CN107377612A - 一种原位电动‑电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种原位电动‑电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，通过在阴极和阳极两端施加经过变压、整流后的直流高频电压，在同一个电极体系中将电动修复技术与电阻加热修复技术进行耦合，在实现电场驱动污染物定向迁移的同时利用通过土壤和地下水的电流进行加热升温，使污染物因温度升高而加速迁移，从而达到快速高效去除污染物的目的。本发明解决了单独采用电动进行修复时所存在的修复时间长、效率低、效果不理想的问题，从而提供了一种简化、高效、低能耗的具有应用推广价值的修复技术。

Description

一种原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法
技术领域
本发明属于土壤和地下水修复技术领域，适用于污染土壤和地下水的原位修复，特别涉及一种原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法。
背景技术
由于工业的迅猛发展和农业化学物质的广泛应用，大量有机污染物通过地表水补给作用或经地表土壤向下迁移进入地下水，从而使土壤和地下水受到污染。这些污染物对场地周边人群的身体健康和生态环境造成了极大地潜在风险，亟需通过合理有效的技术手段对受污染的土壤和地下水进行修复和治理。
电动修复技术是上世纪八十年代发明的一种治理污染土壤的技术，其基本原理是土壤中的污染物在定向电场的作用下以电渗析和电迁移的方式向电极迁移，污染物离开土体从而达到去除污染物的目的。电阻加热修复技术是原位热修复的一种重要技术，它是通过安装在地下的电极之间产生电流穿过土壤来产生热量，从而提高土壤和地下水环境中的温度进而对污染物进行回收。
目前，现有的文献集中于单一的使用一种修复技术，关于电动修复和电阻加热修复相结合的文献较少，专利文献CN 105312314 A公开了一种重金属-有机复合污染土壤的修复系统及方法，该方法利用切换系统中的第一、第二开关将电极在电动修复和电阻加热之间进行切换，修复过程首先闭合第一开关利用交流电源对土壤进行加热至50～100℃，通过真空抽提将污染气体输送至气体收集装置进行处理；然后断开第一开关、闭合第二开关，采用直流电源进行电动修复。专利文献CN 106269843 A公开了一种重金属-有机污染复合污染土壤的原位修复方法，该方法为一套电动修复装置增加电源切换系统，将电极加热技术与电动修复和化学氧化技术相结合，即先利用直流电源，通过电动过程将氧化剂过硫酸钠迁移进入土壤，同时实现土壤中重金属离子的迁移和去除。然后切换交流电源，通过电极加热方式将土壤升高到一定温度来活化迁移进入土壤中的过硫酸钠，从而实现土壤中有机污染物的原位降解。以上两种方法虽然实现了电动修复与电阻加热修复的结合，但是交流电源与直流电源的切换使操作过程繁琐，设备成本有所增加，另外该系统将电动修复与电阻加热修复过程分开先后进行，延长了修复周期，能耗也相对较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，从污染场地修复技术的实际应用出发，对电动修复技术和电阻加热修复技术进行了深入研究，在电动修复的同时进行电阻加热修复，避免因切换电源操作使两种技术先后进行，简化操作过程的同时缩短修复周期、降低能耗、提高修复效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，在待修复土壤中设置阴极和阳极，向所述阴极和阳极施加直流高频电压，从而在同一个电极体系中耦合电动修复技术与电阻加热修复技术，利用电场驱动污染物定向迁移的同时利用通过土壤和地下水的电流进行加热升温，使土壤和地下水中的污染物迁移性增强，实现快速高效去除污染物。
所述阴极和阳极分别放置在阴极室和阳极室中，所述阴极室顶端设置阴极室排气管，所述阳极室顶端设置阳极室排气管。
所述阴极室和阳极室的排列方式为三角形、正六边形或平行排列设置，间距为～米。
所述阴极和阳极的形状为网状、片状或杆状，电极为不锈钢电极、石墨电极、金属氧化物惰性电极中的任意一种或至少两种的组合。
所述阴极和阳极与待修复土壤之间分别设置了阴极滤网和阳极滤网。
所述直流高频电压由交流电源的输出经变压、整流后得到，所述交流电源依次与开关、自耦变压器、桥式整流器及电压表相连，桥式整流器整流后的输出分别与阴极和阳极连接，在待修复土壤中设置有温度检测器，当闭合开关后，利用两极之间存在的电场，污染物在电场作用下向阴极和阳极定向迁移；同时，待修复土壤中流过的电流对土壤进行加热，温度升高使污染物迁移加快，电动修复和电阻加热修复同时进行。
所述阴极室连接有液体收集装置，监测液体收集装置中体积变化及温度变化，待土壤中各区域温度升高到一致并达到恒定状态，维持一定时间后，断开开关。
所述阳极室连接有电解液储槽，电解液储槽实现自动补给，以避免在温度升高过程中因自然补给量不足而导致修复区水分减少、电阻变大、能耗增加的情况发生。
所述交流电源为单相220V或三相380V交流电源，通过调节自耦变压器来改变两极间的电压大小，利用桥式整流器将低频交流电压转换为高频直流电压。
两极之间的电场强度为0V/m～500V/m且不包括0V/m，电流密度为0mA/cm2～50mA/cm2且不包括0mA/cm2；修复区达到的温度为40℃～100℃，修复时间为15～180天，修复过程可对液体收集装置中的废液进行集中二次处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的方法将原位电动修复与电阻加热修复进行耦合，一方面通过原位电动修复技术利用电场驱动污染物定向迁移，另一方面通过电阻加热修复技术，利用电流产热提高修复区内部的温度，增强土壤和地下水中污染物的迁移性，两种技术协同作用有效的提高了污染物的去除效率。
(2)本发明的方法将交流电源变压、整流后施加到两个电极，闭合开关后，即可实现电动修复与电阻加热修复的同时进行，简化了操作步骤，同时节省人力物力，缩减成本投入。
(3)本发明的方法克服了现有技术通过切换电源先后进行电动修复和电阻加热修复的弊端，实现了真正意义上两种修复技术的同时进行，缩短了修复周期，降低了能耗，提高了修复效率，具有较大的实际应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明所涉及的装置和方法，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，但显而易见地，下面描述的附图仅仅只是本发明的实施例，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改进型的附图。
图1为本发明的一种原位电动-电阻加热修复有机污染土壤和地下水的方法的系统结构示意图。
图2为本发明方法的电渗析流量图。
图3为本发明方法的升温速率图。
图1中，具体部件如下：
1-交流电源；2-开关；3-自耦变压器；4-桥式整流器；5-液体收集装置；6-阴极室排气管；7-阴极室；8-阴极；9-温度探测器；10-阴极滤网；11-阳极滤网；12-阳极；13-阳极室排气管；14-阳极室；15-电解液储槽；16-待修复土壤区；17-电压表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，以下描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明一种原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于：在阴极和阳极两端施加经过变压、整流后的直流高频电压，在同一个电极体系中耦合电动修复技术与电阻加热修复技术，利用电场驱动污染物定向迁移的同时利用通过土壤和地下水的电流进行加热升温，使土壤和地下水中的污染物迁移性增强，从而快速高效去除污染物，如图1所示，包括以下步骤以及装置：
步骤一、阴极8和阳极12分别放置在阴极室7和阳极室14中；阴极8和阳极12的形状可为网状、片状或杆状，可为不锈钢电极、石墨电极、金属氧化物惰性电极中的任意一种或至少两种的组合。阴极8和阳极12与待修复土壤16之间分别设置了阴极滤网10和阳极滤网11。阴极室7和阳极室14的排列方式可为三角形、正六边形或平行排列设置，间距为1～2米。阴极室7和阳极室14顶端可分别设置阴极室排气管6和阳极室排气管13。阴极室7连接有液体收集装置5，阳极室14连接有电解液储槽15。
步骤二、交流电源1依次与开关2、自耦变压器3、桥式整流器4及电压表17相连，输出端分别与阴极8和阳极12连接，温度检测器9探头插入待修复土壤16。交流电源1为单相220V或三相380V交流电源，通过调节自耦变压器3来改变两极间的电压大小，利用桥式整流器4将低频交流电压转换为高频直流电压。
步骤三、闭合开关2，利用两极之间存在的电场，污染物在电场作用下向两极8、12定向迁移；两极之间的电场强度为0V/m～500V/m且不包括0V/m，电流密度为0mA/cm2～50mA/cm2且不包括0mA/cm2。同时，待修复土壤16中流过的电流对土壤进行加热，温度升高使污染物迁移加快，电动修复和电阻加热修复同时进行。修复区达到的温度为40℃～100℃，修复时间为15～180天，修复过程可对液体收集装置中5的废液进行集中二次处理。
步骤四、监测液体收集装置5中体积变化及温度变化，待土壤中各区域温度升高到一致并达到恒定状态，维持一定时间后，断开开关2。电解液储槽15实现自动补给可避免在温度升高过程中因自然补给量不足而导致修复区水分减少、电阻变大、能耗增加的情况发生。
为验证效果，进行试验如下：
试验中采用高岭土模拟待修复土壤，具体方法为：称取230g高岭土，量取170ml饱和三氯乙烯(TCE)溶液，混合均匀后备用。
将备用的高岭土装入待修复土壤室，分别安装好阴阳两极的电极和滤网。
分别向阳极室和阴极室注入电解液(1.305g Na2SO4溶于1000ml超纯水进行制备)，并通过排气管排出电极室内空气，保证电极室内充满电解液，同时电解液储备槽中注入适量电解液。
将温度探测器探头插入到模拟土壤中，并依次连接交流电源、开关、自耦变压器、桥式整流器，输出端分别于阴极和阳极相连，同时将电压表与两极相连。
闭合开关，通过调节自耦变压器，根据电压表示数，将电极两端的电压调整到36V。
通电过程中，间隔30min对液体收集装置中的液体体积进行记录，如图3，同时读取温度检测器示数，记录温度，如图2。
通电180min后，自阴极至阳极之间等分四个断面取样并检测模拟土壤中TCE的浓度，经计算，四个断面的TCE去除率分别为47％、74％、81％、93％。

Claims (10)

1.一种原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，在待修复土壤(16)中设置阴极(8)和阳极(12)，向所述阴极(8)和阳极(12)施加直流高频电压，从而在同一个电极体系中耦合电动修复技术与电阻加热修复技术，利用电场驱动污染物定向迁移的同时利用通过土壤和地下水的电流进行加热升温，使土壤和地下水中的污染物迁移性增强，实现快速高效去除污染物。
2.根据权利要求1所述原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，所述阴极(8)和阳极(12)分别放置在阴极室(7)和阳极室(14)中，所述阴极室(7)顶端设置阴极室排气管(6)，所述阳极室(14)顶端设置阳极室排气管(13)。
3.根据权利要求2所述原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，所述阴极室(7)和阳极室(14)的排列方式为三角形、正六边形或平行排列设置，间距为1～2米。
4.根据权利要求1或2所述原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，所述阴极(8)和阳极(12)的形状为网状、片状或杆状，电极为不锈钢电极、石墨电极、金属氧化物惰性电极中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1或2所述原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，所述所述阴极(8)和阳极(12)与待修复土壤(16)之间分别设置了阴极滤网(10)和阳极滤网(11)。
6.根据权利要求2所述原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，所述直流高频电压由交流电源(1)的输出经变压、整流后得到，所述交流电源(1)依次与开关(2)、自耦变压器(3)、桥式整流器(4)及电压表(17)相连，桥式整流器(4)整流后的输出分别与阴极(8)和阳极(12)连接，在待修复土壤(16)中设置有温度检测器(9)，当闭合开关(2)后，利用两极之间存在的电场，污染物在电场作用下向阴极(8)和阳极(12)定向迁移；同时，待修复土壤(16)中流过的电流对土壤进行加热，温度升高使污染物迁移加快，电动修复和电阻加热修复同时进行。
7.根据权利要求6所述原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，所述阴极室(7)连接有液体收集装置(5)，监测液体收集装置(5)中体积变化及温度变化，待土壤中各区域温度升高到一致并达到恒定状态，维持一定时间后，断开开关(2)。
8.根据权利要求6所述原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，所述阳极室(14)连接有电解液储槽(15)，电解液储槽(15)实现自动补给，以避免在温度升高过程中因自然补给量不足而导致修复区水分减少、电阻变大、能耗增加的情况发生。
9.根据权利要求6所述原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，所述交流电源(1)为单相220V或三相380V交流电源，通过调节自耦变压器(3)来改变两极间的电压大小，利用桥式整流器(4)将低频交流电压转换为高频直流电压。
10.根据权利要求1所述原位电动-电阻加热协同修复污染土壤和地下水的方法，其特征在于，两极之间的电场强度为0V/m～500V/m且不包括0V/m，电流密度为0mA/cm2～50mA/cm2且不包括0mA/cm2；修复区达到的温度为40℃～100℃，修复时间为15～180天，修复过程可对液体收集装置(5)中的废液进行集中二次处理。
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