CN105750322B - 一种基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法，包括以下步骤：根据待补偿场强位置周边电势差大小与电场线方向，确定成对导流电极的布设位置；根据成对导流电极的电势差与布设位置，计算待补偿场强位置的场强增强率与补偿后的场强值。本发明利用电场中电势的空间差异，沿电场线方向布设成对导流电极，实现局部场强的补偿，有利于提高有机污染土壤电动修复的总效率，减少修复效率的空间差异。

Description

一种基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法
技术领域
本发明涉及有机污染土壤电动修复的技术领域，具体说是一种基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法。
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有机污染物。
目前研究表明，有机污染物的降解主要是通过电化学氧化作用，污染物的降解率与电场强度成正相关。这种场强对有机污染物的降解，主要发生在电极周边，特别是阳极反应导致的酸性土壤区域。这是因为由良导体组成的电极为电子导体，其周边土壤发生电极反应，促进了电化学反应的进行，高效的降解了有机污染物。而土壤是离子导体，因此，在远离电极的土壤中，场强较弱，有机污染物的降解效率较低。
现阶段，为降低有机污染物降解率的空间，采用了电极布设与电极极性切换形成场强相对均匀电场的方式(CN 102294350 B)。但由于土壤中有机污染物的浓度分布不均匀，导致场强与污染物浓度场难以匹配。针对此问题，补偿场强的常用方法：一是从电势出发，通过改变待补偿场强区域周边的电极电势，控制场强的空间分布；二是从电极密度出发，通过改变待补偿场强区域的电极密度，调整局部场强大小；三是两者相结合。
但这些方法均需利用外加电源，增加了能耗与维护成本，而且忽视了已有电场本身电势在空间的梯度变化这一重要现状。因此，如何利用电场中电势差的变化，通过成对导流电极的布设方式，增强局部场强，构建与污染物浓度场相匹配的场强空间分布，强化有机污染物的降解，对提高有机污染土壤电动修复整体效率具有重要的意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法。
为实现上述目的本发明采用的技术方案为：一种基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法，包括以下步骤：
根据待补偿场强位置周边电势差与电场线方向，确定成对导流电极的布设位置，并插入成对导流电极。
所述成对导流电极由同材质的电极A和电极B，及连接两者的导线组成。
所述电极A和电极B平行设置，上端通过导线连接；电极A的上端和电极B的上端极性相反。
所述根据待补偿场强位置周边电势差与电场线方向，确定成对导流电极的布设位置，包括以下步骤：
1)确定待补偿区域的几何中心为待补偿场强位置c；
2)在待补偿场强位置c两侧等距设置电极A和电极B，并满足以下条件：
2.1)成对导流电极A和B的布设位置分别为a和b，a、b、c在同一条电场线f上；
2.2)位置a和b之间存在电势差；
2.3)位置a和b之间的电势沿电场线方向的变化为单调增或单调减。
所述插入成对导流电极后，根据成对导流电极的电势差与布设位置，计算待补偿场强位置的场强增强率与补偿后的场强值。
所述待补偿场强位置的场强增强率：
其中，I为待补偿场强位置c场强的增强率；Ua和Ub是位置a和b的电势；dac和dbc是位置a、b分别与位置c的距离；Ec是位置c原有的场强；K是介质中电势的衰减系数。
所述补偿后的场强值
E＝(1+I)×Ec
其中，E为待补偿场强位置c补偿后的场强；I为待补偿场强位置c原有场强的增强率；Ec是位置c原有的场强。
本发明具有以下优点及有益效果：
本发明基于电场中电势的空间差异，沿电场线方向布设成对导流电极，利用电极作为电子导体的特征，替代作为离子导体的土壤，实现局部场强的补偿，加速局部有机污染物的电化学反应，有利于提高有机污染土壤电动修复的总效率，减少修复效率的空间差异。
附图说明
图1是本发明中成对导流电极装置组成图；
图2是本发明实施例1中电场中电势等值线与场强的空间分布示意图；
图3是本发明实施例1中待补偿场强位置与成对导流电极布设位置；
图4是本发明实施例2中待补偿场强位置与成对导流电极布设位置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法，包括以下步骤：
(1)根据待补偿场强位置周边电势差大小与电场线方向，确定成对导流电极的布设位置；
(2)根据成对导流电极的电势差与布设位置，计算待补偿场强位置的场强增强率与补偿后的场强值。
所述成对导流电极具体为：
(1)由同材质的电极A和电极B，及连接两者的导线组成；
(2)将导线相连的电极A与电极B，置于电场中，形成闭合回路，通过局部电极反应，实现场强补偿。
所述成对导流电极的布设位置，应满足以下条件：
(1)成对导流电极A和B的布设位置a和b，需覆盖待补偿场强位置c；
(2)位置a、b、c需在同一条电场线f上；
(3)位置a和b之间存在电势差，即△U＝|Ua-Ub|>0；Ua、Ub分别为a、b点电势；
(4)位置a和b之间的电势沿电场线方向的变化为单调增或单调减，即(Ux-Uy)×(x-y)>0(x、y∈{电场线f上a、b之间任意两点，且x≠y})
所述场强的增强率与补偿后的场强值，具体技术方法为：
(1)按上述条件布设导流电极后，位置c场强的增强率I，如公式(1)所示：
公式(1)
其中，I为位置c场强的增强率(％)；Ua和Ub是位置a和b的电势(V)；dac和dbc是位置a、b分别与位置c的距离(cm)；Ec是位置c原有的场强(V/cm)；K是介质中电势的衰减系数(cm-1)。
(2)补偿后的场强值E，计算方法如公式(2)
E＝(1+I)×Ec 公式(2)
其中，E为位置c补偿后的场强(V/cm)；I为位置c原有场强的增强率(％)；Ec是位置c原有的场强(V/cm)。
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，所采的土壤为壤土，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，配制成含油量约为45g/kg石油污染土壤。配制土壤自然风干放置7天，用去离子水调节含水率为20％，分成3个处理，即对照、电动修复与补偿场强电动修复，分别装入到修复装置(长20cm×宽10cm×高10cm)。
如图1所示，污染土壤修复装置为1×2的电极布设方式，电极材质为石墨，直径Φ＝1cm，高11cm，外加电压为20V。保持两根电极极性相反，形成电场如图2所示。电极极性切换时间为4h，修复时间为60d。
具体操作流程包括：
步骤1：根据电极布设位置与电场的空间分布，建立涵盖全电场的适宜坐标系，并根据污染物空间分布，确定待补偿场强位置；
(1)根据电极布设及电场的空间分布(图2)，建立以原有电极P1和电极P2连线为X轴(横轴)、电极P1和电极P2连线中垂线为Y轴(纵轴)的X-Y坐标系(图3)。其中，电极P1和电极P2的位置分别为(-10,0)和(10,0)。
(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。由于污染物空间分布的异质性，以污染物具含量较高的区域的几何中心处进行场强补偿，则待补偿场强位置c为(-6,0)。
步骤2：根据待补偿场强位置周边电势差大小与电场线方向，确定成对导流电极的布设位置；
(1)选择满足以下条件的位置a和b：
条件1：位置a、b、c需在同一条电场线f上；
条件2：位置a和b之间存在电势差，即△U＝|Ua-Ub|>0；
条件3：位置a和b之间的电势沿电场线方向的变化为单调增或单调减，即(Ux-Uy)×(x-y)>0(x、y∈{电场线f上a、b之间任意两点，且x≠y})。
(2)考虑电极的直径Φ，保证电极之间不重叠。在位置c两侧等距布设成对导流电极A和B，本实施例布设位置a和b分别为(-9,0)和(-3,0)。
(3)位置a、b、c均在y＝0的电场线上，a和b之间存在电势差，即△U＝|9.47-0.66|＝8.81>0，且位置a和b之间的电势沿电场线方向的变化为单调减。
步骤3：根据成对导流电极的电势差与布设位置，计算待补偿场强位置的场强增强率与补偿后的场强值；
(1)通过实验测得，本实施例中土壤为壤土，当含水率20％时，可通过位置c处电势的实测值与理论值比较计算场强衰减系数K，即位置c处的K＝U实测值/U理论值＝0.45；
(2)通过高精度电势测定仪，测定位置a、b、c处的电势值Ua、Ub、Uc；
(3)根据a、b、c在X-Y坐标系中的位置，计算得到a与c、b与c的距离值dac和dbc；
(4)根据实测值Uc及本实施例中场强的空间分布，计算位置c的场强Ec；
(5)上述公式(1)所需参数值，详见表1：
表1场强增强率计算参数
项目 K Ua Ub dac dbc Ec
单位 cm-1 V V cm cm V/cm
来源 实验 实测 实测 计算 计算 实测
数值 0.45 9.47 0.66 3 3 0.59
(2)根据公式(1)和公式(2)，计算待补偿场强位置c的场强增强率I和补偿后的场强值E分别为：
I＝0.45×|9.47×32+0.66×32|/(32×32×0.59)＝85.8％
E＝(1+0.858)×0.59＝1.10(V/cm)
步骤4：采样并对比修复结果；
(1)按照5×3的网格进行布点采样，采用红外分光光度法，测定土壤中石油类污染物浓度，即修复后的残留量；
(2)实验处理结果详见表2.
表2实验处理结果
实施例2：
与实施例1不同之处在于：
修复的污染土壤为芘污染土壤，芘含量约为100mg/kg，土壤为砂壤土。分成3个处理，即对照、电动修复与补偿场强电动修复，分别装入到修复装置(长24cm×宽12cm×高10cm)。
污染土壤修复装置为1×2的电极布设方式，电极材质为铁，直径Φ＝1cm，高11cm，外加电压为24V。保持两根电极极性相反。电极极性切换时间为2h，修复时间为30d。
具体操作流程包括：
步骤1：确定待补偿场强位置；
(1)根据电极布设及电场的空间分布，建立X-Y坐标系(图4)，电极P1和电极P2的位置分别为(-12,0)和(12,0)。
(2)以本实施例中污染物具含量较高的区域的几何中心处进行场强补偿，则待补偿场强位置c为(5,0)。
步骤2：确定成对导流电极的布设位置；
(1)综合电场特性、a、b、c的位置，及电极的直径Φ，在位置c两侧等距布设成对导流电极A和B，布设位置a和b分别为(9,0)和(1,0)；
(2)位置a、b、c均在y＝0的电场线上，a和b之间存在电势差，即△U＝|9.47-0.66|＝8.81>0，且位置a和b之间的电势沿电场线方向的变化为单调减。
步骤3：计算待补偿场强位置的场强增强率与补偿后的场强值；
(1)通过实验、实测、计算，得到参数值K、Ua、Ub、dac、dbc、Ec，详见表3；
表3场强增强率计算参数
项目 K Ua Ub dac dbc Ec
单位 cm-1 V V cm cm V/cm
来源 实验 实测 实测 计算 计算 实测
数值 0.53 3.43 0.17 4 4 0.20
(2)根据公式(1)和公式(2)，计算待补偿场强位置c的场强增强率I和补偿后的场强值E分别为：
I＝0.53×|3.43×42+0.17×42|/(42×42×0.20)＝59.6％
E＝(1+0.596)×0.20＝0.32(V/cm)
步骤4：采样并对比修复结果；
(1)按照4×3的网格进行布点采样，通过液相色谱，采用EPA方法，测定土壤中芘的浓度，即修复后的残留量；
(2)实验处理结果详见表4。
表4实验处理结果
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)

1.一种基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法，其特征在于包括以下步骤：
根据待补偿场强位置周边电势差与电场线方向，确定成对导流电极的布设位置，并插入成对导流电极；
所述根据待补偿场强位置周边电势差与电场线方向，确定成对导流电极的布设位置，包括以下步骤：
1)确定待补偿区域的几何中心为待补偿场强位置c；
2)在待补偿场强位置c两侧等距设置电极A和电极B，并满足以下条件：
2.1)成对导流电极A和B的布设位置分别为a和b，a、b、c在同一条电场线f上；
2.2)位置a和b之间存在电势差；
2.3)位置a和b之间的电势沿电场线方向的变化为单调增或单调减。
2.按照权利要求1基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法，其特征在于，所述成对导流电极由同材质的电极A和电极B，及连接两者的导线组成。
3.按照权利要求2基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法，其特征在于，所述电极A和电极B平行设置，上端通过导线连接；电极A的上端和电极B的上端极性相反。
4.按照权利要求1基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法，其特征在于，所述插入成对导流电极后，根据成对导流电极的电势差与布设位置，计算待补偿场强位置的场强增强率与补偿后的场强值。
5.按照权利要求4基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法，其特征在于，所述待补偿场强位置的场强增强率：
<mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>K</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>c</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>c</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>c</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>&amp;times;</mo> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>c</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，I为待补偿场强位置c场强的增强率；Ua和Ub是位置a和b的电势；dac和dbc是位置a、b分别与位置c的距离；Ec是位置c原有的场强；K是介质中电势的衰减系数。
6.按照权利要求4基于电势差的导流电极布设与场强补偿方法，其特征在于，所述补偿后的场强值
E＝(1+I)×Ec
其中，E为待补偿场强位置c补偿后的场强；I为待补偿场强位置c原有场强的增强率；Ec是位置c原有的场强。
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