CN107052036B - 用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，包括仿生植物系统，仿生植物系统包括太阳能系统、重金属提取系统与重金属吸收系统；太阳能系统、重金属提取系统设置在地面上，重金属吸收系统设置在地面下；太阳能系统通过仿生物植物茎与重金属提取系统连接；重金属提取系统的下端与仿生植物主根连接，仿生植物主根的侧面通过螺旋口设置仿生植物须根，仿生植物主根与仿生植物须根构成了重金属吸收系统；实现对土壤重金属污染的修复，修复效率高，修复周期短，可以对深层土壤进行修复且无二次污染。

Description

用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物

技术领域

本发明属于土壤重金属修复技术领域，特别是涉及一种用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物。

背景技术

2005年4月至2013年12月，环保部与国土资源部首次开展了全国范围内的土壤调查。结果显示，全国土壤总点位超标率为16.1％，其中轻微污染占11.2％，轻度污染占2.3％，中度污染1.5％，重度污染1.1％。污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8％。从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方；长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大。镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0％、1.6％、2.7％、2.1％、1.5％、1.1％、0.9％、4.8％。

传统的植物修复是利用植物根系的吸收作用把土壤中的重金属吸收到植物体内，然后部分的重金属从地下部分(根部)转移至地上部分(叶片)，最后可通过“收割、采集、焚烧”的方法，将富集在植物地上部分的重金属回收。其局限在于：(1)对污染程度过高、或重金属分布为植物根系所达不到的污染土壤，植物修复技术都不太适用；(2)对于复合污染的土壤，采用单一植物或多种植物相结合的修复方式往往也难以达到修复要求；(3)修复周期通常较长，难以满足快速修复污染环境的需求；(4)修复区域受限，修复范围仅为植物根部所触及的范围；(5)由于植物吸收污染物的能力有限，在一些情况下会形成高于国家标准的残留浓度。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，将其应用于土壤重金属污染修复系统中，以实现对土壤污染的修复，此设备修复效率高，修复周期短，可以对深层土壤进行修复且无二次污染。

本发明所采用的技术方案是，用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，包括仿生植物系统，所述仿生植物系统包括太阳能系统、重金属提取系统与重金属吸收系统；所述太阳能系统、重金属提取系统设置在地面上，所述重金属吸收系统设置在地面下；所述太阳能系统通过仿生物植物茎与重金属提取系统连接；所述重金属提取系统的下端与仿生植物主根连接，仿生植物主根的侧面通过螺旋口设置仿生植物须根，仿生植物主根与仿生植物须根构成了重金属吸收系统。

进一步的，所述仿生植物主根的外侧设置有固定保护套；所述仿生植物主根为2-3节，每节之间通过仿生根变径连接；所述仿生植物须根与仿生植物主根之间夹角为30度。

进一步的，所述太阳能系统，包括控制器、逆变器、太阳能板、直流负载且分别与蓄电池组连接，所述逆变器与重金属提取系统连接。

进一步的，还包括淋洗剂投加系统，所述淋洗剂投加系统与淋洗剂投加系统管道连接；淋洗剂投加系统管道设置在待处理的土壤表面。

进一步的，所述重金属提取系统通过提取系统通道与重金属处理系统连接。

进一步的，所述重金属处理系统包括依次连接的洗脱液沉淀与杂质过滤系统、多效强制循环过滤系统、水热反应釜、碱液尾气吸收系统；所述洗脱液沉淀与杂质过滤系统、多效强制循环过滤系统、水热反应釜、碱液尾气吸收系统分别与土壤管家系统连接。

进一步的，还包括土壤管家系统，所述土壤管家系统包括在线检测与控制系统、远传数据接收系统、用户分析系统；所述在线检测与控制系统用于监测蓄电池组的电量、洗脱液沉淀与杂质过滤系统中洗脱液用量、整个系统用电量以及土壤重金属浓度分析；所述远传数据接收系统用于数据传输和接收；所述用户分析系统用于对天气、降水、电力(含太阳能)、土壤二次污染、土壤重金属浓度、修复周期的分析。

进一步的，所述仿生物植物茎为不锈钢管，长度为400mm，内径为50mm；仿生植物主根的内径为25mm，仿生植物须根内径为10mm，固定保护套的内径为300mm。

进一步的，所述重金属提取系统为DP-60隔膜泵。

进一步的，所述仿生植物主根与仿生植物须根为相通的PVC管。

本发明的有益效果：太阳能驱动的智能仿生植物土壤重金属污染修复系统是基于“植物修复“理论和“互联网+”背景而设计的一套具有“节能、环保、快速、有效、彻底”清除土壤中重金属污染的修复系统。此修复系统采用移动互联网、云计算等通讯技术，利用太阳能驱动智能仿生植物来修复土壤重金属污染的技术，同时提出对重金属污染土壤的在线智能监测和在线预警系统。并且解决了：

1、传统植物修复修复效率低、修复周期长、管理难度大的问题；

2、化学淋洗法带来的二次污染问题；

3、土壤重金属回收处理难度大的问题；

4、传统植物修复对深层重金属污染(即植物根无法深达的区域)无法解决的问题；

5、解决重金属残留问题；

6、修复不同种类的重金属污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的修复系统的结构示意图。

图2是本发明实施例中仿生植物系统的结构示意图。

图3是本发明实施例中太阳能系统的结构示意图。

图4是本发明实施例中压降模拟图。

图5是本发明实施例中不同重金属去除时间图。其中a为Cd离子去除时间图；b为Cu离子去除时间图；图c为Pb离子去除时间图；图d为Hg离子去除时间图。

图中，1.仿生植物系统，2.重金属处理系统，3.淋洗剂投加系统，4.土壤管家系统，5.在线检测与控制系统，6.远传数据接收系统，7.用户分析系统，8.洗脱液沉淀与杂质过滤系统，9.多效强制循环过滤系统，10.水热反应釜，11.碱液尾气吸收系统；

101.太阳能系统，102.仿生物植物茎，103.重金属提取系统，104.仿生植物主根，105.仿生植物须根，106.固定保护套，107.仿生根变径，108.提取系统通道，109.淋洗剂投加系统管道；

1011.控制器，1012.逆变器，1013.蓄电池组，1014.直流负载；1015.太阳能板；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，结构如图1所示，包括仿生植物系统1、重金属处理系统2、淋洗剂投加系统3、土壤管家系统4；其中，

仿生植物系统1，包括太阳能系统101、重金属提取系统103与重金属吸收系统；具体如图2所示，太阳能系统101、重金属提取系统设置在地上，重金属吸收系统设置在地下；太阳能系统101通过仿生物植物茎102与重金属提取系统103连接。

仿生物植物茎102主要起到支撑太阳能板1015的作用，可以调整太阳能板1015和光照角度角，达到最适合光照角度。

重金属提取系统103的下端与仿生植物主根104连接，仿生植物主根104的侧面设置仿生植物须根105，仿生植物主根104与仿生植物须根105为相通的PVC管；

仿生植物主根104的直径较小，由于是PVC材质，具有较大的弹性形变，直接埋地非常的危险，容易折断，因此需要在仿生植物主根104外侧增加固定保护套106。

仿生植物主根104为设计为2节或者3节，主要看土壤污染的深度；每节之间通过仿生根变径107连接。仿生植物主根104多节的结构类似于可伸缩的鱼竿，多节依次嵌套的，通过仿生根变径107连接。置于仿生植物须根105，根据需要修复的垂直距离调整角度后(设计为30°)，插入固定保护套106中，再旋入仿生植物主根104上设置的螺旋口中。

重金属提取系统103通过提取系统通道108与重金属处理系统2连接；

仿生物植物茎102为不锈钢管，长度为400mm，内径为50mm；重金属提取系统103为DP-60隔膜泵；仿生植物主根104的内径为25mm，仿生植物须根105内径为10mm，固定保护套106的内径为300mm。

太阳能系统101的结构，如图3所示，包括控制器1011、逆变器1012、蓄电池组1013、直流负载1014与太阳能板1015；控制器1011、逆变器1012、太阳能板1015、直流负载1014分别与蓄电池组1013连接，逆变器1012与重金属提取系统103连接。太阳能系统101属于现有技术。

重金属处理系统2，包括依次连接的洗脱液沉淀与杂质过滤系统8、多效强制循环过滤系统9、水热反应釜10、碱液尾气吸收系统11；

洗脱液沉淀与杂质过滤系统8的作用是：洗脱液中可能含有大量的细小颗粒物杂志，需要设置沉淀池和过滤池对杂质进行过滤，才能进入多效强制循环过滤系统9。

多效强制循环过滤系统9的作用是：由于本系统有较多的洗脱液产生，因此需要蒸发掉大部分，提高水热反应釜10对重金属的消煮效率，节约消煮成本。多效强制循环过滤系统9采用蒸汽喷射技术，将部分二次蒸汽回到一效加热器重复使用，从而大大降低了能耗。该蒸发器适用于有结垢性、结晶性、热敏性(低温)、高浓度、高粘度并且含不溶性固形物等化工、食品、生物、环保工程、废液蒸发回收等行业的蒸发浓缩。

水热反应釜10的是一种能分解难溶物质的密闭容器，此处用来将多效强制循环过滤系统9中含重金属的浓缩液进行溶解，溶解后可进行固定化处理。

碱液尾气吸收系统11的作用是：水热反应釜10在消解过程中会产生大量酸性气体，引起需要设置碱性尾气吸收系统对酸性气体进行吸收。

土壤管家系统4，包括在线检测与控制系统5、远传数据接收系统6、用户分析系统7。用于自控投药，进行电力分析、智能监测、评估和预警，将土壤重金属修复与互联网接轨，实现对土壤修复的时时远传监控。

在线监测与控制系统5包括监测蓄电池组1013的电量、洗脱液沉淀与杂质过滤系统8中洗脱液用量、整个系统用电量以及土壤重金浓度分析等。控制进入重金属处理系统2的淋洗液量(包括进入洗脱液沉淀与杂质过滤系统的量、进入多效强制循环过滤系统的量、进入水热反应斧的量、进入碱液尾气吸收系统的量)。

远传数据接受系统6包括数据传输和数据接收器。

用户分析系统7用于对气候、降水、电力、土壤二次污染、土壤重金属浓度、修复周期等的分析。

淋洗剂投加系统3与淋洗剂投加系统管道109连接，用于向土壤喷洒柠檬酸-草酸的混合液，用于清洗土壤中的重金属。

太阳能驱动的智能仿生植物土壤重金属污染修复系统的工作过程是，启动淋洗剂投加系统3，淋洗液通过淋洗剂投加系统管道109进入土壤，当2-4h后淋洗液投加至土壤含水率达到基本饱和时，启动太阳能系统101，太阳能系统101转化的电能为重金属提取系统103供电，然后重金属离子通过仿生植物须根105进入仿生植物主根104然后再通过提取系统通道108进入重金属处理系统2；

本发明中的仿生植物主根长2000mm(包括可最大伸缩长度)，吸收半径为1150mm，即一颗仿生植物可修复2×3.14×1.15×2＝14.4m³。

实施例

设计、计算与模拟(以北方某电镀厂土壤污染情况为例)

表1：参数收集

1.重金属吸收系统设计

隔膜泵选择型号DP60，电压12V，流量6L/S，压力4.1bar，电力7A，杨程35m，功率85w，规格265×120×105，质量2.4kg，进出水口口径10mm。

按照4株仿生植物用一台隔膜泵设计，仿生植物主根直径10mm，仿生植物须根设计数量为160根，每根5m。

根据物料守恒，以上数据计算淋洗剂6L/S时，根据水力学原理，Q＝AV＝ΣA_iV_i(i＝1,2,...,40)，即Q＝40×A₁V₁＝40×A₁V₁＝...＝40×A₄₀V₄₀，通过计算隔膜泵入口流速5.6m/s,须根吸收淋洗液的速度为1.33m/s，可以计算得到须根的吸收压力大于1bar。

假设模型修复场地为等厚度单项液体稳定流，仿生植物主根系半径r_w＝0.2m，供给半径r_e＝20m，通过压力分布公式：

可以得到压力降公式：

其中：P_w—内边界条件；P_e—外边界条件。

通过模拟得到压力根部附近至边缘的能力耗损情况，如图4所示。选择合适的吸收半径作为修复场地仿生植物数量的选择依据，若以压力降为50％作为边界条件，边缘距离为2m，一株仿生植物可处理2×2×1m³的土壤，500m³的土地需要125株仿生植物。

2、新能源系统设计

根据隔膜泵的功率，设计植物仿生叶片：

(1)260W多晶硅正A级太阳能板2块(单块尺寸：1640×990mm)；

尺寸：1650×990×40mm

额定功率：260w

工作电压：30.30v

电压：37.70V

短路电流：8.69A

(2)太阳能专用蓄能蓄电池；

(3)1000w输出纯工频正弦波逆变控制一体机1台；

(4)电池柜1个MC4Y型三通连接器1对以及其他所有的连接线；

(5)连接配件。

3、淋洗系统设计

表2：设计去除率

按照4株仿生植物用一台隔膜泵设计，所需要的淋洗剂浓度为：草酸1％，柠檬酸1％，淋洗剂用量为6L/s，即1.67m³/h，淋洗处理时间按照日照时间8h，一天4株所需要的淋洗剂为13.36m³。

反应时间确定：首次加入淋洗剂时，设计反应时间为4h，之后启动隔膜泵。

模型假设以一天为一个时间节点，记Ti(i＝1,2,3...,i)，试验得到每个时间节点对土壤不同的重金属的平均去除率为n＝18.34％。

T1：C_t1＝C_m(1-n％)

T2：C_t2＝C_t1(1-n％)＝C_m(1-n％)²

...

T_i：C_ti＝C_m(1-n％)ⁱ

模拟情况如图5所示。模拟可知，Cd、Cu、Pb和Hg分别在12、11、9和38天达到《土壤环境质量标准》中关于环境重金属的一级标准，因此设计修复时间为40d。

4、重金属处理系统

通过淋洗系统的设计可知，125株植物共需要417.5m³淋洗液。

洗脱液沉淀与杂质过滤系统8后加淋洗剂，然后通过多效强制循环过滤系统9、再加入硝酸，再通过水热反应釜10、碱液尾气吸收系统11。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，其特征在于，包括仿生植物系统(1)，所述仿生植物系统(1)包括太阳能系统(101)、重金属提取系统(103)与重金属吸收系统；所述太阳能系统(101)、重金属提取系统设置在地面上，所述重金属吸收系统设置在地面下；所述太阳能系统(101)通过仿生物植物茎(102)与重金属提取系统(103)连接；所述重金属提取系统(103)的下端与仿生植物主根(104)连接，仿生植物主根(104)的侧面通过螺旋口设置仿生植物须根(105)，仿生植物主根(104)与仿生植物须根(105)构成了重金属吸收系统；

所述仿生植物主根(104)的外侧设置有固定保护套(106)；所述仿生植物主根(104)为2-3节，每节之间通过仿生根变径(107)连接；所述仿生植物须根(105)与仿生植物主根(104)之间夹角为30度。

2.根据权利要求1所述的用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，其特征在于，所述太阳能系统(101)，包括控制器(1011)、逆变器(1012)、太阳能板(1015)、直流负载(1014)且分别与蓄电池组(1013)连接，所述逆变器(1012)与重金属提取系统(103)连接。

3.根据权利要求1所述的用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，其特征在于，还包括淋洗剂投加系统(3)，所述淋洗剂投加系统(3)与淋洗剂投加系统管道(109)连接；淋洗剂投加系统管道(109)设置在待处理的土壤表面。

4.根据权利要求1所述的用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，其特征在于，所述重金属提取系统(103)通过提取系统通道(108)与重金属处理系统(2)连接。

5.根据权利要求4所述的用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，其特征在于，所述重金属处理系统(2)包括依次连接的洗脱液沉淀与杂质过滤系统(8)、多效强制循环过滤系统(9)、水热反应釜(10)、碱液尾气吸收系统(11)；所述洗脱液沉淀与杂质过滤系统(8)、多效强制循环过滤系统(9)、水热反应釜(10)、碱液尾气吸收系统(11)分别与土壤管家系统(4)连接。

6.根据权利要求1所述的用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，其特征在于，还包括土壤管家系统(4)，所述土壤管家系统(4)包括在线检测与控制系统(5)、远传数据接收系统(6)、用户分析系统(7)；

所述在线检测与控制系统(5)用于监测蓄电池组(1013)的电量、洗脱液沉淀与杂质过滤系统(8)中洗脱液用量、整个系统用电量以及土壤重金属浓度分析；

所述远传数据接收系统(6)用于数据传输和接收；

所述用户分析系统(7)用于对天气、降水、电力、土壤二次污染、土壤重金属浓度、修复周期的分析。

7.根据权利要求1所述的用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，其特征在于，所述仿生物植物茎(102)为不锈钢管，长度为400mm，内径为50mm；仿生植物主根(104)的内径为25mm，仿生植物须根(105)内径为10mm，固定保护套(106)的内径为300mm。

8.根据权利要求1所述的用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，其特征在于，所述重金属提取系统(103)为DP-60隔膜泵。

9.根据权利要求1所述的用于土壤重金属污染修复的太阳能驱动智能仿生植物，其特征在于，所述仿生植物主根(104)与仿生植物须根(105)为相通的PVC管。

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