CN106799393B

CN106799393B - 一种低温脱附装置

Info

Publication number: CN106799393B
Application number: CN201710042080.0A
Authority: CN
Inventors: 陈明; 张佳文; 陈华; 王蕊; 余国强; 刘冠男; 王新宇; 陈玉衡
Original assignee: Institute of Mineral Resources of Chinese Academy of Geological Sciences
Current assignee: Institute of Mineral Resources of Chinese Academy of Geological Sciences
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-03-02
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: CN106799393A

Abstract

一种有机污染土壤低温脱附装置，由若干个处理单元通过串联或并联组成；每个处理单元由直流电源、可密闭绝缘处理箱、惰性阴极、阴极气体收集器、土壤处理室、惰性阳极、阳极气体收集器、污染气体排气孔、活化剂注入机构、密封垫、紧扣件及其他附属部件组成，加固部件使整体装置稳固耐用，齿轮‑滑轮传动机构用于转动和倾倒已修复土壤。该装置可用于在低于100℃温度下POPs、PAHs、PCBs以及OCPs等的电动低温脱附,也可用于汞（Hg）等具有挥发性的金属及其化合物的低温脱附。

Description

一种低温脱附装置

技术领域

本发明涉及环保、选矿、冶炼和其他生产-生活形成的固态、液态中具有挥发性物质的提取，具体的说是一种低温脱附装置。

背景技术

VOCs、SVOCs、POPs、OCPs、PCBs和Hg等有机、无机污染土壤的修复技术包括物理的、化学的和生物的三大类。其中物理的技术包括高温蒸汽气化、高温热解和电动修复等（electrokinetic remediation，EK）。特别是POPs、OCPs、PCBs和Hg等有机、无机污染土壤的修复，常常需要将污染土壤的整体加温到摄氏两三百度甚至更高的温度才能将污染物从土壤中脱附。在此过程中，需要消耗大量的能源，而且往往使用燃煤，不但能耗高，而且还会因燃煤产生新的污染。目前，用于去除VOCs、SVOCs、POPs、OCPs、PCBs和Hg等有机、无机污染土壤的技术包括：还原法、固相萃取/热解法、超声波分解法、高温热解法等。其中，热解法还包括原位热解和异位热解两种；从能量来源看，可以分成燃烧型和电热型两大类；电热型又分等离子加热、微波加热、电磁加热和电加热三种。另外，电加热有电阻丝和无电阻丝的差别，还有干法和湿法的差别。本申请专利技术属于“原地异位无电阻丝电加热湿法技术”，以下为若干可能有一定联系的热解法专利技术。

专利CN101439346（公开日2009-05-27）《一种放电等离子体修复土壤的方法及装置》：该发明涉及一种放电等离子体土壤修复的方法及装置，该方法的步骤是，将污染土壤放置于低温等离子体反应器中，在高压放电电极与低压电极之间施加高压，产生放电等离子体，使通过等离子体区域的载气转变成活性气体，降解和矿化土壤中的有机污染物。装置包括由高压电源、高压放电电极、进气口、反应器室、土壤层、出气口和低压电极组成的低温等离子体反应器，高压放电电极与高压电源的高压端子连接，低压电极与高压电源的低压端子连接，或低压电极和高压电源的低压端子同时接地线。

专利CN104858222A（公开日2015-08-26）《土壤修复电磁热解蒸汽旋转炉》该发明土壤修复电磁热解蒸汽旋转炉涉及土壤修复技术领域，尤其是一种适用于土壤中挥发性有机物、重金属、农药、高沸点氯代化合物等污染物的处理。采用卧式炉窑型式，主要分为两个区域，依次为电磁加热区和蒸汽分解区。前段电磁加热区主要是对土壤进行预热，后段蒸汽分解区是主要对土壤污染物处理的反应区。该土壤修复电磁热解蒸汽旋转炉由进料口、电磁感应加热装置、分解液蒸汽喷射装置、隔热层、旋转支座、出气口、出料口等部分组成。该发明土壤修复电磁热解蒸汽旋转炉，相较传统加热方式，使用电磁感应加热具有速率快，热能利用率高，温度控制准确、环保等优点。根据受污染土壤性质的不同，添加不同的分解液，可以处理土壤中的多种污染物。

专利CN103447291A（公开日2013-12-18）《氯苯污染土壤强化气相抽提修复装置及其小试装置和用该装置处理氯苯污染土壤的方法》：该发明公开了一种氯苯污染土壤强化气相抽提修复装置及其小试装置和用该装置处理氯苯污染土壤的方法。该装置包括多个以正三角形或正方形排布的加热抽提器；加热抽提器包括加热源和抽提管，加热源置于抽提管中，加热源为电阻丝；抽提管内装填料和催化剂；抽提管外壳有开孔；抽提管内壁设网格；所有加热抽提器的抽提连接管连接在一起，并与冷凝单元、气液分离器、真空泵顺序相连。小试装置还包括一填装土壤的容器、加热抽提器、热电偶和数值温度控制仪。方法包括将多个加热抽提器按正三角形或正方形排布在修复场地中间距2~5米，间歇抽提，控制加热源温度400℃，加热120小时。

专利CN102489500A（公开日2012-06-23）《污染土壤低温振动热解吸处理装置及方法》：一种污染土壤低温振动热解吸处理装置及方法，污染土壤经螺旋输料管进入振动床，由进料口向出料口振动推进，推进过程中被热风加热，温度逐渐升高；在振动床前部时，大量的水分和部分污染土壤中的挥发性/半挥发性有机污染物挥发出来，从振动床前部排出，依次经旋风除尘、布袋除尘和水幕除尘、去除有机污染物这三级处理后，排入大气中；污染土壤到达振动床后部时，污染土壤中剩余的水分和大量挥发性/半挥发性有机污染物挥发出来，从振动床后部排出，经旋风除尘和布袋除尘后通入燃烧器，在燃烧器内高温分解；污染土壤到达振动床尾部时，被冷风冷却后，由振动床的出料口排出；应用该发明处理污染土壤，净化效果可以达到80%-90%。

专利CN101972773A（公开日2011-02-16）《强制通风－螺旋搅拌热解吸修复有机污染土壤的系统》：一种强制通风－螺旋搅拌热解吸修复有机污染土壤的系统，包括空气预热系统、螺旋搅拌热解吸系统、尾气处理系统和控制系统，其中空气预热系统由鼓风机与空气加热器组成，螺旋搅拌热解吸系统由螺旋搅拌热解吸装置和引风机组成，尾气处理系统由旋风除尘器、除湿器和吸附塔组成，控制系统可实现螺旋搅拌器的转速、空气预热温度及土壤加热温度的有效控制。该系统可用于修复挥发性/半挥发性有机物污染的土壤。

专利CN201659137U（公开日2010-12-01）《污染土壤的异位热强化抽提处理装置》：涉及污染土壤的异位热强化抽提处理装置，具体的是一种用于挥发性和半挥发性有机物污染土壤的快速异位热强化抽提处理系统。该装置由搅拌处理装置、热蒸汽发生装置、气体活性炭吸附装置、自动控制装置组成。该装置具有通过搅拌、加热和真空抽提对挥发性和半挥发性有机物污染土壤进行快速异位修复的功能。本实用新型的装置采用立式螺条搅拌器搅拌，使土壤在处理过程中不断均匀化，并增强了其对气流的渗透性能，提高了真空抽提效率；采用高温水蒸汽对土壤进行加热，促进了污染物的热解吸，使污染物的去除更为彻底；处理过程的智能化控制，优化了处理仓内压力和温度等参数，使处理成本最小化。本实用新型的装置结构合理、操作简单、使用方便、处理成本低、处理效率高，经其处理的被污染土壤净化程度可达95％以上。

在实际应用过程中，以上专利存在如下不足：

对于专利CN101439346，大规模的等离子体的产生通常比较困难，难以应用于大规模的工业废渣、矿山污染土壤和城市污染场地的修复。专利CN104858222A仍然需要将土壤加温到较高的温度（例如大于300℃等），能永远消耗比较大。专利CN103447291A该发明相对于其他技术，可在短时间内对氯苯污染的土壤修复效果明显，污染物去除率高；但整体上修复温度较高，修复时间还有较大的压缩余地。专利CN102489500A依然没有很好地解决工作温度偏高的问题，能源消耗大；振动床也需要消耗数量可观的电能。专利CN101972773A与专利CN102489500A比较可更好地利用热能，节省部分能源；但处理温度仍然较高。专利CN201659137U、专利CN101972773A和专利CN105363770A类似，蒸汽生产过程需要消耗大量的能源。

可见，本领域的发展方向主要有：（1）降低处理温度，例如降低到90℃以下，以便大幅度降低能耗；（2）采用电力等洁净能源，预防二次污染；（3）大幅度缩短修复时间，从而降低人力成本和管理成本，缩短工期时间。另外重要的一点是，上述这些专利技术的脱附温度较高，存在能源耗用大的问题。

发明内容

为了达到上述目的，本发明所提供的技术方案是：一种有机污染土壤低温脱附装置，包括直流电源和处理单元组成；处理单元处包括可密闭绝缘处理箱、惰性阴极、阴极气体收集器、土壤处理室、惰性阳极、阳极气体收集器、污染气体排气孔、活化剂注入孔、加固部件、传动-倾倒机构、底座；其中，可密闭绝缘处理箱包括处理箱本体、顶盖和密封机构，处理箱本体与顶盖通过转动轴和/或合页连接；惰性阴极、阴极气体收集器、土壤处理室、惰性阳极和阳极气体收集器位于可密闭绝缘处理箱之内，阴阳极气体通过排气孔直接排空；密封机构包括垫圈和锁紧部件；加固部件包括保护壳层和可选的加强筋；传动-倾倒机构包括电动机、减速器、齿轮、齿圈、滑轮和导轨；底座包括底盘、支撑架和轴承。使用直流电源可保证电解产生的氢气和氧气分别从阴阳两极产生，并由阴极气体收集器和阳极气体收集器将氢气和氧气分别收集起来；氢气和氧气在空间上有足够的距离，避免两者混合而容易爆炸。可密闭绝缘处理箱、密封机构与污染气体排气孔保证有害的污染气体通过污染气体排气孔中的泄气管排出而有利于收集和处理。加固部件使得本装置经久耐用。传动-倾倒机构用于倾倒已修复好的土壤。使用时，先将被污染土壤从原位挖出，与适量的水（如土水比=1:0.5~1:10）和特定有机污染物活化剂搅拌混合后，装入本装置。通电后，有机污染物在水、活化剂和电流同时作用下，在30~100℃条件下从土壤中脱附，随水蒸气进入气相，并经污染气体排气孔排出；活化剂不足时，可通过活化剂注入孔注入活化剂。持续通电，当土水比达到1:0.1~1:0.6后，即有80.0%~99.99%的土壤有机污染物被去除。本装置可用于在低于100℃温度下的POPs、PAHs、PCBs以及OCPs等的电动低温脱附。

进一步地，有机污染土壤低温脱附装置，包括直流电源和若干个通过串联或并联连接处理单元。其中，直流电源的基本参数为0.1V/0.001A~6000V/6000A；处理单元个数为1~2000个；处理单元之间以串联和/或并联形式组合在一起；对于一组以串联和/或并联形式组合在一起的处理单元，有且仅有一台直流电源与它们相连。

进一步地，处理单元包括可密闭绝缘处理箱、惰性阴极、阴极气体收集器、土壤处理室、惰性阳极、活化剂注入孔、传动-倾倒机构、底座。对于大规模应用的大型低温脱附装置，可密闭绝缘处理箱、惰性阴极、阴极气体收集器、土壤处理室、惰性阳极、阳极气体收集器、污染气体排气孔、密封机构、加固部件是必须的，其他是可选的。对于小规模应用的小型低温脱附装置，阴极气体收集器、阳极气体收集器、污染气体排气孔、密封机构和加固部件也是可选的。

进一步地，可密闭绝缘处理箱包括处理箱本体、顶盖和密封机构。处理箱本体顶盖的长、宽和高的范围为0.1m~200m。密封机构包括软橡胶等绝缘材质的垫圈和不限形式的搭扣或其他锁紧部件。

进一步地，惰性阴极、阴极气体收集器、土壤处理室、惰性阳极和阳极气体收集器位于可密闭绝缘处理箱之内，排列顺序依次为惰性阴极、阴极气体收集器、土壤处理室、阳极气体收集器和惰性阳极。制作惰性阴极和惰性阳极的材料，除了石墨电极外，还可以是导电橡胶、导电塑料、碳纤维电极或其他任何结构型和复合型导电合成材料，一般要求电阻率小于10^-2Ω/cm²，以减少无谓的电力损耗。

进一步地，保护壳层一般由力学强度大的材料（如金属）制成，包裹于处理箱的外部。加强筋为可选部件，用于加强保护壳层的强度；加强筋的数量和强度依赖于单批次处理土壤量的多寡；单批次处理量越大（小），则加强筋的数量和/或力学强度越多（少）；加固部件使得本装置经久耐用。

进一步地，阴极气体收集器和阳极气体收集器分别用于收集阴极上产生的氢气和阳极上产生的氧气。使用直流电源可保证电解产生的电极上产生的氢气和氧气在空间上有足够的距离，避免两者混合而容易发生爆炸。

进一步地，可密闭绝缘处理箱、密封机构与污染气体排气孔保证有害的污染气体通过污染气体排气孔排出而有利于收集和处理。活化剂注入孔用于有机污染物活化剂的注入。

进一步地，使用本装置时，先将被污染土壤从原位挖出，与适量的水（土水比=1:0.5~1:10）和一定数量的有机污染物活化剂搅拌混合后，装入本装置。通电后，有机污染物在水、活化剂和电流同时作用下，在30~100℃条件下从土壤中脱附，随水蒸气进入气相，并经污染气体排气孔排出；当活化剂不足时，可通过活化剂注入孔注入活化剂。通常情况下，活化剂注入孔是关闭的，需要注入活化剂时，先将开关阀打开。

进一步地，本装置用于在30~100℃温度下的POPs、PAHs、PCBs以及OCPs等的电动低温脱附,也可用于汞（Hg）等具有挥发性的金属及其化合物的低温脱附。

采用上述技术方案，本发明的优点有：

（1）以电动力为主要供能方式，以电化学作用为主，以点发热为辅；

（2）脱附温度为30~100℃，远远低于现有技术的200~350℃，因此可节省大量能源。

（3）由于使用了“可密闭绝缘处理箱”、“污染气体排气孔”和“密封机构”，使得含有VOCs、SVOCs、POPs、OCPs、PCBs和Hg的气相物质可以轻易地收集起来进行其他处理。

（4）由于使用了“直流电源”并且阴阳极距离较大，使得电解产生的氢气和氧气在空间上分离，进一步有阴极气体收集器和阳极气体收集器将两类气体分别导出处理单元之外，可避免因氢气和氧气混合而容易引发爆炸的危险。

（5）在处理VOCs、SVOCs、POPs、OCPs、PCBs和Hg等污染物时，常常需要加入相应的活化剂，以便使这些污染物能够在通常为30~100℃的较低温度下活化并进入气相。活化剂注入机构使得注入活化剂时无需打开密封系统，使用方便。

附图说明

图1为本发明中电源与各个处理单元之间的关系示意图。

图2为本发明中一个处理单元的外部正视图。

图3为本发明中一个处理单元A-A’的剖视图。

图4为本发明中一个处理单元的侧视图。

图5为本发明中一个处理单元的俯视图。

图中：1：直流电源。

2：处理箱。其中2-1为处理箱本体；2-2顶盖，H为箱本体高度。

3：惰性阴极。

4：阴极气体收集器。

5：土壤处理室。

6：惰性阳极。

7：阳极气体收集器。

8：污染气体排气孔。

9：活化剂注入机构。

10：密封机构。其中10-1为垫圈；10-2为锁紧部件（如搭扣等）。

11：加固部件。其中11-1为保护壳层；11-2为加强筋。

12：传动-倾倒机构。其中12-1为电动机；12-2为减速器；12-3为齿轮；12-4为齿圈；12-5为滑轮；12-6为导轨。

13：底座。其中13-1为底盘；13-2为支撑架；13-2为轴承。

14：转动轴和/或合页。

具体实施方式

如图1所示，n个处理单元可以呈并联关系。此时，各处理单元上施加的电压都是相等的。另外，第一处理单元和第二处理单元也可以呈串联关系，两者一同与第三处理单元呈并联关系。

如图2-5所示，有机污染土壤低温脱附装置，其包括直流电源1和处理单元组成；处理单元处包括可密闭绝缘处理箱2、惰性阴极3、阴极气体收集器4、土壤处理室5、惰性阳极6、阳极气体收集器7、污染气体排气孔8、活化剂注入孔9、加固部件11、传动-倾倒机构12、底座13；其中，可密闭绝缘处理箱2包括处理箱本体2-1、顶盖2-2和密封机构10，处理箱本体2-1与顶盖2-2通过转动轴或合页14连接；惰性阴极3、阴极气体收集器4、土壤处理室5、惰性阳极6和阳极气体收集器7位于可密闭绝缘处理箱2之内，阴阳极气体通过排气孔直接排空；密封机构10包括垫圈10-1和锁紧部件10-2；加固部件包括保护壳层11-1和加强筋11-2；传动-倾倒机构包括电动机12-1、减速器12-2、齿轮12-3、齿圈12-4、滑轮12-5和导轨12-6；底座13包括底盘13-1、支撑架13-2和轴承13-3。

其中，保护壳层11-1由力学强度大的金属材料制成，包裹于处理箱本体2-1的外部。

其中，处理箱本体2-1的长L₁、宽W₁和高H₁，以及顶盖2-2的长L₂、宽W₂和高H₂的尺寸范围均为0.1m~200m。

其中，垫圈10-1由软橡胶制成；锁紧部件10-2为搭扣。

其中，所述的惰性阴极3、阴极气体收集器4、土壤处理室5、惰性阳极6和阳极气体收集器7位于可密闭绝缘处理箱2之内，排列顺序依次为惰性阴极3、阴极气体收集器4、土壤处理室5、阳极气体收集器7和惰性阳极6。制作惰性阴极3和惰性阳极6的材料选自但不限于石墨、导电橡胶、导电塑料、碳纤维，电阻率优选小于10^-2Ω/cm²。

其中一个具体实施例采用如下工艺条件：

处理单元个数为1个，体积3m³，其与一个直流电源连接，直流电源的基本参数为：输出电压为DC100~200V连续可调，输出电流为1A~20A连续可调。处理单元污染土壤来源于湖南某农药厂遗址污染土壤。污染物主要有VOCs、SVOCs、DDT和666等。

原始土壤中污染物浓度：见表1。本污染场地的污染物主要是VOCs、SVOCs、DDT和666，它们的浓度分别是：总666=58.0mg/kg；总DDT=7.17mg/kg；1，4-二氯苯=0.91mg/kg；氯乙烯=3.34mg/kg；1，2-二氯乙烷=0.03mg/kg；1，2，3-三氯丙烷=0.06mg/kg。

修复效果分析：利用上述装置，在56℃条件下，辅以活化剂，处理96小时后。它们的浓度分别是：总666=5.41mg/kg，去除率90.7%；总DDT=0.60mg/kg，去除率91.6%；1，4-二氯苯、氯乙烯、1，2-二氯乙烷和1，2，3-三氯丙烷均小于检出限。

表1湖南某农药厂遗址污染土壤修复前后VOCs、SVOCs、DDT和666的浓度比较

。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种有机污染土壤低温脱附装置，其特征在于：包括直流电源（1）和处理单元；处理单元包括可密闭绝缘处理箱（2）、惰性阴极（3）、阴极气体收集器（4）、土壤处理室（5）、惰性阳极（6）、阳极气体收集器（7）、污染气体排气孔（8）、活化剂注入孔（9）、加固部件（11）、传动-倾倒机构（12）、底座（13）；其中，可密闭绝缘处理箱（2）包括处理箱本体（2-1）、顶盖（2-2）和密封机构（10），处理箱本体（2-1）与顶盖（2-2）通过转动轴和/或合页（14）连接；惰性阴极（3）、阴极气体收集器（4）、土壤处理室（5）、惰性阳极（6）和阳极气体收集器（7）位于可密闭绝缘处理箱（2）之内，阴阳极气体通过排气孔直接排空；密封机构（10）包括垫圈（10-1）和锁紧部件（10-2）；加固部件包括保护壳层（11-1）和加强筋（11-2）；传动-倾倒机构包括电动机（12-1）、减速器（12-2）、齿轮（12-3）、齿圈（12-4）、滑轮（12-5）和导轨（12-6）；底座（13）包括底盘（13-1）、支撑架（13-2）和轴承（13-3）。

2.如权利要求1所述的低温脱附装置，其特征在于，直流电源的基本参数为0.1V/0.001A~6000V/6000A；处理单元个数为1~2000个；处理单元之间以串联和/或并联形式组合在一起；对于一组以串联和/或并联形式组合在一起的处理单元，有且仅有一台直流电源与它们相连。

3.如权利要求1-2之一所述的低温脱附装置，其特征在于，所述的处理箱本体（2-1）的长L₁、宽W₁和高H₁，以及顶盖（2-2）的长L₂、宽W₂和高H₂的尺寸范围均为0.1m~200m。

4.如权利要求1-2之一所述的低温脱附装置，其特征在于，垫圈（10-1）由绝缘材质制成；锁紧部件（10-2）为搭扣。

5.如权利要求4所述的低温脱附装置，其特征在于，所述绝缘材质为软橡胶。

6.如权利要求1-2之一所述的低温脱附装置，其特征在于，所述的惰性阴极（3）、阴极气体收集器（4）、土壤处理室（5）、惰性阳极（6）和阳极气体收集器（7）位于可密闭绝缘处理箱（2）之内，排列顺序依次为惰性阴极（3）、阴极气体收集器（4）、土壤处理室（5）、阳极气体收集器（7）和惰性阳极（6）；制作惰性阴极（3）和惰性阳极（6）的材料选自石墨、导电橡胶、导电塑料或碳纤维，电阻率小于10^-2Ω/cm²。

7.如权利要求1-2之一所述的低温脱附装置，其特征在于，保护壳层（11-1）由力学强度大的金属材料制成，包裹于处理箱本体（2-1）的外部。

8.如权利要求1-2之一所述的低温脱附装置，其特征在于，使用时，先将被污染土壤从原位挖出，与适量的水和适量的有机污染物活化剂搅拌混合后，装入脱附装置；通电后，有机污染物在水、活化剂和电流同时作用下，在30~100℃条件下从土壤中脱附，随水蒸气进入气相，并经污染气体排气孔（8）排出；当活化剂不足时，可通过活化剂注入孔（9）注入活化剂。

9.如权利要求8所述的低温脱附装置，其特征在于，被污染土壤与水的重量比=1:0.5~1:10。

10.如权利要求1-2之一所述的低温脱附装置，其特征在于，该低温脱附装置用于在低于100℃温度下的POPs、PAHs、PCBs、OCPs和Hg的电动低温脱附。