CN107442564B - 一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置，包括多功能电极带、导电土工布和排液管。其中，电极带兼具导电和导水功能，具有耐酸碱腐蚀性的特点，上部贯通金属导线，表面有导水凹槽，导水凹槽与金属导线垂直；导电土工布贴附于多功能电极带表面；排液管与多功能电极带表面的导水凹槽相通，便于电动修复过程流向导水凹槽中的重金属溶液，通过排液管自流排出，无需抽提，节能环保。本发明可实现导电、导水和自流排水一体化；所述多功能电极带可根据土壤修复深度可加工成不同宽幅面，可直接插入土壤且只需一端导线连接电源，简单方便，不易腐蚀，抗剪性好；所述电动修复装置具有柔性特点，可成卷叠放，节省空间，便于运输和机械化大面积布设。

Description

一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置及方法

技术领域

本发明涉及环境治理领域，具体涉及一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置及方法。

背景技术

随着工农业的发展，土壤污染问题日益凸显，对人民群众的生命健康造成了严重威胁。因而，亟需对受污染的土壤进行修复。

电动修复技术作为一种新型原位修复技术，具有周期短、效率高、对土壤破坏小的特点，特别适用于低渗透性系数的土壤。因此，近年来，电动修复技术日益受到科研工作者的关注。电动修复是指在污染土壤区域两端插入电极，并施加低直流电，土壤中的污染物通过电迁移、电渗析等方式在电极两侧富集，然后直接处理富集在电极附近的土壤污染物或吸附污染物材料。但是由于电动修复过程中电化学水解和电迁移等引起土壤pH不均一、电极易腐蚀或者安装不方便等技术缺陷以及工程应用层面上的不足，阻碍了该技术的大面积推广。

中国发明专利“一种复合电极对重金属污染土壤的电动修复方法”（申请号201110312666.7）提供一种复合电极以及使用该电极电动修复重金属污染土壤的方法。通过在阴阳两极的石墨电极或金属电极的表面上附着活性材料层，形成具有可渗透反应性能的一体式复合电极，通过该可渗透反应层，一方面可中和、吸附电极反应产生的 H⁺、OH^-，有效地控制土壤 pH值，避免重金属过早地沉淀在土壤中 ；另一方面可捕获迁移而来的重金属污染物，通过移除该复合电极，可实现土壤重金属污染物的原位去除。

中国发明专利“一种电动修复重金属污染土壤的方法”（申请号 201410745574.1）提供一种采用渗透性反应墙电动修复重金属污染土壤的方法，方法中的电动试验装置主要包括阳极室、土壤室、阴极室、土壤室及阳极室，反应槽之间有含分子筛的渗透性反应墙PRB以及直流稳压供电电源，土壤中的污染物在电场的作用下向电极两侧的PRB附近，然后经渗透性反应墙PRB原位处理。

中国发明专利“一种用于重金属污染土壤电动修复的复合电极、电动修复装置及电动修复方法”（申请号 201610891459.4）公开一种由改性海泡石和改性壳聚等导电介质构成的复合电极，该复合电极具有更大的表面积，吸附迁移的重金属离子效率更高，实现重金属污染物的原位去除，避免电动修复完成后，处理阴极电解液。该专利所述的电动修复方法可以通过实时监测阳极、阴极附近pH值和补充酸碱缓冲液，降低土壤阴极附近pH的变化。

中国实用新型专利“土壤 pH 可控的电动修复装置”（授权公告号：CN 203875110U）提供了一种土壤 pH 可控的重金属污染物电动修复装置。pH 控制装置通过探针与阴极、阳极连接，pH控制装置与进水管上的控制阀门相连接，可实现电动过程中电解液pH 的自动控制，进而控制整个修复体系土壤pH，提高整个过程的修复效率。

中国实用新型专利“一种自动检测并控制pH的土壤电动修复装置”（授权公告号：CN 205393173 U）涉及一种自动检测并控制pH的土壤电动修复装置，该电动修复装置包括阴极、阳极、土壤pH计、储液装置、电源和ZigBee模块，可实现电动过程中pH的自动控制，进而调控土壤体系的pH值，通过加入ZigBee模块，实现了数据的实时网上保存，方便了实验人员随时进行查看，提高了整个修复工作的效率。

中国发明专利“基于塑料电极的电动修复重金属污染土壤的原位处理方法”（申请号 201410638615.7）提供一种基于塑料电极的电动修复重金属污染土壤的原位处理方法，主要步骤有：确定污染土处理深度 ；平整场地，对于含水量小于 30% 的土壤，进行灌水预浸 ；布置阳极塑料电极和阴极塑料电极；布置排水管和注水管，分别连接阴极塑料电极和阳极塑料电极，并汇总接到直流电源的正负极上 ；接通直流电源，电渗处理。此电极能解决电极反应过程中电极的腐蚀问题，不会造成二次污染。

发明人李青云等前期申报的中国实用新型专利“基于电动土工布的土壤重金属电促淋洗去除装置”（申请号 201621211698.2）公开了一种电促淋洗装置，可提升化学淋洗效果，促进淋洗液的排出，且通过电解液循环可有效避免土壤酸碱化问题。然而，所述EKG存在电极幅宽较小、抗剪性差、电化学腐蚀和耗电等问题。

现有技术和装置主要存在如下问题：

（1）用电解液作为阴极室和阳极室，通过控制电解液pH来控制土壤的pH值，这对电解液的配置要求高，对土壤形成潜在的二次污染，且该技术仅限实验室研究阶段，野外应用较困难。

（2）在金属或者石墨电极上附着活性材料，或者通过改性电极来抑制阴极侧土壤的碱化，但强度、成本和工程适用性较差，较难大规模推广。

（3）复合电极或者PRB技术能实现污染物与土壤分离的目的，但分离的污染物仍吸附在复合电极和PRB上，需要进一步处理，费时费力。

（4）塑料电极在原理上可解决电极的腐蚀问题，但是该产品大规模应用未见报道。

（5）基于电动土工布的土壤重金属电促淋洗去除装置能实现提升化学淋洗效果，促进淋洗液的排出，有效避免土壤酸碱化问题，但是所述装置非一体化集成设备，不适于机械化布设和大面积应用；EKG电极幅宽较小，处理深度有限；电极之间需用多个导线连接，容易腐蚀，且工作量大；EKG电极的导线与导水凹槽平行，抗剪性差；EKG通过横向导水实现电解液循环过程需要蠕动泵提供动力，增大现场施工难度和成本。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置及方法，电解水产生的H⁺和OH^-可随水流入排液管能较好保持土壤pH的均一性；重金属随孔隙水流动，自流排液过程即可实现重金属与土壤的分离，无需泵提，节能环保；该装置由柔性材料加工而成，轻便、可成卷叠放，节省空间，便于运输和机械化大面积布设，成本低，工程适应性强；而且无需复杂的多点接线工作，金属导线与排水凹槽垂直，增强了抗剪强度。

本发明采用的技术方案是：

一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置，其特征在于，包括多功能电极带、导电土工布和排液管，所述多功能电极带上部贯通设有用于与电源设备连接的金属导线，所述多功能电极带表面设有导水凹槽，导水凹槽与金属导线垂直，所述导电土工布贴附于多功能电极带表面，所述排液管布设于多功能电极带底端且与导水凹槽连通，电动修复过程流向导水凹槽中的重金属溶液可通过排液管自流排出。

进一步的，所述多功能电极带厚度为0.5-2cm，幅宽为10-100cm，长度根据土壤修复面积进行裁剪。

进一步的，所述多功能电极带由耐酸碱腐蚀材料制成，具有导水、导电的特点。

进一步的，排液管的直径为2-5cm。

一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复方法，其特征在于使用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

1）根据农田表层土壤处理深度要求，将多功能电极带、电动土工布和排液管，加工集成为柔性一体化电动修复装置；

2）将成卷的柔性一体化电动修复装置放置在专业开沟机上，随机械开沟过程完成装置在田间的布设工作，相邻两套柔性一体化电动修复装置间距0.5-2m；

3）将相邻两套柔性一体化电动修复装置的金属导线，分别与直流稳压电源的正极和负极连接，加载0.5-5V/cm电压梯度，每天通电8-12h，间歇12-16h；

4）通电期间，污染土壤孔隙水中可移动态Cd，在电渗析和电迁移作用下，随土壤溶液向多功能电极带附近迁移富集，透过导电土工布，流向导水凹槽，通过排液管自流排出，然后对排液管排出的含Cd溶液进行定期检测，分析土壤Cd的电动脱除效果，确定电动修复的终止时间。

本发明优点在于：

（1）装置均是由耐酸碱腐蚀材料建模加工而成，避免了电化学过程中腐蚀问题。

（2）装置通过对多功能电极带、导电土工布和排液管的集成，实现导电、导水和自流排水一体化，其中，通过多功能电极带排水作用能较好的控制土壤pH的均一性；通过排液管的自流排水作用实现土壤中重金属与土壤分离的目的，无需泵抽提，节能环保。

（3）可根据土壤修复深度，设计不同宽幅面多功能电极带，直接机械化垂直铺设在污染土壤中即可；多功能电极带上部贯通金属导线，只需一端导线连接电源，无需复杂的多点接线工作；贯通金属导线与排水凹槽垂直，增强了抗剪强度，又避免了接线点之间的电化学腐蚀问题。

（4）装置具有柔性特点，可成卷叠放，节省空间，便于运输。装置可成卷放置在专业开沟机上，随机械开沟过程即可完成布设工作，简单方便。

附图说明

图1为本发明适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置的结构示意图；

图2是本发明修复装置的安装到污染土壤中时的端面视图；

图3是本发明修复装置的安装到污染土壤中时的侧面视图。

图中：1—多功能电极带，1-1—导水凹槽，1-2—金属导线，2—导电土工布，3—排液管，4—柔性一体化电动修复装置，5—密封盖，6—污染土壤，7—直流稳压电源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例以重金属Cd污染农田表层土壤为对象，采用一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置，实施土壤治理修复，该装置的原理是，在电场的作用下，土壤溶液中重金属离子在孔隙水中迁移并随电渗析流向具有导水凹槽的电极带，经导水凹槽引流，流入与导水凹槽相通的排液管，而后自流排出土壤，收集液集中处理，实现土壤重金属永久性修复。

如图1所示，一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置，包括：宽幅面的多功能电极带1、具有导电、透水、挡泥功能的导电土工布2、布设于电极带1底端的排液管3，将上述三部分集成在一起，形成一体化装置。所述多功能电极带1由耐酸碱腐蚀材料制成，具有导水、导电的特点，厚度0.5-2cm，幅宽10-100cm（具体尺寸可根据土壤修复深度调整），长度根据修复面积进行裁剪。所述排液管3的一端开口，另一端使用密封盖5进行密封（如图3所示）。

所述多功能电极带1的上部贯通设有金属导线1-2，插入土壤后只需一端连接电源设备（例如直流稳压电源7，如图2所示），可省去复杂的多点接线过程，避免了电化学腐蚀。

所述多功能电极带1表面设有导水凹槽1-1，导水凹槽1-1与金属导线1-2垂直，可保证污染物废液排出的同时提高了电极片的抗剪强度。

所述导电土工布2贴附于多功能电极带1表面，可防止固体颗粒堵塞电极带1表面的导水凹槽1-1，同时降低土壤-电极带界面电阻、减少能耗。

所述排液管3与多功能电极带1表面的导水凹槽1-1相通，排液管3直径为2-5cm（具体尺寸可根据排水量调整），使得从土壤中分离的重金属溶液通过排液管排出，以便下一步处理。

本发明修复装置由耐酸碱腐蚀性材料加工而成，解决了电极腐蚀问题；由于电解水产生的H⁺和OH^-主要随水流入排液管，能较好保持土壤pH的均一性；重金属随孔隙水流动，自流排液过程即可实现重金属与土壤的分离，无需泵提，节能环保；该装置由柔性材料加工而成，轻便、可成卷叠放，节省空间，便于运输和机械化大面积布设，成本低，工程适应性强；根据土壤修复深度，设计不同宽幅面多功能电极带，无需复杂的多点接线工作，而且金属导线与排水凹槽垂直，增强了抗剪强度。

使用本发明适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置对污染土壤进行修复的具体方法如下：

（1）根据农田表层土壤处理深度要求，将幅宽20cm、厚度1cm的多功能电极带1、电动土工布2和直径2cm的排液管3，加工集成为柔性一体化电动修复装置4。

（2）将成卷的柔性一体化电动修复装置4放置在专业开沟机上，随机械开沟过程完成装置在田间的布设工作，相邻两套柔性一体化电动修复装置4间距1m。

（3）将相邻两套柔性一体化电动修复装置4的金属导线1-2，分别与直流稳压电源7的正极和负极连接，加载50V电压，每天通电8h，间歇16h。

（4）通电期间，污染土壤6孔隙水中可移动态Cd，在电渗析和电迁移作用下，随土壤溶液向电极带1附近迁移富集，透过导电土工布2，流向导水凹槽1-1，通过排液管3自流排出。然后对排液管排出的含Cd溶液进行定期检测，分析土壤Cd的电动脱除效果，确定电动修复的终止时间。

Claims (2)

1.一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复装置，其特征在于，包括多功能电极带（1）、导电土工布（2）和排液管（3），所述多功能电极带（1）上部贯通设有用于与电源设备连接的金属导线（1-2），所述多功能电极带（1）表面设有导水凹槽（1-1），导水凹槽（1-1）与金属导线（1-2）垂直，所述导电土工布（2）贴附于多功能电极带（1）表面，所述排液管（3）布设于多功能电极带（1）底端且与导水凹槽（1-1）连通，电动修复过程流向导水凹槽（1-1）中的重金属溶液可通过排液管（3）自流排出；所述多功能电极带（1）厚度为0.5-2cm，幅宽为10-100cm，长度根据土壤修复面积进行裁剪；所述多功能电极带（1）由耐酸碱腐蚀材料制成，具有导水、导电的特点；排液管（3）的直径2-5cm。

2.一种适于机械化布设的柔性一体化电动修复方法，其特征在于使用权利要求1所述装置进行，所述方法包括如下步骤：

1）根据农田表层土壤处理深度要求，将多功能电极带（1）、电动土工布（2）和排液管（3），加工集成为柔性一体化电动修复装置（4）；

2）将成卷的柔性一体化电动修复装置（4）放置在专业开沟机上，随机械开沟过程完成装置在田间的布设工作，相邻两套柔性一体化电动修复装置（4）间距0.5-2m；

3）将相邻两套柔性一体化电动修复装置（4）的金属导线（1-2），分别与直流稳压电源（7）的正极和负极连接，加载0.5-5V/cm电压梯度，每天通电8-12h，间歇12-16h；

4）通电期间，污染土壤（6）孔隙水中可移动态Cd，在电渗析和电迁移作用下，随土壤溶液向多功能电极带（1）附近迁移富集，透过导电土工布（2），流向导水凹槽（1-1），通过排液管（3）自流排出，然后对排液管排出的含Cd溶液进行定期检测，分析土壤Cd的电动脱除效果，确定电动修复的终止时间。

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