CN109454104A - 基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法，将电极转换技术、土壤化学淋洗修复技术及电动修复技术进行结合，其能够在更大程度上更有效地去除土壤中的重金属污染物；利用电极转换技术，有效缩短了重金属污染物运移至渗透性反应墙的距离，能够显著提高电动修复的效率；分别在阳极室和阴极室添加pH调节溶液，有效避免了重金属离子在电极附近发生化学反应，生成沉淀；预先将重金属污染土壤用化学淋洗剂进行淋洗，大量的重金属污染物会溶解进入淋洗液中，利于后期施加直流电场后重金属污染物质的运移及分离。
Description
技术领域
本发明涉及重金属污染土电动修复领域，尤其涉及一种基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法。
背景技术
在我国城市化和工业化的建设过程中，土壤污染问题日益严峻，其中重金属污染问题尤其突出。重金属在土壤中的迁移特性非常差，其具有残留时间长、毒性大以及隐蔽性强等特点。重金属污染的危害是非常严重的，它能够通过食物链的富集危害人类的生命健康，对人类的生存构成严重的威胁。因此，对于重金属污染土的治理和修复问题亟待解决。目前关于重金属污染土的修复技术主要包括：客土覆盖修复、换土置换修复、热处理修复、土壤淋洗修复、微生物修复以及电动修复。
现有技术一的技术方案
该方法将无污染的干净土壤直接覆盖在有重金属污染的土壤表面，使被污染土壤深埋地下（Zhang P., Jin C., Sun Z., et al. Assessment of Acid Enhancement Schemesfor Electrokinetic Remediation of Cd/Pb Contaminated Soil[J]. Water, Air &Soil Pollution, 2016, 227(6): 1-12）。
现有技术一的缺点
重金属污染土壤未被有效治理，修复后的土壤中仍然存有大量的重金属污染物，其上种植的植物依旧存在根系吸收重金属并积累的潜在风险。
现有技术二的技术方案
该方法首先将已经遭受污染的土壤挖出转移，再将无污染的干净土壤替换其中（Virkutyte J., Sillanpaa M., Latostenmaa P. Electrokinetic soil remediation-critical overview[J]. Science of the Total Environment, 2002, 289(1): 97-121）。
现有技术二的缺点
该方法修复操作复杂，治理成本较高，只能应用于小块重金属污染土壤的治理；原先已经遭受重金属污染的土壤的治理问题未得到有效解决。
现有技术三的技术方案
该方法是对重金属污染的土壤进行加热，使得一些容易挥发的污染物（重金属、有机污染物以及无机污染物）能够在加热过程中挥发或分解，进而与土壤分离（Wan J., Li Z.,Lu X., et al. Remediation of a hexachlorobenzene-contaminated soil bysurfactant-enhanced electrokinetics coupled with microscale Pd/Fe PRB[J].Journal of hazardous materials, 2010, 184(1): 184-190）。
现有技术三的缺点
挥发性较弱的污染物得不到有效去除，该方法的局限性较大；该方法对于黏性较大的土壤以及电导性差的土壤的治理效果较差；加热过程中，从土壤中分离出的重金属污染物被直接排放至大气循环中，对空气的危害较大，且容易在降雨作用下再次发生沉降进入土壤，造成二次污染，故而从长期来看该方法处理效果不太理想。
现有技术四的技术方案
该方法首先将土壤淋洗溶液（表面活性剂或者螯合剂）加入到重金属污染土壤中，再利用水压力作用将土壤淋洗溶液运移到土壤颗粒表面，使得吸附在土壤颗粒表面的重金属污染物发生溶解进而进入至土壤淋洗液中，最后再将使用后的土壤淋洗液收集、处理（BaraudF., Tellier S., Astruc M. Temperature effect on ionic transport during soilelectrokinetic treatment at constant pH[J]. Journal of hazardous materials,1999, 64(3): 263-281）。
现有技术四的缺点
淋洗液的价格较高，会造成重金属污染土壤的修复成本增加；该技术对于重金属黏性土壤的治理效果不佳；收集淋洗废液后需对其进行处理后才可排入到环境中，这同样增加了修复成本。
现有技术五的技术方案
该方法是利用微生物（主要为细菌）的降解作用将污染物质转化为毒性较低的形态或者是将其转化为在环境中比较稳定的形态（Mascia M., Vacca A., Palmas S. Effect ofsurface equilibria on the electrokinetic behavior of Pb and Cd ions inkaolinite[J]. Journal of Chemical Technology and Biotech, 2015, 90(7): 1290-1298）。
现有技术五的缺点
该方法的修复周期较长；在细粒含量较高的土壤中，由于其渗透系数较低，在微生物修复过程中不能及时有效的向土壤中注入微生物生长、繁衍所必须的营养物质，所以该技术不适宜用于重金属污染的细粒土壤的治理。
现有技术六的技术方案
该方法首先将电极插入重金属污染土区域，然后电极两端通以直流电源进而形成电场，使得包括重金属离子和有机物质在内的污染物在外加直流电场作用下发生定向移动，在土壤两侧的电极区域富集，最后再利用离子交换树脂、电镀等收集方法将污染物进行收集（梁志刚, 柯翰, 陈云敏. 污染土的电动修复机理及应用中的关键问题. 第一届全国环境岩土工程与土工合成材料技术研讨会论文集, 211-216）。
现有技术六的缺点
阴极发生还原反应，产生氢根离子，其容易于重金属离子发生化学反应，生成沉淀，降低重金属污染物的去除效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法，通过实行电极转换技术，让更多的重金属污染物与设置的渗透性反应墙内的填充基材发生反应，在更大程度上将重金属污染物与土壤分离。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法，包含以下步骤：
步骤a. 将渗透性反应墙固定于土壤室两侧筛孔之间；
步骤b. 将磨碎后的重金属污染土放入土壤室中，使其封堵住土壤室两侧的筛孔，并用化学淋洗液饱和重金属污染土A小时，所述A小时为预设的饱和时间阈值；
步骤c. 在试验模型槽的两侧电极槽中分别插入B根碳棒电极作为试验用电极；
步骤d. 将装有饱和重金属污染土的土壤室放入试验模型槽中；
步骤e. 将pH调节溶液分别注入试验模型槽两侧的阴极室、阳极室，用以调节试验模型槽两侧电极处土壤的pH值；
步骤f. 用导线将直流电源的正负极分别和试验模型槽的两侧电极槽中的碳棒电极连接，行程闭合电路；
步骤g. 接通电路，进行电动修复，每次间隔C小时，转换电极的阴、阳极，同时更换试验模型槽阴极室、阳极室中的pH调节溶液，所述C小时为预设的周期时间阈值；
步骤h. 当土壤室中的重金属含量小于预设的含量阈值时，关闭直流电源。
作为本发明基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法进一步的优化方法，所述A小时为24小时。
作为本发明基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法进一步的优化方法，所述B根为3根。
作为本发明基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法进一步的优化方法，所述C小时为12小时。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 利用电极转换技术，有效缩短了重金属污染物运移至渗透性反应墙的距离，大大提高了修复效率，且改善了修复效果；
2. 预先用淋洗剂对重金属污染土进行处理，使得吸附在土壤颗粒表面的重金属污染物得以溶解进入淋洗液中，利于其在电场作用下的运移；
3. 通过在阴极室、阳极室添加pH调节溶液，能够有效维持土壤的pH值，避免重金属离子在电极附近区域发生沉淀；
4. 将电极转换技术与化学淋洗修复技术以及电动修复技术进行结合，更大程度上发挥了各技术的优势，显著改善了重金属污染土壤的修复效果。
附图说明
图1是本发明中土壤室的结构示意图；
图2是本发明中试验模型槽的结构示意图；
图3是本发明中修复系统的结构示意图。
图中，1-土壤室，2-渗透性反应墙，3-筛孔，4-电极槽，5-排水口，6-碳棒电极，7-出流口，8-试验模型槽，9-直流电源，10-导线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
实施例1：一种基于电极转换进行电动修复Cd污染土的室内试验方法，包含以下步骤：
步骤a. 如图1所示，将渗透性反应墙固定于土壤室两侧筛孔之间；
步骤b. 将磨碎后的Cd污染土放入土壤室中，使其封堵住土壤室两侧的筛孔，并用化学淋洗液饱和Cd污染土24小时；
步骤c. 如图2所示，在试验模型槽的两侧电极槽中分别插入3根碳棒电极作为试验用电极；
步骤d. 将装有饱和Cd污染土的土壤室放入试验模型槽中；
步骤e. 将pH调节溶液分别注入试验模型槽两侧的阴极室、阳极室，用以调节试验模型槽两侧电极处土壤的pH值；
步骤f. 用导线将直流电源的正负极分别和试验模型槽的两侧电极槽中的碳棒电极连接，行程闭合电路，如图3所示；
步骤g. 接通电路，进行电动修复，每次间隔12小时，转换电极的阴、阳极，同时更换试验模型槽阴极室、阳极室中的pH调节溶液；
步骤h. 当土壤室中的Cd含量小于预设的Cd含量阈值时，关闭直流电源。
在本例中，基于电极转换技术进行电动修复Cd污染土的机理为：1、在化学淋洗剂作用下，吸附或沉淀在土壤中的重金属Cd会通过络合、溶解、解析等方式，进入到淋洗剂溶液中；2、细小土壤颗粒、腐殖质颗粒和微生物细胞等土壤溶液中的带电胶体粒子在外加直流电场作用下发生迁移，吸附于这些胶体颗粒上的Cd污染物也会随之运动，最终被去除；3、在外加直流电场作用下，土壤孔隙液中的离子型复合物和带电离子会向电性相反电极方向运动，阴离子型污染物向阳极运动，阳离子型污染物向阴极移动；4、在外加电场作用下土壤中孔隙液体的流动就是电渗流，而重金属离子能够随着电渗流一起迁移；5、在直流电场作用下，Cd重金属污染物在运移过程中，与设置的渗透性反应墙内的填充基材发生反应，有效移除了重金属污染物。
实施例2：一种基于电极转换进行电动修复Cu污染土的室内试验方法，包含以下步骤：
步骤a. 将渗透性反应墙固定于土壤室两侧筛孔之间；
步骤b. 将磨碎后的Cu污染土放入土壤室中，使其封堵住土壤室两侧的筛孔，并用化学淋洗液饱和Cu污染土24小时；
步骤c. 在试验模型槽的两侧电极槽中分别插入3根碳棒电极作为试验用电极；
步骤d. 将装有饱和Cu污染土的土壤室放入试验模型槽中；
步骤e. 将pH调节溶液分别注入试验模型槽两侧的阴极室、阳极室，用以调节试验模型槽两侧电极处土壤的pH值；
步骤f. 用导线将直流电源的正负极分别和试验模型槽的两侧电极槽中的碳棒电极连接，行程闭合电路；
步骤g. 接通电路，进行电动修复，每次间隔12小时，转换电极的阴、阳极，同时更换试验模型槽阴极室、阳极室中的pH调节溶液；
步骤h. 当土壤室中的Cu含量小于预设的Cu含量阈值时，关闭直流电源。
在本例中，基于电极转换技术进行电动修复Cu污染土的机理为：1、在化学淋洗剂作用下，吸附或沉淀在土壤中的重金属Cu会通过络合、溶解、解析等方式，进入到淋洗剂溶液中；2、细小土壤颗粒、腐殖质颗粒和微生物细胞等土壤溶液中的带电胶体粒子在外加直流电场作用下发生迁移，吸附于这些胶体颗粒上的Cu污染物也会随之运动，最终被去除；3、在外加直流电场作用下，土壤孔隙液中的离子型复合物和带电离子会向电性相反电极方向运动，阴离子型污染物向阳极运动，阳离子型污染物向阴极移动；4、在外加电场作用下土壤中孔隙液体的流动就是电渗流，而重金属离子能够随着电渗流一起迁移；5、在直流电场作用下，Cu重金属污染物在运移过程中，与设置的渗透性反应墙内的填充基材发生反应，有效移除了重金属污染物。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤a. 将渗透性反应墙固定于土壤室两侧筛孔之间；
步骤b. 将磨碎后的重金属污染土放入土壤室中，使其封堵住土壤室两侧的筛孔，并用化学淋洗液饱和重金属污染土A小时，所述A小时为预设的饱和时间阈值；
步骤c. 在试验模型槽的两侧电极槽中分别插入B根碳棒电极作为试验用电极；
步骤d. 将装有饱和重金属污染土的土壤室放入试验模型槽中；
步骤e. 将pH调节溶液分别注入试验模型槽两侧的阴极室、阳极室，用以调节试验模型槽两侧电极处土壤的pH值；
步骤f. 用导线将直流电源的正负极分别和试验模型槽的两侧电极槽中的碳棒电极连接，行程闭合电路；
步骤g. 接通电路，进行电动修复，每次间隔C小时，转换电极的阴、阳极，同时更换试验模型槽阴极室、阳极室中的pH调节溶液，所述C小时为预设的周期时间阈值；
步骤h. 当土壤室中的重金属含量小于预设的含量阈值时，关闭直流电源。
2.根据权利要求1所述的基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法，其特征在于，所述A小时为24小时。
3.根据权利要求1所述的基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法，其特征在于，所述B根为3根。
4.根据权利要求1所述的基于电极转换进行电动修复重金属污染土的室内试验方法，其特征在于，所述C小时为12小时。
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