CN106345799B - 复合功能电极及土壤电动力修复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合功能电极，包括：电极外壁；电极内壁；电极内设有泵室和出药室，所述泵室和出药室用隔层隔开，所述泵室内置有泵，所述隔层上设有单向进药孔。本发明还提供了一种基于复合功能电极的土壤电动力修复装置。本发明将电动修复技术与其它物理、化学、生物等修复技术联用，对土壤有机污染及重金属污染的修复均有效果。

Description

复合功能电极及土壤电动力修复装置

技术领域

本发明涉及土壤电动修复技术领域，具体公开一种复合功能电极及土壤电动力修复装置。

背景技术

随着我国现代工农业的飞速发展，化肥、农药的大量使用，工矿废水、城市工业废水的不合理排放，垃圾随意填埋，油井开采和大气沉降等原因，使我国不少土壤受有机物及重金属的污染，情况不容乐观，危及生态安全和人群健康。因此，污染土壤的修复迫在眉睫。

电动修复技术是一种修复有机污染土壤及重金属污染土壤的有效方法。电动修复即在污染土壤区域插入导电电极，形成直流电场，通过电动效应将污染物集中到固定区域内统一去除；或是电刺激强化土壤微生物的活性，促进电场作用范围内尤其是电极附近区域的微生物的新陈代谢，加速污染物的降解。电动修复周期短、效率高，不受土壤异质性和环境条件限制，可以进行异位修复，也可以在污染现场进行原位修复，对土壤环境破坏性小，可应用范围广泛。

但电动修复污染土壤过程中，有许多因素会影响电动修复的效率，从而影响土壤的修复效率，如系统酸化导致反渗流现象(Vane,L.M.&Zang,G.M,1997)、土壤中某些污染物难以解析、电动过程中阴极电解水产生的碱性条件会导致重金属发生沉淀现象等都会影响目标污染物的去除(Puppala S.K.et al.,1997)。可以通过添加络合剂、酸度控制剂、氧化药剂、降解污染物的微生物菌剂等方法，形成联合修复技术体系，来增强电动修复的效果(陆小成等，2005)。

目前针对提高电动修复效率的专利文献研究较多，大多为土壤电动修复方法及电动修复装置方面的发明研究，而关于土壤电动修复中所使用的电极的发明研究较少。

中国专利CN 10244156B“一种复合电极对重金属污染土壤的电动修复方法”及中国专利CN 102513342B“一种聚丙烯复合功能电极及其应用”等都公开了在电极表面包裹一层活性层，虽然具有一定的吸附能力，但吸附效果具有一定的饱和性，且使用寿命不长。

另外，中国专利CN 103331296B公开了一种污染土壤电化学修复电极，该技术使用多孔电极、投加管、滤膜、底板等组成一种敞口装置电极，结合氧化剂，能在一定程度上提高电动修复的效率，但该技术只针对土壤有机污染修复，加料单一，且受偏远地区供电不便的影响，应用具有一定的局限性。

发明内容

考虑到上述现有技术的缺陷与不足，本申请人经过大量的深入研究发现以下技术方案。

一方面，本发明提供了一种复合功能电极，包括：电极外壁；电极内壁；电极内设有泵室和出药室，所述泵室和出药室用隔层隔开，所述泵室内置有泵，所述隔层上设有单向进药孔。优选地，电极内壁材质为不导电的防腐蚀材料，电极外壁材质为导电的防腐蚀材料。

在一些实施例中，所述泵室为压力泵室，所述泵为压力泵。

在一些实施例中，所述出药室所在的电极表面设有单向出药孔，所述单向出药孔贯穿电极内壁和电极外壁。所述单向出药孔设置在电极表面，贯穿电极内壁与外壁，优选地，电极内壁设置有透水性膜，药液通过渗透压由单向出药孔向土壤中渗透，控制用药量及流速，实现单向出药，避免土壤颗粒混入出药室。

在一些实施例中，所述单向出药孔的直径为0.1cm-0.5cm。当所述单向出药孔的直径小于0.1cm时，出药速度慢，可能发生堵塞；当所述单向出药孔的直径大于0.5cm时，出药速度快，不均匀。所述单向出药孔形状不定，可为三角形、圆形、方形、不规则形状等中的一种或多种。

在一些实施例中，所述隔层为不锈钢板、PVC、聚四氟乙烯，所述隔层的厚度为0.5-2.0mm。当所述隔层的厚度小于0.5cm时，隔层太薄，防腐蚀效果较差，硬度不足；当所述隔层的厚度大于2.0cm时，隔层偏厚，使得成本增加。优选地，所述隔层使用的是耐腐蚀性好、机械性能强、抗冲压能力好的304L不锈钢板。

在一些实施例中，所述单向进药孔和/或所述单向出药孔结构相同，均由防腐挡板和弹性元件链接组成。进一步优选地，所述弹性元件为弹簧。再进样药剂压力下，所述防腐挡板被压开，开始进样；进样完成后，所述防腐挡板在弹性元件弹力作用下自动闭合，避免了药剂反流。出药室装有药剂后，在药剂重力及进药泵压力下，挡板被打开，开始出药；当压力不足时，挡板在弹性元件力量的作用下自动关闭，避免回流。

在一些实施例中，所述复合功能电极的总长度为50cm-100cm，若复合功能电极的总长度小于50cm，会使得则污染层可能无法全部覆盖，因为土壤污染集中于表层0～50cm处；若复合功能电极的总长度大于100cm，则容易造成资源浪费。在一些实施例中，所述复合功能电极的直径为5cm-10cm。在一些实施例中，所述泵室的长度为10cm-30cm。在一些实施例中，所述出药室的长度为40cm-70cm，若所述出药室的长度小于40cm，则可能无法满足污染土壤修复需求；若所述出药室的长度大于70cm，则可能造成不必要的浪费。

另一方面，本发明还提供了一种基于复合功能电极的土壤电动力修复装置，包括：进药室、本发明提供的复合功能电极、控制器和太阳能电池板，所述进药室与所述复合功能电极中的泵连接，所述复合功能电极中的泵、所述控制器和所述太阳能电池板依次连接。所述太阳能电池板为所述复合功能电极提供能量，所述泵将修复药剂和微生物菌剂泵入出药室后，通过电极表面的单向出药孔注入污染土壤中，实现污染物的去除或降解。本发明所述的进药室与所述复合功能电极的其他部分配合使用，相当于所述复合功能电极的进药处。

在一些实施例中，所述进药室通过软管与所述复合功能电极中的泵连接。在太阳能电池板供电下，泵产生的吸附力将药剂从进药室泵入出药室。在控制器的作用下，泵会自动工作，实现自动加药。进一步优选地，所述控制器为自动控制器。

在一些实施例中，本发明所述的压力泵与太阳能电池板相连，并在中间连有控制器，能自动控制压力泵的工作时间与功率。

在一些实施例中，本发明提供的复合功能电极为惰性导电电极，其材料可为不锈钢、铂合金、钛合金、铱合金中的一种或多种。

本发明提供的复合功能电极能将电动修复技术与物理、化学、生物等修复技术联用，可用于有机污染土壤及重金属污染土壤的修复。

在一些实施例中，上述复合功能电极在应用时，在需处理的受污染的土壤上按电动修复条件插入所述复合功能电极，将污染物聚集或包围，通过电极中压力泵的作用，在电极周围污染物聚集的土壤区域自动添加能将污染物钝化或降解的化学试剂或微生物菌剂，实现土壤中污染物的去除或降解。

本发明的技术效果：本发明将电动修复技术与其它物理、化学、生物等修复技术联用，对土壤有机污染及重金属污染的修复均有效果。在电催化的条件下能通过电极进药室可加入污染物钝化剂、降解剂及络合剂、酸度控制剂、生物菌剂等来提高电动修复的效率，并且整个装置在太阳能电池板的供电下自动工作，药剂用量可控，操作方便有效，修复周期短，且不会造成二次污染。同时使用范围广泛，不受偏远矿区、郊区、农田等地供电不方便的限制。此复合功能电极的发明，是土壤修复领域一项革新性的技术设备。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的复合功能电极的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的单向进药孔的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的土壤电动力修复装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参照图1-图3对本发明实施例提出的复合功能电极和基于复合功能电极的土壤电动力修复装置进行详细描述。

如图1所示，为本发明一个实施例的复合功能电极100，其包括：电极外壁(图中未示出)；电极内壁(图中未示出)；电极内设有泵室11和出药室12，所述泵室11和出药室12用隔层13隔开，所述泵室11内置有泵14，所述隔层13上设有单向进药孔15。

如图2所示，为本发明一个实施例的单向进药孔15的结构，其由挡板151和弹性元件152组成。

如图3所示，为本发明的基于复合功能电极的土壤电动力修复装置1000，其包括：包括：进药室200、复合功能电极100、控制器300和太阳能电池板400，所述进药室200与所述复合功能电极100中的泵14连接，所述复合功能电极中的泵14、所述控制器300和所述太阳能电池板400依次连接。

实施例1

带泵自控复合功能钛合金电极的制备：本实施例所用电极材质为钛合金，长60cm，直径为6cm的带泵自控钛合金电极。其中泵室长度为20cm，出药室长度为40cm。电极出药室的室身周围开有多个直径为0.5cm的圆孔。泵为压力泵，与太阳能电池板相连，通过控制器自动工作。

污染土壤为自配镉浓度为15ppm的污染土壤。清洁土壤为棕壤，除去肉眼可见的杂质。室内自然风干后过2mm的筛子，自然风干放置7天备用。

将待测土壤样品装入有机玻璃制成的长方形中，长40cm，宽20cm，高80cm。将制备好的上述复合功能电极插入污染土壤中，连接所述太阳能电池板装置为电极及泵供电，相邻两复合电极之间的距离为20cm，用蒸馏水调节土壤湿度为30％，阴极进药室中装入pH缓冲剂乙酸，阳极进药室中加入络合剂EDTA二钠盐。并以普通电极修复作为对照。修复周期为15天后，结果使用带泵自控复合功能电极的去除效率为62％，比普通石墨电极修复效率高28％。具体结果见表1复合功能电极处理前后镉含量变化。

表1

实施例2

带泵自控复合功能钛合金电极的制备：本实施例所用电极材质为钛合金，长60cm，直径为6cm的带泵自控钛合金电极。其中泵室长度为20cm，出药室长度为40cm。电极出药室的室身周围开有多个直径为0.5cm的圆孔。泵为压力泵，与太阳能电池板相连，通过控制器自动工作。

污染土壤为自配铜浓度为20ppm的污染土壤。清洁土壤为棕壤，除去肉眼可见的杂质。室内自然风干后过2mm的筛子，自然风干放置7天备用。

将待测土壤样品装入有机玻璃制成的长方形中，长40cm，宽20cm，高80cm。将制备好的上述复合功能电极插入污染土壤中，连接所述太阳能电池板装置为电极及泵供电，相邻两复合电极之间的距离为20cm，用蒸馏水调节土壤湿度为30％，阴极进药室中装入pH缓冲剂柠檬酸，阳极进药室中加入络合剂EDTA二钠盐。修复周期为15天后，结果使用带泵自控复合功能电极的去除效率为65％，比普通石墨电极修复效率高31％。具体结果见表2复合功能电极处理前后铜含量变化。

表2

实施例3

带泵自控复合功能钛合金电极的制备：本实施例所用电极材质为钛合金，长60cm，直径为6cm的带泵自控钛合金电极。其中泵室长度为20cm，出药室长度为40cm。电极出药室的室身周围开有多个直径为0.5cm的圆孔。泵为压力泵，与太阳能电池板相连，通过控制器自动工作。

污染土壤为自配含石油量为50mg/g的污染土壤。清洁土壤为棕壤，除去肉眼可见的杂质。室内自然风干后过2mm的筛子。原油采自中国大庆油田。配制成石油污染土壤后自然风干放置7天备用。

将待测土壤样品装入有机玻璃制成的长方形中，长40cm，宽20cm，高80cm。将制备好的上述复合功能电极插入污染土壤中，连接所述太阳能电池板装置为电极及泵供电，相邻两复合电极之间的距离为20cm，用蒸馏水调节土壤湿度为30％，阳极进药室中装入石油降解菌，阴极进药室中加入pH调节剂乙酸，并以普通电极修复作为对照。修复周期为15天后，结果使用带泵自控复合功能电极的去除效率为66％，比普通石墨电极修复效率高40％。具体结果见表3复合功能电极处理前后石油含量变化。

表3

实施例4

带泵自控复合功能钛合金电极的制备：本实施例所用电极材质为钛合金，长60cm，直径为6cm的带泵自控钛合金电极。其中泵室长度为20cm，出药室长度为40cm。电极出药室的室身周围开有多个直径为0.5cm的圆孔。泵为压力泵，与太阳能电池板相连，通过控制器自动工作。

本实施例采用的土壤为自配含多环芳烃量为50mg/g的污染土壤。将待测土壤样品装入有机玻璃制成的长方形中，长40cm，宽20cm，高80cm。将制备好的上述复合功能电极插入污染土壤中，连接所述太阳能电池板装置为电极及泵供电，相邻两复合电极之间的距离为20cm，用蒸馏水调节土壤湿度为30％，阳极进药室中装入多环芳烃降解菌，阴极进药室中加入pH调节剂乙酸，并以普通电极修复作为对照。修复周期为15天后，结果使用带泵自控复合功能电极的去除效率为64％，比普通石墨电极修复效率高42％。具体结果见表4复合功能电极处理前后多环芳烃含量变化。

表4

从以上实施例1-4可以看出，使用本发明的复合功能电极，针对不同污染物，添加不同药剂进行土壤修复，其结果均优于使用普通石墨电极的效果，大大提高了污染土壤电动修复的效率，这证明了本发明提供的复合功能电极有很好的应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种复合功能电极，其特征在于，包括：

电极外壁；电极内壁；电极内设有泵室和出药室，所述泵室和出药室用隔层隔开，所述泵室内置有泵，所述隔层上设有单向进药孔；

所述出药室所在的电极表面设有单向出药孔，所述单向出药孔贯穿电极内壁和电极外壁；电极内壁设置有透水性膜，药液通过渗透压由单向出药孔向土壤中渗透；

所述单向进药孔和/或所述单向出药孔结构相同，均由防腐挡板和弹性元件链接组成；

所述单向出药孔的直径为0.1cm-0.5cm；

所述隔层为不锈钢板、PVC或聚四氟乙烯中的一种，所述隔层的厚度为0.5-2.0mm；

所述复合功能电极的总长度为50cm-100cm，所述复合功能电极的直径为5cm-10cm，所述泵室的长度为10cm-30cm，所述出药室的长度为40cm-70cm。

2.根据权利要求1所述的复合功能电极，其特征在于，所述泵室为压力泵室，所述泵为压力泵。

3.一种基于复合功能电极的土壤电动力修复装置，包括：进药室、如权利要求1-2任一项所述的复合功能电极、控制器和太阳能电池板，所述进药室与所述复合功能电极中的泵连接，所述复合功能电极中的泵、所述控制器和所述太阳能电池板依次连接。

4.根据权利要求3所述的土壤电动力修复装置，其特征在于，所述进药室通过软管与所述复合功能电极中的泵连接。

5.根据权利要求3所述的土壤电动力修复装置，其特征在于，所述控制器为自动控制器。