CN107844642B - 一种基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法，包括以下步骤：根据污染物浓度的空间分布，等距划分3×3分区，以分区中有机污染物浓度与电场强度比值为条件，启动或终止加密电极的迭代布设，使电场强度在空间上逼近有机污染物的浓度场，并且保持一定的比例，从而构建与污染物浓度场相匹配的非均匀电场，本发明解决了有机污染物大规模修复工程效率的空间差异问题，从而提高电动修复的整体工程修复效率。

Description

一种基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法

技术领域

本发明涉及有机污染土壤的修复技术，具体说是一种基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法。

背景技术

电动方法修复有机污染土壤是目前一种新兴技术。在已有的电动修复过程中，将成对电极插入到污染土壤中，施加微弱直流电形成电场。在电化学反应和电动效应的联合作用下，能够有效去除土壤中的有机污染物。

前期研究过程中利用M×N个矩阵电极等距网格排列，通过周期性的正、负极的极性切换，形成实现了的全覆的均匀电场(ZL200510130710.7，ZL201110203862.0)。但是在实际工程应用过程中，土壤中有机污染物浓度的空间分布是极其不均匀的，及时在混匀等预处理后，在二维空间上，有机污染物浓度仍然存在显著的空间异质性。而且，有机污染物的削减负荷与电场强度又密切相关，因此，单一电场形成的均匀有机污染物空间削减，与污染物空间分布异质性存在矛盾。虽然有研究利用多种类型电极布设对场强的补偿(20161044173.X，201610137627.0)，实现了有机污染物高浓度区的快速削减，但在工程实际应用过程中，如何满足标准化的快速电极布设要求，并且保障大规模修复效率空间一致性仍是未解决的技术难点。

因此，针对土壤中有机污染物空间分布的异质性与均匀电场去除效率一致性的矛盾，通过加密电极的迭代布设，使电场强度在空间上逼近有机污染物的浓度场，并且保持一定的比例，即可构建与污染物浓度场相匹配的非均匀电场，满足污染物浓度场异质性修复要求，对提高电动修复有机污染土壤的整体效率具有重大意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法。本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法，包括以下步骤：

步骤1：在有机污染土壤的二维空间上按照距离D，分成M个等面积的1级分区，即R_i，i＝1,2…M；在各1级分区中心位置布设1级电极，A_i，i＝1,2…M；

步骤2：在每个n-1级分区内，n≥2且n∈N⁺，按照距离D/M^(n-1/2)，分为M个等面积的n级分区；共Mⁿ个n级分区，即R_ij…n，i＝1,2…M，j≤M且j∈N⁺，n≤M且n∈N⁺；

步骤3：若n-1级分区满足加密电极迭代布设的启动条件，则开始加密布设电极：在满足加密电极迭代布设条件的n级分区中心位置布设n级电极，即A_ij…n，i＝1,2…M，j≤M且j∈N⁺，n≤M且n∈N⁺；

步骤4：返回步骤2，直至满足加密电极迭代布设的终止条件。

步骤1中，相邻1级电极的极性相异。

步骤3中，相同n-1级分区内，n级电极极性与n-1级电极极性相异。

步骤1中布设1级电极之后：

测试M个1级分区中有机污染物的浓度为C_i，i＝1,2…M，取最小浓度值为C_min＝min(C_i)，并测定对应分区中场强为E。

步骤2中分为M个等面积的n级分区之后：

对新增k级分区，测试布设了k-1级电极分区土壤中有机污染物浓度C_ij…k，i＝1,2…M，j≤M且j∈N⁺，k≤M且k∈N⁺，测定对应分区中场强为E_ij…k。

所述加密电极迭代布设的启动条件是：任意k级分区E_ij…k/C_ij…k<E/C_min。

所述加密电极迭代布设的终止条件是：全部k级分区E_ij…k/C_ij…k≥E/C_min。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明根据污染物浓度的空间分布，通过加密电极的迭代布设，使电场强度在空间上逼近有机污染物的浓度场，并且保持一定的比例，即可构建与污染物浓度场相匹配的非均匀电场，解决了有机污染物大规模修复工程效率的空间差异问题，从而提高电动修复的整体工程修复效率。

附图说明

图1为本发明专利实施的流程图；

图2-1为实施例1中石油污染土壤空间1级分区与1级电极布设图；

图2-2为实施例1中石油污染土壤空间2级分区与2级电极布设图；

图2-3为实施例1中石油污染土壤空间3级分区与3级电极布设图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在有机污染土壤的二维空间上按照距离D，分成9(奇数)个等面积的1级分区，即R_i(i＝1,2…9)。在各1级分区中心位置布设1级电极，A_i(i＝1,2…9)。相邻1级电极的极性相异。

步骤2：在每个n-1(n≥2且n∈N⁺)级分区内，按照距离D/3^n-1，分为9个等面积的n级分区，共9ⁿ个n级区，即R_ij…n(i＝1,2…9，j≤9且j∈N⁺，……，n≤9且n∈N⁺)。

步骤3：若n-1级分区满足加密电极迭代布设的启动条件，则开始加密布设电极，具体是指：

在满足加密电极迭代布设条件的n级分区中心位置布设n级电极，即A_ij…n(i＝1,2…9，j≤9且j∈N⁺，……，n≤9且n∈N⁺)。相同n-1级分区内，n级电极极性与n-1级电极极性相异。

步骤4：重复步骤2～步骤3，直至满足加密电极迭代布设的终止条件。

所述有机污染土壤的二维空间划分成9个等面积分区，具体是指：

将有机污染土壤按照长宽等距的堆成正方形堆体(长L×宽L×高H)，那么按照距离D＝L/3，划分成9个等面积分区，即D²＝(L/3)²。

所述加密电极迭代布设的启动和终止条件，具体是指：

测试9个1级分区中有机污染物的浓度为C_i(i＝1,2…9)，取最小浓度值为C_min＝min(C_i)，并测定对应分区中场强为E，土壤中场强测定可通过电场强度监测装置实现(ZL201410827289.4)。

对新增k级分区，测试布设了k-1级电极分区土壤中有机污染物浓度C_ij…k(i＝1,2…9，j≤9且j∈N⁺，……，k≤9且k∈N⁺)，测定对应分区中场强为E_ij…k。

加密电极迭代布设的启动条件是：任意k级分区E_ij…k/C_ij…k<E/C_min。

加密电极迭代布设的终止条件是：若全部k级分区E_ij…k/C_ij…k≥E/C_min，则终止加密电极的迭代布设。

所述电极极性相异的实现方式具体是指：

若n-1级电极A_ij…(n-1)的极性为正，则n级电极A_ij…(n-1)n的极性为负；若n-1级电极A_ij…(n-1)的极性为负，则n级电极A_ij…(n-1)n的极性为正。

具体实现方式是n-1级电极A_ij…(n-1)与n级电极A_ij…(n-1)n分别连接在供电电源的正负极。

为保证有机污染物降解均匀性与土壤理化性质定时切换电源正负极，切换频率为4h～8h/次。

供电电源电压U的范围是为24V～36V。若由于电极加密导致C_min对应1级分区的场强E降低，则通过提高电源电压U，来维持E的大小。

所述不同等级的电极均为相同材质，可选用铁电极或石墨电极。

实施例1

本实施例所修复的有机污染土壤为实验室配置的石油污染土壤，所采的土壤为粘土，除去肉眼可见的杂质和草木根，室内自然风干后过2mm筛子，石油采自辽河油田曙光采油厂某油坑，非均匀配制成10g/kg～50g/kg石油污染土壤，自然风干放置7天，用去离子水调节含水率为25％，装入到电动修复反应槽内(长900cm×宽900cm×高15cm)。

设置供电电压为24V。选用电极为铁电极。石油类污染物浓度可采用红外分光光度法测得。

本实施例中通过辅助电极构建非均匀电场的场强补偿方法的具体步骤是(图1)：

步骤1：在有机污染土壤的二维空间上按照距离300cm，分成9个等面积的1级分区，即R_i(i＝1,2…9)。在各1级分区中心位置布设1级电极，A_i(i＝1,2…9)。相邻1级电极的极性相异(图2-1)。图2-1至图2-3为实施例1中石油污染土壤空间分区与加密布设电极图。

测试9个1级分区中有机污染物的浓度为C_i(i＝1,2…9)(表1)，取最小浓度值为C_min＝min(C_i)＝10g/kg，并测定对应分区中场强为E的平均值为0.5V/cm。

表1

步骤2：在每个1(n≥2且n∈N⁺)级分区内，按照距离100cm，分为9个等面积的2级分区，共81个2级区，即R_ij(i＝1,2…9，j＝1,2…9)。

测试81个2级分区中有机污染物的浓度为C_ij(i＝1,2…9，j＝1,2…9)(表2)，并测定对应分区中场强为E_ij(i＝1,2…9，j＝1,2…9)。根据C_ij/E_ij与C_min/E的大小关系，判断是否需要进行加密布设电极。

表2

判断结果为，有24个2级分区需要布设加密电极，则在对应的53个2级分区的中心位置布设2级电极(图2-2)。

步骤3：在24个布设加密电极的2级分区内，按照距离100/3cm，分为9个等面积的3级分区，共24×9＝216个3级区，即R_ijk(i＝1,2…9，j＝1,2…9，k＝1,2…9)。

测试216个3级分区中有机污染物的浓度为C_ijk(i＝1,2…9，j＝1,2…9，k＝1,2…9)，并测定对应分区中场强为E_ijk(i＝1,2…9，j＝1,2…9，k＝1,2…9)。根据C_ijk/E_ijk与C_min/E的大小关系，判断是否需要进行加密布设电极。

判断结果为，有6个3级分区需要布设加密电极，则在对应的6个3级分区的中心位置布设3级电极(图2-3)。

步骤4：在6个布设加密电极的3级分区内，按照距离100/9cm，分为9个等面积的4级分区，共6×9＝54个4级区，即R_ijkm(i＝1,2…9，j＝1,2…9，k＝1,2…9，m＝1,2…9)。

测试54个4级分区中有机污染物的浓度为C_ijkm(i＝1,2…9，j＝1,2…9，k＝1,2…9，m＝1,2…9)，并测定对应分区中场强为E_ijkm(i＝1,2…9，j＝1,2…9，k＝1,2…9，m＝1,2…9)。根据C_ijkm/E_ijkm与C_min/E的大小关系，判断是否需要进行加密布设电极。

判断结果为，全部4级分区C_ijkm/E_ijkm≤C_min/E，则终止加密点击迭代布设，完成了非均匀电场的构建。

应用该非均匀电场与3×3的矩阵电场相比。处理60天后，石油类污染物降解的空间变异性≤10％，降解效率整体提高40％

以上内容是结合具体的优先实施案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于此。在不脱离本发明构思的前提下，还可做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在有机污染土壤的二维空间上按照距离D，分成M个等面积的1级分区，即R_i，i＝1,2…M；在各1级分区中心位置布设1级电极，A_i，i＝1,2…M；

步骤2：在每个n-1级分区内，n≥2且n∈N⁺，按照距离D/M^(n-1/2)，分为M个等面积的n级分区；共Mⁿ个n级分区，即R_ij…n，i＝1,2…M，j≤M且j∈N⁺，n≤M且n∈N⁺；

步骤3：若n-1级分区满足加密电极迭代布设的启动条件，则开始加密布设电极：在满足加密电极迭代布设条件的n级分区中心位置布设n级电极，即A_ij…n，i＝1,2…M，j≤M且j∈N⁺，n≤M且n∈N⁺；

步骤4：返回步骤2，直至满足加密电极迭代布设的终止条件；

对新增k级分区，测试布设了k-1级电极分区土壤中有机污染物浓度C_ij…k，i＝1,2…M，j≤M且j∈N⁺，k≤M且k∈N⁺，测定对应分区中场强为E_ij…k；

加密电极迭代布设的启动条件是：任意k级分区E_ij…k/C_ij…k<E/C_min；

加密电极迭代布设的终止条件是：若全部k级分区E_ij…k/C_ij…k≥E/C_min，则终止加密电极的迭代布设。

2.按权利要求1所述的基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法，其特征在于步骤1中，相邻1级电极的极性相异。

3.按权利要求1所述的基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法，其特征在于步骤3中，相同n-1级分区内，n级电极极性与n-1级电极极性相异。

4.按权利要求1所述的基于加密电极迭代布设的非均匀电场构建方法，其特征在于步骤1中布设1级电极之后：

测试M个1级分区中有机污染物的浓度为C_i，i＝1,2…M，取最小浓度值为C_min＝min(C_i)，并测定对应分区中场强为E。

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