CN108435787A - 一种利用电场和反应屏障修复污染土壤的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电场和反应屏障修复污染土壤的装置及方法，属于环境污染治理技术领域。该装置主要包括：反应室、反应屏障(其中反应屏障的挡板是可移动的，以便于更改位置及反应屏障厚度)、电极室、电解液储蓄缸、pH自动检测调节仪、直流电源和石墨电极。反应屏障中的材料是改性粘土和一定质量比的零价铁/活性炭(Fe⁰/C)的混合物。反应屏障在此修复过程中起到了增强修复效果的作用。反应器底部均匀分布着小卡槽，便于根据不同污染物在电场下迁移特性的不同而选择反应屏障在反应室的位置和厚度，同时挡板还能保持反应屏障材料在反应过程中形态完整，便于其更好发挥作用且反应完成后便于再回收反应屏障材料。

Description

一种利用电场和反应屏障修复污染土壤的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用电场和反应屏障修复污染土壤的装置及方法，属于环境污染治理技术领域。

背景技术

随着我国工业化进程的加快，大量污染物被排放。在国民经济腾飞的同时带来了严重的环境污染问题。土壤作为“污染汇”所受污染问题尤其严重。主要污染物为重金属和持久性有机污染物POPs等。

目前土壤污染的主要修复技术有物理修复、化学修复、生物修复及联合修复技术等。土壤的工程修复技术主要包括排土、换土、去表土、客土和深耕翻土等措施。工程措施是比较经典的土壤污染治理措施，它具有彻底、稳定的优点，但工程量大、投资费用高，会破坏土体结构，引起土壤肥力下降，并且还要对换出的污土进行堆放或处理。物理/化学修复是利用污染物或污染介质的物理化学特性，以破坏(如改变化学性质)、分离或固化污染物，具有实施周期短、可用于处理各种污染物等优点。主要包括：热处理技术、土壤固化-稳定化技术、淋洗技术、氧化还原技术、电动力学修复技术和土壤性能改良技术等。生物修复技术是近20年发展起来的一项用于污染土壤治理的新技术，是指综合运用现代生物技术，使土壤中的有害污染物得以去除，土壤质量得以提高或改善的过程。土壤生物修复技术，包括植物修复、微生物修复、生物联合修复等技术。协同两种或两种以上修复方法，形成联合修复技术，不仅可以提高污染土壤的修复速率与效率，而且可以克服单项修复技术的局限性，实现对多种污染物复合/混合污染土壤的修复，已成为土壤修复技术中的重要研究内容。

电动修复技术是近年来发展起来的一种污染土壤修复技术，主要通过电迁移、电渗流和电泳等方式将污染物迁移出土壤。土壤中的重金属污染物主要通过电迁移方式迁移出土体，而有机污染物则通过电渗流机制迁移出土体。由于电动修复技术可以有效去除土壤中的重金属和有机污染物，而且操作简单、处理效率高，不受自然条件干扰，明显优于其他修复技术(如植物修复、微生物修复等)，因此越来越受到人们的重视。但是传统电动修复技术只是将污染物从土壤中迁移出来，没有从根本上去除污染物。因此，将反应屏障与电动修复技术联用是一个很好的选择。

反应屏障是设置在污染物迁移途径中的一种反应墙。其经过的污染物具有阻截、聚集、降解、去除等作用。该技术对污染物主要有物理、化学、生物三种修复机理。土壤中污染物在电场作用下，转移到反应屏障中，在反应屏障中发生一系列吸附、氧化还原等物理化学反应，从而去除污染物。反应屏障能很好的弥补电动力修复土壤污染物的不足之处，因此是一种有深入研究价值的技术。

发明内容

本发明针对现有土壤修复技术的不足之处，提供了一种将反应屏障和电动力学结合修复污染土壤的装置及方法，对反应屏障内的填料成分有突出的创新。

本发明的第一个目的是提供一种电动力和反应屏障联合修复受污染土壤的装置，在反应室与阳极室、阴极室交界处设置反应屏障；所述反应屏障的填料包括改性粘土和Fe/C混合物。

在本发明的一种实施方式中，所述反应屏障中的填料由体积比为1:20～20:1的改性粘土和铁碳(Fe⁰/C)材料制成；所述铁碳(Fe⁰/C)材料中质量比Fe⁰：C为3:1～10:1。

在本发明的一种实施方式中，所述改性粘土包括但不限于是膨润土、海泡石、蒙脱石、沸石、埃洛石、凹凸棒石、麦饭石、硅藻土、伊利石中的一种或几种。

在本发明的一种实施方式中，改性粘土主要成分为硅酸铝盐，有Si-O结构层状骨骼，按夹在它们之间的离子种类形成各种层状结构，并沿C轴重叠，存在着层内结构不饱和填充与扭曲，表面存在大量-OH断键。颗粒大小为0.5～5μm，具有吸附作用。

在本发明的一种实施方式中，所述改性粘土是经过无机酸处理改性和有机插层剂磷酸蜜铵盐插层改性的天然粘土。

在本发明的一种实施方式中，所述电动力和反应屏障联合修复受污染土壤的装置，包括阳极室、阴极室、反应室、直流电源和石墨电极；所述石墨电极分别为阳极电极和阴极电极，分别置于阳极室、阴极室中；直流电源的正负极通过导线分别与阳极电极和阴极电极相连；所述阳极电解液储蓄缸通过蠕动泵与阳极室相连，阴极电解液储蓄缸通过蠕动泵与阴极室相连；待处理的污染土壤置于反应室中，反应室底部均匀分布着卡槽，用于反应屏障挡板的放置；两个平行设置的反应屏障挡板通过在卡槽中固定，形成反应屏障室，反应屏障室中填充填料，构成反应屏障装置；阳极电解液储蓄缸、阴极电解液储蓄缸及反应屏障室中均放置一个pH自动调节监测仪。

在本发明的一种实施方式中，所述反应屏障挡板由甲基丙烯酸甲酯材质制成，板上均匀分布着小孔，每个挡板厚5mm。

在本发明的一种实施方式中，反应室底部等距离均匀分布着高5mm的卡槽，便于安装反应屏障挡板，也可通过调整反应屏障挡板之间的距离调整反应屏障室的厚度及其在反应室中所处的位置。

在本发明的一种实施方式中，阳极室、阴极室分别与反应室交界处设置一层玻璃纤维滤纸。

在本发明的一种实施方式中，反应屏障挡板与土壤接触面设置一层玻璃纤维滤纸。

在本发明的一种实施方式中，所述阴极电解液储蓄缸和阳极电解液储蓄缸中设置pH自动调节监测仪，实时监测电解液pH；反应屏障室中的pH自动调节监测仪则用于实时调节pH以满足反应屏障填料所需的pH。

本发明的第二个目的是提供所述电动力和反应屏障联合修复受污染土壤的装置在土壤修复领域的应用。

本发明的第三个目的是提供一种电动力耦合渗透性反应格栅(反应屏障)联合修复受污染土壤装置的修复方法，所述方法如下：阴阳极电解液添加0.2mol/L Na₂HPO₄+0.3mol/L NaH₂PO₄缓冲液，在蠕动泵作用下分别在阴阳极形成循环系统；直流电源通过导线相连石墨电极施加在阴阳电极室，控制土柱所受电压梯度为1V/cm；将有机改性过的膨润土和Fe/C填料充分混合作为反应屏障填料；修复反应时间为15天。

在本发明的一种实施方式中，每1-2周清洗阴极电极上产生的不溶性盐渍。

在本发明的一种实施方式中，每6-8小时搅拌阴阳极电解液。

发明有益效果为：

1.在传统电动力学修复污染土壤技术基础上增加了反应屏障，使污染物在电场作用下转移到反应屏障处被反应屏障内填料通过吸附、氧化还原等物理化学反应降解或者去除。当反应屏障以改性的蒙脱石和麦饭石负载铁炭填料时，菲和2,4,6-三氯苯酚总去除率分别高达92.31％和95.87％，而传统电动力学修复技术菲和2,4,6-三氯苯酚总去除率分别仅为26.53％和27.21％。

2.传统铁碳材料作为反应屏障填料时，铁碳之间通透性较差，经过腐蚀之后，铁碳微电解效果迅速下降，也不利于电渗流的产生。因此对反应屏障所使用材料进行创新，将改性粘土和Fe/C进行混合作为反应屏障填料，将改性粘土作为铁碳材料的载体，如此可以大大增强铁碳填料通透性，同时改性粘土又有极强的吸附性能，能对有机物更好的进行铁碳微电解、对重金属进行氧化还原之后再通过吸附达到固化/稳定化目的。当反应屏障采用铁炭填料时菲和2,4,6-三氯苯酚总去除率分别为52.15％和60.45％，而以改性蒙脱石和麦饭石负载铁炭填料时，菲和2,4,6-三氯苯酚总去除率分别高达92.31％和95.87％，

3.反应屏障填料由带孔挡板保护着，便于其更好发挥作用和使用后回收。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明实例1反应室部分结构示意图；其中，1，直流电源；2，阳极电极；3，阴极电极；4，阳极电解液储蓄缸；5，蠕动泵；6，阳极室；7，反应室；8，反应屏障挡板；9，反应屏障装置；10，小卡槽；11，阴极室；12，阴极电解液储蓄缸；13，pH自动调节监测仪；14-，玻璃纤维滤纸。

具体实施方式

本发明提供了一种结合反应屏障和电动力两种技术修复污染土壤的装置及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

测定方法：采用2017年公开的《电动力耦合PRB技术修复POPs污染土壤》论文对土壤中菲和2,4,6-三氯苯酚进行检测。

实施例1

如图1所示，一种电动力和反应屏障联合修复受污染土壤的装置，包括阳极室6、阴极室11、反应室7、直流电源1和石墨电极；所述石墨电极分别为阳极电极2和阴极电极3，分别置于阳极室6、阴极室11中；直流电源1的正负极通过导线分别与阳极电极2和阴极电极3相连；所述阳极电解液储蓄缸4通过蠕动泵5与阳极室6相连，阴极电解液储蓄缸12通过蠕动泵5与阴极室11相连；待处理的污染土壤置于反应室7中，反应室7底部均匀分布着卡槽10，用于反应屏障挡板8的放置；两个平行设置的反应屏障挡板8通过在卡槽10中固定，形成反应屏障室，反应屏障室中填充填料，构成反应屏障装置9；阳极电解液储蓄缸4、阴极电解液储蓄缸12及反应屏障室中均放置一个pH自动调节监测仪13。

反应屏障挡板8由甲基丙烯酸甲酯材质制成，板上均匀分布着小孔，每个挡板厚5mm；反应室7底部等距离均匀分布着高5mm的卡槽，便于安装反应屏障挡板，也可通过调整反应屏障挡板8之间的距离调整反应屏障室的厚度及其在反应室中所处的位置。

阳极室6、阴极室11分别与反应室7交界处设置一层玻璃纤维滤纸；反应屏障挡板8与土壤接触面设置一层玻璃纤维滤纸。

在阴极电解液储蓄缸12和阳极电解液储蓄缸4中设置pH自动调节监测仪13，实时监测电解液pH；反应屏障室中的pH自动调节监测仪13则用于实时调节pH以满足反应屏障填料所需的pH。

该电动力和反应屏障联合修复受污染土壤的装置的运行方式：阳极电解液储蓄缸4通过蠕动泵5与阳极室6构成一个循环系统，阳极电解液从阳极室6进水口进入，从阳极室6出水口出，回流到阳极电解液储蓄缸4。阴极电解液储蓄缸12通过蠕动泵5从阴极室11进水口进，从阴极室11出水口出，回流至阴极电解液储蓄缸12。通过在阴阳极接入直流电源形成电场，反应室7中的污染物在电场作用下通过电迁移和电渗流等作用转移到反应屏障装置9中，在反应屏障装置9中完成吸附、氧化还原等物理化学反应，从而高效去除污染物，

实施例2

反应屏障的制备：将铁粉和碳粉按质量比为6:1的比例混合均匀制成铁碳材料。将膨润土和硅藻土分别按下述方式改性：将粘土碾磨至200目，按液固比2:1加入20％盐酸调浆，混合均匀后在85℃条件下活化3小时后，用清水洗涤3次，脱水干燥；取干燥后的粘土按质量比为4:1与磷酸蜜胺盐溶液混合，搅拌转速900rpm，改性时间为3小时。将改性膨润土和改性硅藻土按体积比为1:1混匀制成改性粘土。取改性粘土与铁碳材料的体积比为1:3，混合均匀制成反应屏障填料，将制备的填料填充在实施例1的反应屏障装置9中。

实施例3

验证修复性能的土壤类型为黏性土壤。采土样，自然风干后粉碎研磨，过2mm筛后储存待用。称取一定量菲和2,4,6-三氯苯酚溶于无水乙醇中，然后加到土壤样品中，充分搅拌混合均匀，置于通风橱室温下培养14天。经测定，实验土壤菲和2,4,6-三氯苯酚浓度为分别350mg/Kg和300mg/Kg。

采用图1所示的装置进行修复，反应室7的长、宽、高分别为25cm、9cm、10cm。反应屏障填料为实施例2中的改性粘土为载体的Fe/C材料，反应屏障装置9安装在靠近阴极室，厚度为4cm。反应屏障装置和土壤之间以及和阴、阳极室之间都用玻璃纤维滤纸隔开。阴、阳极电解液均为0.2mol/L Na₂HPO₄+0.3mol/L NaH₂PO₄混合的缓冲液。初始pH为5.78。阴阳极电极均为石墨电极，形式为柱状，直径1cm，高12cm，属于即插即拔式。电压梯度设置为1V/cm。修复时间为15天，定期清理阴极电极上产生的不溶性盐渍，防止其增加电阻，pH自动调节监测仪实时调节反应屏障填料pH为4。反应结束后测得阳极电解液pH为3.4左右，阴极电解液为7.21左右。检测土壤菲和2,4,6-三氯苯酚总去除率分别为86.22％和90.35％。回收反应屏障材料中的活性炭，检测后发现只有25％左右的吸附性能被使用。

实施例4

将铁粉和碳粉按质量比为6:1的比例混合均匀制成铁碳材料。将干燥的蒙脱土和麦饭石分别研磨过200目筛，分别以3:1和2:1的液固比加入20％盐酸调浆，混合均匀后在90℃条件下活化3个小时，清水洗涤三次后脱水干燥，干燥后以4:1的质量比与磷酸蜜胺盐溶液混合，900rpm转速下改性3小时。将改性后蒙脱石和麦饭石按体积比2:1均匀制成改性材料，然后改性材料与铁碳材料体积比为1:3混合均匀制成反应屏障材料。再次以实施例2中的污染土壤为实验土样，实验装置及方法同实施例3，考察污染物去除效果。结果显示，以改性的蒙脱石和麦饭石为铁碳填料载体时，菲和2,4,6-三氯苯酚总去除率分别高达92.31％和95.87％，实验结束后回收反应屏障材料中的活性炭，检测后发现只有34％左右的吸附性能被使用。

对比例1

具体实施方式同实施例3，区别在于，采用的填料是铁粉和炭粉按质量比为6:1的比例混合均匀制成铁炭材料，对修复后的土壤成分进行分析，菲和2,4,6-三氯苯酚总去除率分别只有52.15％和60.45％。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种电动力和反应屏障联合修复受污染土壤的装置，其特征在于，包括阳极室、阴极室和反应室；在反应室与阳极室、阴极室的交界处设置反应屏障；所述反应屏障的填料包括改性粘土和Fe/C混合物。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应屏障中的填料由体积比为1:20～20:1的改性粘土和铁碳(Fe0/C)材料制成；所述铁碳(Fe0/C)材料中质量比Fe0：C为3:1～10:1。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述改性粘土以下述一种或几种为原料：膨润土、海泡石、蒙脱石、沸石、埃洛石、凹凸棒石、麦饭石、硅藻土、伊利石。

4.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述改性粘土是经过无机酸改性处理和有机插层剂磷酸蜜铵盐插层改性的天然粘土。

5.根据权利要求1～4任一所述的装置，其特征在于，包括阳极室、阴极室、反应室、直流电源和石墨电极；所述石墨电极分别为阳极电极和阴极电极，分别置于阳极室、阴极室中；直流电源的正负极通过导线分别与阳极电极和阴极电极相连；反应室底部均匀分布着卡槽；两个平行设置的反应屏障挡板通过在卡槽中固定，形成反应屏障，反应屏障中填充填料，填料包括改性粘土和Fe/C混合物。

6.根据权利要求5所述的装置，所述反应屏障挡板由甲基丙烯酸甲酯材质制成，板上均匀分布着小孔。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，反应室底部等距离均匀分布着卡槽，便于安装反应屏障挡板，也可通过调整反应屏障挡板之间的距离调整反应屏障的厚度及其在反应室中所处的位置。

8.权利要求1～7任一所述的电动力和反应屏障联合修复受污染土壤的装置在土壤修复领域的应用。

9.一种修复受污染土壤的方法，其特征在于，应用权利要求1～8任一所述的装置，将受污染的土壤置于反应室中，阴、阳极室分别填充Na₂HPO₄/NaH₂PO₄缓冲液；直流电源通过导线相连石墨电极施加在阴、阳极室，控制土壤所受电压梯度为0.5～1V/cm；将有机改性过的膨润土和Fe/C填料充分混合作为反应屏障填料；修复反应时间为10～20天。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，每1-2周清洗阴极电极上产生的不溶性盐渍，每6-8小时搅拌阴阳极电解液。