CN108326030B - 可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置，土壤室环绕中心电极室布置，且土壤室与中心电极室之间形成同心圆，同心圆中垂直于电场方向设置可渗透反应墙（PRB），且中心电极室与PRB构成同心圆，中心极室与PRB的墙体之间装入介质填料；土壤室圆弧上均布有六个空心立柱式的阳极室作为周围极室；土壤室与阳极室、PRB以及PRB与阴极室相邻的内壁上贴有滤网，阳极室和阴极室中分别设有电极。本发明采用阵列式电极排布，提高了修复效率，缩短了修复周期，电极室大小可调节，电极可移动，可实现不同修复范围之间的转换，实用性强。通过电动修复联合PRB保证了土壤重金属高效地去除。
Description
技术领域
本发明涉及一种环境技术土壤污染修复，尤其涉及一种土壤重金属污染的EK-PRB修复装置。
背景技术
污染土壤修复在国内外越来越受到重视，在国外，一些技术已经进入工程示范和应用阶段。目前，处理重金属污染土壤的主要方法有客土法、淋洗法、固化/稳定化法、植物修复法和电动修复法。客土法工程量较大，费时费力。淋洗法和固化/稳定化法并未将土壤中的重金属彻底去除，易造成土壤的二次污染，并且不适于大规模的场地修复。植物修复法一般耗时较长，可能需要几十年的时间。电动修复方法作为一种新兴的原位修复技术，具有操作简单、适用性强、周期短等特点，但是电动修复只是将污染物迁移到电极液中，需要二次处理。而且土壤组成、污染物类型、性质等不同，特别是在不同污染物同时存在的复合污染情况下，单一修复技术往往难以达到修复目标，因此，不同修复技术的组合应用越来越受到重视。
将电动修复技术与PRB联合使用，PRB(Permeablereactivebarrier,)可渗透反应墙，可以结合电动与PRB技术的优势，提高土壤中重金属的去除效率，修复时间短，且不扰动土层，同时可回收重金属，能够有效降低二次污染、减少后续处理工作量，并且提高经济效益。其主要过程为将毒性较高的重金属及有机物质(如Cr(VI))，TCE、PCE等)用电动力使其向电极端移动，使污染物与渗透反应墙内的填充材料反应，降解成毒性较低的低价金属离子和有机物，不仅能修复重金属污染土壤还可以修复有机物污染土壤，甚至对低渗透性的污染土壤都有较好的修复效果，且受外界因素影响相对较小，修复成本也较其他方法低得多。
EK-PRB联合修复技术作为一个新兴高效的原位修复技术，虽然修复原理相对简单，但在实地污染场地修复过程中需要考虑很多实际的参数，操作非常复杂。国内EK-PRB都停留在实验室研究阶段，主要通过直流电源连接阴阳两极，阴阳电解槽通过缓冲溶液不断调节pH值，如果按照实验室装置为每个阴阳极都配一个电解槽，对于现场修复来说，将大幅度增加实际操作的困难，而且增加了处理成本。现有的EK-PRB土壤修复装置形式单一、效率不高，与实地修复相差甚远，且存在由于装置限制而考虑到的修复影响因素少等问题。因此发明一种低时、高效、实用性强的EK-PRB土壤修复装置显得非常必要。
发明内容
针对普通板状、单对电极修复效果不太理想，考虑可变因素较少且与实际工程修复差距遥远(板状电极不便安装，工程上修复范围大，板状电极在实际极间距大的情况下很难实现均匀电场的修复效果)等问题，本发明提供了一种多对电极下的联合电动力、渗透反应墙的原位、高效、更契合实际的修复技术-可变换阵列式土壤重金属修复装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置，包括土壤室、阳极室、阴极室、直流电源、电流表、电极、pH调节系统、pH调节室、排液孔、滤网、PRB，所述阴极室作为中心电极室，土壤室环绕中心电极室布置，且土壤室与中心电极室之间形成同心圆，同心圆中垂直于电场方向设置PRB，且中心电极室与PRB构成同心圆，以使从各个方向迁向阴极的重金属离子与介质材料发生反应从而被截留，中心极室与PRB的墙体之间装入介质填料；土壤室圆弧上均布有六个空心立柱式的阳极室作为周围极室；土壤室与阳极室、PRB以及PRB与阴极室相邻的内壁上贴有滤网，阳极室和阴极室中分别设有电极，电极采用阵列式排布，周围的六个电极极性相同采用并联的方式且与中心电极室的电极极性相反构成6对电极，外部电路将6对电极用导线连接，其中间设有直流电源、电流表；所述pH调节室与阳极室、阴极室通过橡胶导管连接，中间设有pH调节系统；所述阳极室、阴极室底部设有带开关的排液孔，电解液饱和后通过排液孔排出收集。
所述土壤室中装填供试土壤，土壤室分为内环、中环、外环，内环尺寸：
高200mm；中环尺寸：
高200mm；外环尺寸：
高200mm。
所述的供试土壤由自配重金属Cd污染高岭土或稻田Cd污染土壤烘干、粉碎、过筛，与去离子水混合，使土壤含水率为20％-40％，混合搅拌均匀而成；配置的重金属Cd污染高岭土或稻田Cd污染土壤呈弱酸性，pH值在5-7，总镉浓度在100-1000mg/kg。
所述阴极室尺寸为
高200mm；阳极室由长75mm，宽40mm，高200mm的空心立柱和一个
高200mm带有微条缝隙的半圆弧面构成，使电解液通过外侧贴有滤网的所述微条缝隙的半圆弧面向土壤室渗透，达到电解液向土壤室各个方向均匀渗透。
所述PRB的墙体厚度为6cm，高度视所填土壤高度相适配，所填介质材料高度不低于填入土壤高度。
所述滤网为100-500目。所述直流电源的电压梯度为1-3v/cm。
所述电极采用棒状石墨电极，电极尺寸为
高250mm；阳极室中的阳极电极位于圆弧六等分点与圆心连线上，阴极室中的阴极电极位于圆心位置；所述阳极电极可以从距离阴极电极的12.5-20cm范围内移动调节。
所述阳极室里加入电解液，阴极室里加入电解液及增强试剂，所述电解液浓度为0.05-0.2mol/L，所述增强试剂浓度为0.005-0.1mol/L；所述电解液为NaNO3、KNO3、柠檬酸中的一种，所述增强溶剂为EDTA或表面活性剂，使重金属离子吸附的土壤颗粒上脱附下来或是增强土壤重金属流动性。
所述pH调节系统由pH电极、蠕动泵及pH监测系统组成，用于给阴、阳极电解液设定pH范围，当监测到电解液pH值超过设定pH范围时，计算所需添加的缓冲溶液的量并通过蠕动泵将缓冲溶液加入到阴、阳极室，实现调节pH。
本发明的有益效果是：
本发明与传统的EK-PRB装置相比，本发明的装置采用阵列式、对角电极的排列方式，克服了阴阳电极之间电场力作用距离小的缺点，通过电极移动可调节不同电压梯度下的最适极间距。
本发明可采用低渗透性的高岭土模拟实际污染的土壤，高岭土具有良好的可塑性和较高的粘结性，并且具有很低的阳离子交换容量，性质均一而且测试重复性较好。利用电场力为重金属离子提供迁移的动力，迁移的重金属离子富集到PRB系统被其内部的介质材料吸附、还原、沉淀等或失去迁移能力或降低生物毒性从而被固定在PRB系统内，通过合理、科学的方法定期更换介质材料将重金属离子分离出来。通过EK-PRB联合修复技术探索在较短修复周期下的最佳试验参数的组合，通过分析各试验参数之间的关系进一步扩大修复范围验证其实用性，从而逐步推广到更大污染范围的实地修复。
附图说明
图1为本发明的EK-PRB土壤重金属修复装置立体示意图；
图2为本发明的EK-PRB土壤重金属修复装置俯视图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步具体的描述，但并不限制本发明。
如图1，2所示，一种可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置，包括土壤室、阳极室(周围极室)3、阴极室(中心电极室)1、直流电源、电流表、电极、pH调节系统、pH调节室、排液孔、滤网、PRB 2，土壤室环绕阴极室(中心电极室)1布置，且土壤室与阴极室(中心电极室)1之间形成同心圆，同心圆中垂直于电场方向设置PRB 2，且阴极室(中心电极室)1与PRB2构成同心圆，以使从各个方向迁向阴极的重金属离子都能充分的与介质材料发生反应从而被截留。阴极室(中心电极室)1与PRB 2的墙体之间装入介质填料；土壤室圆弧上均布有六个空心立柱式的阳极室(周围极室)3；土壤室与阳极室(周围极室)3、PRB 2以及PRB 2与阴极室(中心电极室)1相邻的内壁上贴有滤网，阳极室(周围极室)3和阴极室(中心电极室)1中分别设有电极，电极采用阵列式排布，周围的六个电极极性相同采用并联的方式且与阴极室(中心电极室)1的电极极性相反构成6对电极，外部电路将6对电极用导线连接，其中间设有直流电源、电流表；pH调节室与阳极室、阴极室(中心电极室)1通过橡胶导管连接，中间设有pH调节系统；阳极室(周围极室)3、阴极室(中心电极室)1底部设有带开关的排液孔，电解液饱和后通过排液孔排出收集。
土壤室分为内环4、中环5、外环6，阳极室(周围极室)3在圆弧六等分点上，六个电极通过孔盖式的方式固定在圆弧的六等分点与圆心连线的半径上移动，被每两个相邻周围极室隔断的圆弧以卡槽式可拆卸隔板的形式连接，内环4和中环5都是这种形式，这种可拆卸形式也有方便修复完成后土壤的取出，外环6则是连续的圆弧。这样的构造使得土壤室大小可变换、周围电极与中心电极间的距离可调节，充分考虑了极间距对修复效果的影响以及考察了土壤修复范围对试验重复性和再现性的影响，试验研究的参数更加全面、完整，使实验室修复与实地土壤修复紧密贴合，提高实际应用的可能性。
周围电极的个数(3个、4个)直接导致电极的排布，从而进一步研究柱状电极的排布形成的非均匀电场对试验效果的影响。
每个周围极室与土壤室之间、土壤室与PRB之间、PRB与中心极室之间用100-500目的滤网隔开防止土壤颗粒及PRB介质材料进入电解室溶液中。
PRB介质材料为沸石、活性炭、粉煤灰、建筑废渣等价格低廉的吸附剂与零价铁等还原材料混合组成，事先通过模拟试验计算沸石、活性炭等吸附剂单位质量的吸附容量，再根据所添加的介质材料的量推算出其更换周期。(模拟试验过程以Cd为例：配一定浓度(100mg/L)和体积(50mL)的Cd(NO3)2.4H2O溶液，加入2g沸石在摇床上震荡24h让其充分吸附，用ICP测吸附前后的Cd的浓度，计算沸石单位质量的吸附容量。)
土壤室适用于装填供试土壤，其范围有内环、中环、外环三种，内环尺寸：
高200mm；中环尺寸：
高200mm；外环尺寸：
高200mm。供试土壤为将配置重金属Cd污染高岭土或稻田Cd污染土壤烘干、粉碎、过筛，所述土壤与去离子水混合，使土壤含水率为20％-40％，搅拌混合均匀。配置的重金属Cd污染高岭土或稻田Cd污染土壤呈弱酸性，pH值在5-7，总镉浓度在100-1000mg/kg。
PRB的墙体厚度为6cm，高度视所填土壤高度而定，保证所填介质材料高度不低于土壤高度。
阴极室尺寸为
高200mm；阳极室由长75mm，宽40mm，高200mm的空心立柱和一个
高200mm带有微条缝隙的半圆弧面构成，电解液向土壤室渗透的接触面做成弧面以达到电解液土壤室向各个方向的均匀渗透。滤网为100-500目，优选200目。
电动力学装置采用市电供电，通过直流变压器输出区间为0-60v的直流电压；直流电源的电压梯度为1-3v/cm，所述石墨棒电极直径为1.5-4cm。
本发明所用的EK-PRB装置土壤室分为内环、中环、外环可调节，内环有效体积为8.246L，中环有效体积为11.3664L，外环有效体积为19.9619L；采用阵列式电极排布，中心电极室和PRB、土壤室(3个)之间为同心圆构造，周围电极室为矩形槽弧形扩散系统，有效体积为0.6L,上海华励振环保科技有限公司生产；直流电源规格为0-60v,3A，东莞市广仪电子仪器有限公司生产。
本发明适用于土壤重金属及有机物污染的修复，实施案例中选举Cd污染高岭土，Cd、Cu混合污染高岭土以及重金属实际混合污染土壤进行试验。
实施例1
试验周期与重金属污染浓度大小、电压梯度、含水率等因素紧密相关，先做一般性试验估算试验周期；Cd的污染浓度为300mg/kg，控制电压梯度为1.5v/cm、含水率为30％，PRB介质材料采用沸石(粒径1-2mm)：零价铁＝1；1，试验修复到第5天在两电极中间取样测量计算Cd去除率为88.2％，由第5天延长至第8天去除率增至92.4％，在延长至第10天去除率为94.1％。第5天去除率已经达到较高水平，时间延长去除率提高不太明显，可能剩下的Cd为不易去除的残渣态。综合考虑修复时间和去除率确定试验周期为5天左右。
电压梯度和含水率两实验因素有交互作用，通过正交试验确定其最佳水平的组合：电压梯度(v/cm)：1.5、2、2.5；含水率(％)：20、30、40；将它们正交做9组试验确定最佳组合为：电压梯度2.5v/cm，含水率30％。
实施例2
根据高岭土容重和土壤室体积估算填土高度(10-15cm)的土壤重量，以内环为例，高岭土容重为1.24g/cm3，预期填土大约15cm，计算所需所述高岭土约7.5kg，预期土壤中Cd的染毒量为300mg/kg，称取Cd(NO3).4H2O 6.1775g溶于去离子水中，溶解后加入到待试土壤中，过程中加入的去离子水总量为2.25L(使土壤的含水率保持为30％)，充分搅拌混合均匀并留样。电解质溶液：0.1mol/LNaNO3；柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液(pH＝5)，也可用0.1mol/L的柠檬酸作为电解质溶液，电压梯度为1.5v/cm，PRB材料为质量比沸石(1-2mm)：Fe0＝1：1。两电极之间设5个取样点，从装置开始修复时起每间隔24h，取样并记录电流等变化，一周期结束后测样分析。
试验因素水平较多，电压梯度(v/cm)：设3个水平1.5、2、2.5；含水率(％)：设3个水平20、30、40；阳极电极个数：设3个水平3、4、6；极间距(cm)：设3个水平12.5、15、17.5；电解液pH控制方式：设3个水平①pH缓冲液②复合电极③周期极性反转；PRB材料、及配比、粒径。
在已确定最佳电压梯度和含水率的基础上，通过单因素轮换试验进一步分别确定各因素的最佳水平，从而尽可能缩短试验周期、提高去除效率。
实施例3
试验用高岭土7.5kg，预期土壤中Cd的染毒量为300mg/kg，Cu的染毒量为500mg/kg，称取Cd(NO3)2.4H2O 6.1775g、Cu(NO3)2.3H2O 14.1796g，过程中加入的去离子水总量为2.25L(使土壤的含水率保持为30％)，充分搅拌混合均匀并留样。电解质溶液：0.1mol/LNaNO3；柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液(pH＝5)，也可用0.1mol/L的柠檬酸作为电解质溶液，电压梯度为1.5v/cm，PRB材料为质量比沸石(1-2mm)：Fe0＝1：1，平衡24h后自通电开始计时，每隔24h取样、记录，最后测样分析计算各点的去除率。
实施例4
取上海电子废弃物处理厂土壤为实际污染土壤，检测所含重金属类型及含量，将土壤风干磨细后填入到土壤室，含水率控制在30％，电压梯度2.5v/cm，加入电解质溶液后平衡24小时，然后开始修复，每隔24h取样、记录，最后测样分析计算各点的去除率。
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置，包括土壤室、阳极室、阴极室、直流电源、电流表、电极、pH调节系统、pH调节室、排液孔、滤网、PRB，其特征在于：所述阴极室作为中心电极室，土壤室环绕中心电极室布置，且土壤室与中心电极室之间形成同心圆，同心圆中垂直于电场方向设置PRB，且中心电极室与PRB构成同心圆，中心电极室与PRB的墙体之间装入介质材料，以使从各个方向迁向阴极的重金属离子与介质材料发生反应从而被截留；土壤室圆弧上均布有六个空心立柱式的阳极室作为周围极室；每个周围极室与土壤室之间、土壤室与PRB之间以及PRB与中心电极室之间均采用滤网隔开；阳极室和阴极室中分别设有电极，电极采用阵列式排布，周围的六个电极极性相同采用并联的方式且与中心电极室的电极极性相反构成6对电极，外部电路将6对电极用导线连接，其中间设有直流电源、电流表；所述pH调节室与阳极室、阴极室通过橡胶导管连接，中间设有pH调节系统；所述阳极室、阴极室底部设有带开关的排液孔，电解液饱和后通过排液孔排出收集；所述土壤室中装填供试土壤，土壤室分为内环、中环、外环，内环尺寸：φ250mm，高200 mm；中环尺寸：φ300 mm，高200 mm；外环尺寸：φ400 mm，高200 mm；所述阴极室尺寸为φ40 mm，高200 mm；阳极室由长75 mm ，宽40 mm，高200 mm的空心立柱和一个φ40 mm高200 mm带有微条缝隙的半圆弧面构成，使电解液通过外侧贴有滤网的所述微条缝隙的半圆弧面向土壤室渗透，达到电解液向土壤室各个方向均匀渗透；所述电极采用棒状石墨电极，电极尺寸为φ15mm，高250 mm；阳极室中的阳极电极位于圆弧六等分点与圆心连线上，阴极室中的阴极电极位于圆心位置；所述阳极电极可以从距离阴极电极的12.5-20cm范围内移动调节。
2.根据权利要求1所述的可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置，其特征在于：所述PRB的墙体厚度为4-6cm，高度视所填土壤高度相适配，所填介质材料高度不低于填入土壤高度。
3.根据权利要求1所述的可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置，其特征在于：所述滤网为100-500目。
4.根据权利要求1所述的可变换阵列式电极的土壤重金属修复装置，其特征在于：所述直流电源的电压梯度为1-3v/cm。
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