会形成氯化物沉淀时，不能选用可溶性氯化盐。在本发明中，所述导电性溶液优选为醋酸钠、醋酸钠缓冲液、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、磷酸钾和硫酸钾中至少一种的水溶液。在本发明中，所述浸有导电性溶液的海绵体的浸润程度优选为饱和浸润。本发明优选使所述海绵体填充满第一腔体。本发明对所述海绵体的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的海绵体即可。在本发明中，所述海绵体优选为聚乙烯醇型海绵体。

在本发明中，所述第二腔体内填充内填充有氢型阳离子交换树脂。在本发明中，所述氢型阳离子交换树脂的交换容量优选为导电性溶液中阳离子电荷总量的1.5～2倍，更优选为1.6～1.9倍。本发明优选使所述氢型阳离子交换树脂填充满第二腔体。

在本发明的一个实施例中，所述氢型阳离子交换树脂为变色氢型阳离子交换树脂。本发明对所述变色氢型阳离子交换树脂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的变色氢型阳离子交换树脂的市售商品即可。在本发明中，所述变色氢型阳离子交换树脂优选为登科普瑞(北京)科技有限公司的UPM-11变色树脂再生型(H型)。在本发明中，所述变色树脂在失效前后颜色变化显著，通过颜色变化判断装置运行情况，当变色氢型阳离子交换树脂失效程度超过设定要求时，更换新的土壤电动力修复局部强化装置。

在本发明的另一个实施例中，当所述氢型阳离子树脂为非变色氢型阳离子交换树脂时，如图3所示，所述非变色氢型阳离子交换树脂5中分布着变色氢型阳离子交换树脂7填充的多孔有机玻璃管6。在本实施例中，所述变色氢型阳离子交换树脂7与上述技术方案所述变色氢型阳离子交换树脂种类一致，在此不再赘述。在本发明中，所述多孔有机玻璃管6垂直于电场方向分布于氢型阳离子交换树脂带中间。本发明对所述多孔有机玻璃管的形状及尺寸没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的多孔有机玻璃管即可。在本发明中，所述多孔有机玻璃管优选为圆柱体或长方体；所述多孔有机玻璃管的高度优选为与腔体深度相同；所述圆柱体的直径优选为不低于1cm，更优选为2～3cm；所述长方体的长和宽优选为不低于1cm，更优选为2～3cm。在本发明中，所述多孔有机玻璃管优选在底部和侧面均匀分布着孔；所述孔的直径优选为小于树脂粒径，更优选为小于0.3mm，最优选为小于0.2mm。在本发明中，所述多孔玻璃管使管内、外树脂不发生混合，且对溶液流动的阻力小。

本发明还提供了一种上述技术方案所述土壤电动力修复局部强化装置在土壤电动力修复中的应用，包括以下步骤：

(1)将土壤电动力修复局部强化装置置于阳极和阴极之间的污染土壤中，使所述浸有导电性溶液的海绵体填充的腔体靠近阳极一侧，所述填充氢型阳离子交换树脂的腔体靠近阴极一侧；

(2)在阴阳两极间施加直流电压，进行污染土壤的电动力修复。

本发明优选对污染土壤浸出液的电导率进行测定，作为导电性溶液的配制依据。

本发明将土壤电动力修复局部强化装置置于阴极和阳极之间的污染土壤中。如图4所示，在本发明的实施例中，在阳极9和阴极10之间的污染土壤8中挖出与上述技术方案所述电动力修复局部强化装置的外套层1大小相同的坑，将局部强化装置外套层1放入坑中，使外套层1与坑内表面之间紧贴在一起。更进一步的，在本发明的实施例中，为了消除缝隙，将坑底和坑壁修理平整，使用薄海绵作为垫层。

土壤电动力修复局部强化装置安装完成后，本发明在阳极9和阴极10之间施加直流电压，进行污染土壤的电动力修复。在本发明中，所述污染土壤在电动力修复过程中的含水率优选为不低于25％，更优选为40～50％。在本发明的实施例中，如图4所示，在电场作用下，由于聚焦效应，上游的重金属阳离子在浸满高导电性溶液的海绵体4中逐渐富集，同时海绵体内离子迁移到氢型阳离子交换树脂5和变色氢型阳离子交换树脂7中，发生离子交换，释放出氢离子，氢型阳离子交换树脂5和变色氢型阳离子交换树脂7逐渐失效。在本发明中，优选通过定期检查变色氢型阳离子交换树脂的颜色变化判断装置运行情况，当变色氢型阳离子交换树脂失效程度超过设定要求时，停止通电，将土壤电动力修复用局部强化装置从土壤中取出，换上新的土壤电动力修复用局部强化装置，继续进行电动力修复，直到达到修复目标值为止。本发明优选在阳极和阴极之间建造多个土壤电动力修复局部，进一步提高污染物去除效率并缩短电动修复时间。

在本发明中，优选对富集了重金属的海绵体和失效的离子交换树脂进行再生处理，重复利用。本发明对所述再生处理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的再生处理的方法即可。在本发明中，所述再生处理优选为通过淋洗去除污染物。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，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。

Claims (9)

1.一种土壤电动力修复局部强化装置，包括外套层以及外套层包裹的第一腔体和第二腔体；所述第一腔体内填充浸有导电性溶液的海绵体，所述第二腔体内填充氢型阳离子交换树脂。

2.根据权利要求1所述的土壤电动力修复局部强化装置，其特征在于，所述导电性溶液的电导率为污染土壤浸出液电导率的10～20倍。

3.根据权利要求1或2所述的土壤电动力修复局部强化装置，其特征在于，所述氢型阳离子交换树脂为变色氢型阳离子交换树脂。

4.根据权利要求1或2所述的土壤电动力修复局部强化装置，其特征在于，所述氢型阳离子交换树脂中分布有多孔有机玻璃管，所述多孔有机玻璃管内填充有变色氢型阳离子交换树脂。

5.根据权利要求1所述的土壤电动力修复局部强化装置，其特征在于，所述氢型阳离子交换树脂的交换容量为导电性溶液中阳离子电荷总量的1.5～2倍。

6.根据权利要求1或2所述的土壤电动力修复局部强化装置，其特征在于，所述导电性溶液为醋酸钠、醋酸钠缓冲液、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、磷酸钾和硫酸钾中至少一种的水溶液。

7.根据权利要求1所述的土壤电动力修复局部强化装置，其特征在于，所述外套层的材质为透水防腐耐磨材料。

8.权利要求1～7中任意一项所述土壤电动力修复局部强化装置在土壤电动力修复中的应用，包括以下步骤：

(1)将土壤电动力修复局部强化装置置于阳极和阴极之间的污染土壤中，使所述第一腔体靠近阳极一侧，所述第二腔体靠近阴极一侧；

(2)在阴阳两极间施加直流电压，进行污染土壤的电动力修复。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述污染土壤在电动力修复过程中的含水率不低于25％。