CN107352703B - 一种近原位去除地下水中重金属离子的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种去除地下水中重金属离子的工艺，设有一抽水井，在抽水井的底部安置了潜水泵并有隔板将井分为上下两层，潜水泵出口置于隔板的中央出口，地下水从井底部直接进入或通过潜水泵进入，抽水井内以铁板为阳极，阴极为包括铁、铂、铜之一的金属或碳与Fe3O4组成的复合电极；采用铁为阳极，金属电极或碳和Fe3O4制备的复合电极为阴极；阳极和复合电极制备的阴极间施加电压，地下水从井底部直接进入或通过潜水泵进入，阳极铁发生溶解，铁离子进入水体；阴极中设有Fe3O4吸附水中重金属；阴极和阳极处理的地下水向上流动并混合，同时加入从陈化器中返回的磁性Fe3O4颗粒；水在铁氧体沉淀反应器釜充分混合并反应，在絮凝、网捕、吸附作用下，地下水中的重金属离子被去除。

Description

一种近原位去除地下水中重金属离子的方法及设备
技术领域
本发明涉及一种去除地下水中重金属污染物的处理工艺，具体地涉及电化学与铁氧体沉淀法耦合处理地下水的工艺及装置。
背景技术
多年的经济高速发展以及环保措施的不到位，造成我国面临越来越严重的水危机，这不仅包括于大面积受到污染的河流与湖泊，也包含污染越来越严重的地下水。在地下水的各种污染物中，重金属污染具有累积性，滞后性，隐蔽性，对人体造成的伤害具有不可逆性，地下水的重金属污染治理成为环境领域的重点课题。针对于地下水重金属污染的处理工艺有：植物修复法，渗透墙法，吸附法。
植物修复利用特定植物对于重金属的富集去除重金属，修复效率底，周期长，对污染物种类有限制，并且植物需要进一步处理，大规模应用受到限制。渗透墙技术通过在地下安装透水的活性材料墙拦截、吸附污染物，施工难度大，墙体内活性材料及沉淀要定期维护，处理周期长。吸附法依靠吸附介质对重金属的物理吸附去除地下水中的重金属，吸附重金属的吸附材料需要定期更换并且需要进一步处理以防止造成二次污染。
电化学方法具有高效、工艺简单、控制方便、可实现清洁生产的特点，是一种备受关注的工艺。采用电絮凝工艺，利用可溶性阳极提供阳离子，利用阴极发生电解水反应提供-OH，阴极未发挥作用去除重金属的作用，此外在电化学过程中还发生金属阳离子的电沉积，这对于贵金属电极(铂、铜)或碳电极不利。为了充分利用电极，发挥阴极去处重金属的作用，可在阴极的金属或碳电极表面增加一层活性吸附材料，通过活性吸附材料去除重金属。采用活性吸附材料用于阴极也有相关研究，专利201110312666.7采用常规密网状材料固定活性材料用于制备电极，采用的活性材料为活性炭、沸石等，电极制作工艺复杂，吸附了重金属的活性材料需要进一步处理以免二次污染。
此外电化学产生的污泥为重金属的氢氧化物，稳定性差，毒性较大。这些缺点限制了电化学方法的推广应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的是，采用电化学与铁氧体沉淀法相结合去除地下水中的重金属。电化学采用可溶性铁板作为阳极，阴极采用Fe3O4修饰复合电极，通过电凝聚、吸附共同作用去除水中重金属离子，同时通过Fe3O4对重金属离子的吸附避免重金属在阴极的还原沉积。经电化学处理后，地下水进入铁氧体沉淀工艺，使地下水中的Fe(OH)2、Fe(OH)3絮体、铁离子、各种重金属离子在一定的条件下转化为Fe3O4颗粒，将重金属离子固定在Fe3O4中，将污水中的重金属离子去除。
采用电化学与铁氧体沉淀法耦合工艺，电化学工艺产生的铁及絮凝体为后续铁氧体工艺所用，避免在地下水中引入新的铁离子，并且可降低处理成本。以铁氧体工艺为电化学工艺的后续工艺，在絮凝、网捕、吸附等作用下，重金属被从水体中去除，地下水排水水质高，并且Fe3O4稳定性比常规的电化学工艺产生的Fe(OH)3要高，具有磁性的Fe3O4具有回收利用价值。
本发明的技术方案是：一种去处地下水中重金属离子的工艺，设有一抽水井，在抽水井的底部安置了潜水泵并有隔板将井分为上下两层，潜水泵出口置于隔板的中央出口，地下水从井底部直接进入或通过潜水泵进入，抽水井内以铁板为阳极，阴极为金属(铁、铂、铜)或碳与Fe3O4组成的复合电极。
采用电化学与铁氧体沉淀法相结合的工艺；采用铁为阳极，金属电极或碳和Fe3O4制备的复合电极为阴极；阳极和复合电极制备的阴极间施加电压，地下水从井底部直接进入或通过潜水泵进入，阳极铁发生溶解，铁离子进入水体。阴极中设有Fe3O4吸附水中重金属；
阴极和阳极处理的地下水向上流动并混合，同时加入从陈化器中返回的磁性Fe3O4颗粒，三者混合继续向上流动并最终流入铁氧体沉淀反应釜。调节水流速、电压，使得铁离子总浓度与重金属的浓度比为5:1～10:1，调节地下水pH至9-10，铁氧体沉淀反应釜内设置挡板，使水在铁氧体沉淀反应器釜充分混合并反应，在絮凝、网捕、吸附等作用下，地下水中的重金属离子被去除。反应10-20min后，经泵送入膜过滤器进行固液分离，处理达标的地下水重新排入地下，膜分离的固体物质进入陈化反应釜后陈化12～24小时，铁、重金属最终转化为Fe3O4颗粒及离子固化在Fe3O4晶体网格中或包裹物。陈化结束后，部分磁性Fe3O4颗粒返回抽水井，其余从系统内排出。
陈化结束后，部分磁性Fe3O4颗粒返回抽水井，其余从系统内排出。通过电凝聚、吸附共同作用去除水中重金属离子，同时通过Fe3O4对重金属离子的吸附避免重金属在阴极的还原沉积。经电化学处理后，地下水进入铁氧体沉淀工艺，使地下水中的Fe(OH)2、Fe(OH)3絮体、铁离子、各种重金属离子在一定的条件下转化为Fe3O4颗粒，将重金属离子固定在Fe3O4中，将污水中的重金属离子去除。
因此在此系统下即可实现地下水的原位循环交换，避免了传统地下水抽出处理时的外来地下水的涌入，这将大大降低施工成本，提高修复效率。
抽水井内以铁板为阳极，阴极为金属(铁、铂、铜)或碳与Fe3O4组成的复合电极。地下水从井底部直接进入或通过潜水泵进入，阳极铁发生溶解，铁离子进入水体。阴极Fe3O4吸附水中重金属。
近原位去除地下水中重金属离子的设备，设有一抽水井，在抽水井的底部安置了潜水泵并有隔板将井分为上下两层，潜水泵出口置于隔板的中央出口，抽水井内设有电凝聚装置，且以铁板为阳极，阴极为金属(铁、铂、铜)或碳与Fe3O4组成的复合电极；
陈化器中设有输出管到井内，输出的磁性Fe3O4颗粒，与电凝聚处理的水流混合由井的上层设置的水泵泵入流进铁氧体沉淀反应釜；铁氧体沉淀反应釜经泵送入膜过滤器进行固液分离，膜分离的固体物质进入陈化反应釜后陈化。
所述抽水井上部，从陈化釜返回的Fe3O4颗粒与阳极区地下水、阴极区地下水三者混合。
调整电压或电流，使得铁离子总浓度与重金属的浓度比为5:1～10:1。
使用Ca(OH)2调整地下水pH为9～10。
所述铁氧体反应器为全密闭式，内部设置挡板。
采用膜分离磁性颗粒与地下水。
抽水井底部设置有布水器。
所述的复合阴极，其特征在于：在金属电极或碳电极内部插入永磁铁，采用磁吸附的方式，在电极表面吸附Fe3O4颗粒。吸附的Fe3O4颗粒为后续铁氧体沉淀法产生的Fe3O4颗粒。
所述的复合阴极，其特征在于：所述复合电极的吸附饱和后需要再生时，从井顶部将阴极抽出，将永磁铁从复合电极内部抽出，将电极表面的Fe3O4颗粒清洗干净，插入新生成的Fe3O4颗粒中，磁吸附饱和后用水冲洗干净。
所述的复合阴极，其特征在于：清除的吸附重金属的Fe3O4颗粒进入铁氧体反应器进行稳定化。
阴极为Fe3O4复合电极，采用磁吸附的方式将Fe3O4颗粒固定在金属、碳电极表面，当Fe3O4颗粒吸附饱和后，通过去除磁场即可将电极表面的Fe3O4去除，插入磁铁吸附Fe3O4即可实现电极再生。阴极表面吸附的Fe3O4颗粒为后续铁氧体沉淀工艺新产生的，表面活性大，吸附效果明显，可以吸附地下水中重金属离子，避免重金属离子在阴极沉淀。
与现有技术相比：本发明有益效果：本发明采用电化学与铁氧体沉淀法相结合去除地下水中的重金属，电化学采用可溶性铁板作为阳极，阴极采用磁吸附方式制备的Fe3O4复合电极，通过电絮凝、吸附去除水中重金属离子。铁氧体沉淀工艺充分利用电化学产生的铁及絮凝体，避免在处理工艺中引入新的杂质，最终产物为磁性Fe3O4，稳定性高具有回收利用价值。采用上述工艺，可以高效低成本的近原位去处地下水中的重金属离子，处理水质高。可以一次性去除Zn，Ni，Cr，Cd，Mn，Sb等多种重金属元素。将重金属离子固化在Fe3O4晶体网格中，污泥稳定性高；磁性污泥具有利用价值。采用Fe3O4与铁(或铜、铂、碳)组成复合电极，Fe3O4吸附重金属离子，可避免重金属在阴极发生电沉积，提高电极使用寿命。阴极复合电极采取磁吸附的方式，工艺简单，制作方便。磁铁重新装入阴极内，吸附陈化反应器排除的磁性Fe3O4颗粒，吸附完成后用清水重洗电极。
附图说明
图1是电化学与铁氧体沉淀法耦合工艺系统示意图，
图2是复合阴极示意图。
图中：1.抽水泵，2.Ca(OH)2添加入口，3.铁氧体沉淀反应釜，4.挡板，5.膜分离器，6.陈化反应釜，7.直流电源，8.Fe3O4入口，9.阳极，10.阴极，11.隔板，12.分布器，13.潜水泵，14.永磁铁，15.铁阴极，16.磁吸附Fe3O4颗粒。抽水井最底部将分为阳极9和阴极10部分，中间为隔板11。阳极9为铁板，阴极10为铁板(或铂、铜、碳)与Fe3O4组成的复合电极，以圆形铁板电极为例：最内部为永磁铁14，磁铁外部为铁15，铁外部为磁吸附的Fe3O4颗粒16。本工艺中，阴极的Fe3O4活性颗粒层可吸附去除重金属，防止重金属在阴极发生电沉积影响电极的长期使用。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
抽水井最底部将分为阳极9和阴极10部分，中间为隔板11。阳极9为铁板，阴极10为铁板(或铂、铜、碳)与Fe3O4组成的复合电极，以圆形铁板电极为例：最内部为永磁铁14，磁铁外部为铁15，铁外部为磁吸附的Fe3O4颗粒16。本工艺中，阴极的Fe3O4活性颗粒层可吸附去除重金属，防止重金属在阴极发生电沉积影响电极的长期使用。
潜水泵13将地下水送入反应装置，经分布器12后分别进入阳极区和阴极区。经直流电源7提供电能，阳极9发生铁的溶解，铁离子进入水体，二价铁还可还原地下水中的重金属离子，例如Fe2+可与Cr6+反应，将Cr6+还原为毒性较低的Cr3+。阴极10产生氢气，阴极区pH升高，阴极表面的活性Fe3O4颗粒吸附水中的重金属离子，避免重金属离子在阴极表面的铁板上发生电沉积。阴极区和阳极区的地下水向上流动，陈化器中的部分磁性Fe3O4颗粒经添加口8进入后与地下水混合，新产生的Fe3O4颗粒吸附水中重金属离子，二价铁絮凝、吸附去除水中重金属离子。固液混合体经抽水泵1抽提向上流动并最终流入铁氧体沉淀反应器3，调节水流速、电压，使得铁离子总浓度与重金属的浓度比为5:1～10:1。经添加口7加入Ca(OH)2，调节pH至9～10。铁氧体沉淀反应器3为全密闭装置，避免空气进入过快氧化二价铁及絮凝沉淀物。沉淀反应釜内设置挡板4，使水在反应器内充分混合并反应，在絮凝、网捕、吸附等作用下，地下水中的重金属离子被去除，重金属进入固体颗粒中。反应10-20min后，经泵送入膜过滤器5进行固液分离，处理达标的地下水经循环井排入地下。固体进入陈化反应器6，陈化反应器上开有通气孔，陈化12～24小时，固体中的铁氧化物最终转化为Fe3O4，同时将重金属固定在晶体结构中。陈化结束后，部分磁性固体颗粒经返回抽水井回用，其余从系统排出，根据处理重金属的种类不同分别加以利用。
阴极复合电极的再生：将阴极10从抽水井顶部取出，将阴极内部的永磁铁14抽出，将铁电极15表面磁吸附的Fe3O4颗粒16完全清除，清除的Fe3O4进入铁氧体反应釜3进行稳定化处理。将永磁铁14重新装入铁电极15内，吸附陈化反应器排除的磁性污泥，磁吸附饱和后用清水将电极冲洗后重新使用。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则和原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均已经包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种去除地下水中重金属离子的工艺，其特征是，设有一抽水井，在抽水井的底部安置了潜水泵并有隔板将井分为上下两层，潜水泵出口置于隔板的中央出口，地下水通过潜水泵进入隔板上方，抽水井内以铁板为阳极，阴极为铁、铂、铜或碳与Fe3O4组成的复合电极；
采用电化学与铁氧体沉淀法相结合的工艺；阳极和作为阴极的复合电极间施加电压，阳极铁发生溶解，铁离子进入水体；阴极中的Fe3O4吸附水中重金属；
阴极和阳极处理的地下水向上流动并混合，同时加入从陈化反应釜中返回的磁性Fe3O4颗粒，三者混合继续向上流动并最终由井的上层设置的水泵泵入铁氧体沉淀反应釜；
调节水流速、电压，使得铁离子总浓度与重金属的浓度比为5:1~10:1，调节铁氧体沉淀反应釜中地下水pH至9-10，铁氧体沉淀反应釜内设置挡板，使水在铁氧体沉淀反应釜充分混合并反应，在絮凝、网捕、吸附作用下，地下水中的重金属离子被去除；
反应10-20min后，经泵送入膜过滤器进行固液分离，处理达标的地下水重新排入地下，膜分离的固体物质进入陈化反应釜后陈化12~24小时，铁最终转化为Fe3O4颗粒，同时将重金属离子固化在Fe3O4晶体网格中；
所述的复合电极，是在铁、铂、铜或碳电极内部插入永磁铁，采用磁吸附的方式，在电极表面吸附Fe3O4颗粒，吸附的Fe3O4颗粒为后续铁氧体沉淀法产生的Fe3O4颗粒；
所述复合电极吸附饱和后需要再生时，将永磁铁从复合电极内部抽出，将电极表面的Fe3O4颗粒清洗干净，插入新生成的Fe3O4颗粒中，磁吸附饱和后用水冲洗干净后重新使用。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征是，陈化反应釜陈化结束后，部分磁性Fe3O4颗粒返回抽水井，其余从系统内排出。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征是，所述抽水井上部，从陈化反应釜返回的Fe3O4颗粒与阳极区地下水、阴极区地下水混合。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征是，使用Ca(OH)2调整地下水pH为9~10。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：从复合电极表面清除的吸附重金属的Fe3O4颗粒进入铁氧体沉淀反应釜进行稳定化。
6.应用权利要求1所述工艺的近原位去除地下水中重金属离子的设备，其特征是，设有一抽水井，在抽水井的底部安置了潜水泵并有隔板将井分为上下两层，潜水泵出口置于隔板的中央出口，抽水井内设有电凝聚装置，且以铁板为阳极，阴极为铁、铂、铜或碳与Fe3O4组成的复合电极；
陈化反应釜中设有输出管到井内，输出的磁性Fe3O4颗粒，与电凝聚处理的水流混合并由井的上层设置的水泵泵入铁氧体沉淀反应釜；铁氧体沉淀反应釜内的水经泵送入膜过滤器进行固液分离，膜分离的固体物质进入陈化反应釜后陈化；
抽水井底部设置有布水器；所述铁氧体沉淀反应釜为全密闭式，内部设置挡板。
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