CN109513741B - 用于修复污染土壤的装置及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于修复污染土壤的装置及修复方法，包括电动修复装置及电絮凝装置；其中，所述电动修复装置包括阳极和阴极，电絮凝装置位于电动修复装置的阳极和阴极间，并距离电动修复装置的阴极或阳极1/3～1/10处；修复时将电动修复装置及电絮凝装置设于土壤中，接通电动修复装置的电源，电动修复0.5～20天，在电动修复时间段的1/3～1/2时，接通电絮凝装置进行同时修复，直至结束。本装置结构紧凑、稳定性好，不存在吸附剂吸附饱和的问题，无需更换渗透反应墙，避免了吸附材料孔道堵塞和钝化的问题；同时，修复时对重金属去除能力强，去除效果相比于现有的方法能够提高20～30％，且成本节约35～50％。

Description

用于修复污染土壤的装置及修复方法

技术领域

本发明属于污染土壤修复领域，尤其涉及一种用于修复污染土壤的装置及修复方法。

背景技术

土壤电动修复(EKR)基本原理是，将电极插入受污染的土壤溶液中，在电极上施加直流电后，两电极之间形成直流电场，由于土壤颗粒表面具有双电层，并且孔隙溶液中离子或颗粒物带有电荷，电场条件下土壤孔隙中的水溶液产生电渗流，同时重金属离子在电迁移的作用下离开处理区，到达电极区的污染物一般通过电沉积或者抽离含有高浓度的电解液从而被去除，以至达到修复的目的。

由于EKR单一修复技术往往难以达到修复目标，目前采用将电动修复-可渗透性反应墙(EKR-PRB)协同修复技术共同修复污染土壤，即把合适的活性吸附介质(硅藻土、零价铁、氢氧化铝、氢氧化铁等吸附物质)填充于反应墙中，将墙体设置在垂直于EKR单元的电流方向。电动修复时，污染物离子分子在电场作用下以电迁移、电渗流和电泳的方式迁移到反应墙中，被反应墙内的活性吸附介质吸附并截留，这使得污染物在此富集，从而达到修复的目的。但在采用EKR-PRB进行重金属污染土壤修复时，随着时间的进行可渗透反应墙中的活性吸附填充材料会出现钝化、堵塞、腐蚀等问题，需要定期更换填充材料，外加填充材料昂贵(零价铁成本高)和选择污染物局限性，在经过长时间的使用后，EKR-PRB协同修复技术弊端日趋明显，土壤污染物的处理效率随之降低。

因此，现亟需一种能够有效规避和解决电动修复过程中活性吸附材料的钝化、材料间微孔堵塞、定期更换填充材料、填充材料昂贵和选择污染物局限性等问题的修复污染土壤的方法。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种用于修复污染土壤的装置；

本发明的第二目的是提供采用上述装置修复污染土壤的方法，该方法能够有效规避和解决材料钝化、材料间微孔堵塞、定期更换填充材料、填充材料昂贵和选择污染物局限性等问题。

技术方案：本发明用于修复污染土壤的装置，包括电动修复装置及电絮凝装置；其中，所述电动修复装置包括阳极和阴极，电絮凝装置位于电动修复装置的阳极和阴极间，并距离电动修复装置的阳极或阴极的1/3～1/10阴阳极总距离处，其包括若干电絮凝阳极和相应的电絮凝阴极，该电絮凝阳极及电絮凝阴极组成电絮凝室。

本发明通过将电动修复装置及电絮凝装置进行结合，协同修复土壤金属污染的方法，通过电动修复(EKR)电场作用使得污染物在土壤中传递，通过电絮凝(EC)产生具有高表面活性、高比表面积的吸附絮体来吸附污染物，在这两种机制的协同作用下实现污染物的实在传输和原位吸附处理，进而能够规避现有的EKR-PRB协同处理时出现的多孔材料钝化、微孔堵塞问题，能够解决目前技术需要定期更换填充材料、填充材料昂贵和选择污染物局限性等问题。

进一步说，对于阳离子污染土壤，电絮凝装置位于距离阴极1/3～1/10的阴阳极总距离处；对于阴离子污染土壤，电絮凝装置位于距离阳极1/3～1/10的阴阳极总距离处。电动修复装置的阳极和阴极分别通过阳极井和阴极井设于土壤室内。

优选的，电絮凝装置中的若干电絮凝阳极和相应的电絮凝阴极的排布可为垂直于电动修复装置的电流方向或平行于电动修复装置的电流方向。当若干电絮凝阳极和相应的电絮凝阴极的垂直于电动修复装置的电流方向设置时，所述电絮凝阳极为多孔铁和铝电极，电絮凝阴极为多孔铁电极、铝电极、碳电极或石墨电极。。当若干电絮凝阳极和相应的电絮凝阴极的平行于电动修复装置的电流方向设置时，电絮凝阳极为平板实心铁或铝电极，电絮凝阴极为平板实心铁电极、铝电极、碳电极或石墨电极。

本发明采用上述装置修复污染土壤的方法，包括如下步骤：将电动修复装置及电絮凝装置设于土壤内，接通电动修复装置的电源，电动修复0.5-20天，在电动修复时间段的前1/3～1/2时，接通电絮凝装置的电源，在电絮凝电解槽内pH 5-9条件下开始电絮凝电解反应，即可。

本发明通过将EKR-EC协同修复受污染的土壤，对于污染物离子为重金属离子的土壤，在EKR的两极间通入电压产生微弱电流，在两电极辐射区域内的阳离子主要受电迁移作用往阴极迁移，在阴极富集，同理阴离子往阳极迁移。同时，两极附近发生电解作用，阳极水电解产生H⁺和O₂，阴极水电解产生OH^-和H₂，阳极附近形成酸性区域，阴极附近形成碱性区域，由于H⁺的扩散系数高于OH^-，因此酸性控制区的范围大于碱性控制区，重金属离子能够在碱性条件下发生沉淀反应，从而通过附着和吸附的方式固定在土壤中，因此碱性区的存在不利于重金属离子的迁移和分离，固本发明将电絮凝装置设于碱性区域，设于阴阳两极区域偏向于阴极的1/3～1/10区域，以避免重金属离子传递进入OH^-离子富集区；而对于污染物离子为阴离子的土壤，阴离子在电场下是沿着电场线的反方向，由阴极向阳极迁移，因此本发明针对污染物离子为阴离子的土壤，在阳极区域设置电絮凝吸附装置，以吸附电动修复中迁移过来的阴离子，故将电絮凝(EC)装置设于阴阳两极区域偏向于阳极的1/3～1/10区域，进而在污染物重金属离子传递进入OH^-离子富集区之前用电絮凝絮体截留这些污染物离子，对阴离子进行吸附和截留。

在电絮凝过程中，可溶性金属电极(Fe或Al电极)作为阳极，在通电的情况下可以电解出金属阳离子(Fe²⁺、Fe³⁺或Al³⁺)，而阴极电解水产生H₂和OH^-，在电场的作用下金属阳离子和OH^-通过电迁移在溶液中相互结合生成一系列单核或多核的羟基络合物及氢氧化物，最终形成具有较大比表面积和富含表面羟基(·OH)的氢氧化物絮体。在EKR过程中，污染物离子通过电迁移传质到电絮凝体系中，污染物离子与电絮凝产生的絮体相遇，这些絮体可以通过吸附、网捕、吸附架桥和电性中和作用将污染物离子去除。吸附了重金属离子的絮体在电絮凝阴极产生的H₂的作用下气浮至电解槽顶部，实现固液分离。

在电絮凝过程中一些污染物在阴阳极还可以直接被氧化还原成无毒物质，达到去除污染物的效果。此外，EKR-EC两者协同处理修复受污染的土壤，同时还从根本上解决了上述渗透反应墙填料的系列问题。

进一步说，本发明针对的污染土壤含水率为35～65％，电导率为100～5000us/cm，电场强度为0.1～5V/cm。含水率为35～65％，进而一方面能保证电动修复过程的高效进行，另一方面能够降低能耗。

更进一步说，电动修复装置的电场强度为0.1～1V/cm，电絮凝装置的电流密度为0.01～1mA/cm²。电絮凝的电源输入为直流、交流、脉冲或周期。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该装置结构紧凑、稳定性好，操作灵活简便，不存在吸附剂吸附饱和的问题，无需更换渗透反应墙，避免了吸附材料孔道堵塞和钝化的问题，实现土壤重金属污染物的原位修复；采用该装置对污染土壤进行修复，对重金属去除能力强，相比于现有的方法能够提高20～30％，且成本节约35～50％。

附图说明

图1为电絮凝装置电极与电动修复装置的电流方向垂直的示意图；

图2为电絮凝装置电极与电动修复装置的电流方向垂直的俯视图；

图3为电絮凝装置电极与电动修复装置的电流方向平行的示意图；

图4为电絮凝装置电极与电动修复装置的电流方向平行的俯视图；

图5为本发明电动修复过程中阳极和阴极之间H⁺和OH^-离子浓度的分布图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明用于修复污染土壤的装置，包括电动修复装置及电絮凝装置。其中，电动修复装置包括设于土壤8内的阳极井6和阴极井7，该阳极井6和阴极井7内分别设有柱状阳极1和柱状阴极2，阳极1和阴极2间通过导线连接电源，并还设置开关和电流表，电源可为恒压式直流电源。位于电动修复装置的阳极1和阴极2间，并距离电动修复装置的阳极1或阴极2的1/3～1/10阴阳极总距离处，其包括若干电絮凝阳极3和相应的电絮凝阴极4，该电絮凝阳极3及电絮凝阴极4组成电絮凝室5，电絮凝阳极3及电絮凝阴极4间通过导线连接电源，并还设置开关和电流表，该电源输入可为直流、交流、脉冲或周期。

电絮凝装置中的若干电絮凝阳极4和相应的电絮凝阴极5的排布方式可为两种：一为垂直于电动修复装置的电流方向，采用该排布方式时，电絮凝阳极3为多孔铁和铝电极，电絮凝阴极4可为多孔铁电极、铝电极、碳电极或石墨电极，如图1及图2所示；二为平行于电动修复装置的电流方向，采用该排布方式时，电絮凝阳极3为平板实心铁或铝电极，电絮凝阴极4为平板实心铁电极、铝电极、碳电极或石墨电极，如图3和4所示。

本发明的土壤修复方法针对土壤含水率大于20％，孔隙率大于12％，优选土壤含水率为35～65％，该范围一方面能保证电动修复过程的高效进行，另一方面能够降低能耗。污染土壤的电导率为100～5000us/cm，电场强度为0.1～5V/cm。

本发明采用上述装置修复污染土壤的方法，包括如下步骤：将电动修复装置及电絮凝装置置于土壤中，接通电动修复装置的电源，在pH 4～10条件下电动修复0.5～20天，在电动修复时间段的前1/3～1/2时，接通电絮凝装置的电源，在电絮凝电解槽内pH 5-9条件下，开始电絮凝电解反应，直至电动修复装置结束，即完成了修复作业；其中，电动修复的电场强度为0.1～1V/cm，电絮凝装置的电流密度为0.1～2mA/cm²。

为了佐证本发明原理，对实际的土壤电动修复进行了酸碱传质模拟计算和实验验证。具体模拟计算和实验装置描述为，将阳极置于0.3m位置处，将阴极置于0.7m位置处，阳极和阴极之间进行电动修复电解反应，阳极反应是水电解为H⁺和氧气，阴极反应是水电解为OH^-和氢气，在不同的电流密度下获得如图5所示的土壤电动修复过程H⁺和OH^-离子浓度的分布图，通过该图可知阳极区域的H⁺浓度出现较高的峰值，阴极区域OH^-离子浓度出现较高的峰值。

其中，调节电絮凝室5内的pH值，使得电絮凝电解槽内pH 5-9条件。在进行电絮凝反应时将其电流密度设为0.1～2mA/cm²，进而能够使电絮凝产生较多的絮体，提高EC装置区域中废水处理效率，且随着电絮凝反应的进行，连续或者定期将漂浮于水面的絮体用刮刀刮走，或者用其他方法移除即可。

实施例1

将电动修复装置及电絮凝装置设于含水率为45％、电导率为1000us/cm、pH值为6.5的镉污染土壤内，该镉污染土壤中镉重金属离子的总浓度为800ppm。电动修复装置阴阳极选用柱状石墨电极；电絮凝装置的电极和电动修复的电流方向垂直，阳极选用多孔铁电极，阴极选用多孔石墨电极，电絮凝装置位于电动修复阴阳极之间，靠近阴极1/3阴阳极总距离的位置。接通电动修复装置的电源，采用直流电源，设置电场强度为0.5V/cm，开始电动修复，电动修复20天；在电动修复总时间的1/2时，接通电絮凝装置的电源，电流密度为0.5mA/cm²，与电动修复同时进行修复，直至电动修复时间结束。经检测土壤中镉重金属去除率达到89.1％。

实施例2

将电动修复装置及电絮凝装置设于含水率为45％、电导率为1000us/cm的铜污染土壤，该污染土壤中铜重金属离子的总浓度为300ppm。电动修复装置阴阳极选用柱状石墨电极；电絮凝装置的电极和电动修复的电流方向平行，阳极选用平板铝电极，阴极选用平板铝电极。电絮凝装置的位置位于电动修复阴阳极之间，靠近阴极的阴阳极总距离1/8的位置。接通电动修复装置的电源，采用间断周期电源，设置电场强度为1V/cm，开始电动修复，电动修复10天；在电动修复总时间的1/3时，接通电絮凝装置的电源，电流密度为1mA/cm²，与电动修复同时进行修复，直至电动修复时间结束。经检测土壤中铜重金属去除率达到71.9％。

实施例3

将电动修复装置及电絮凝装置设于含水率为45％、电导率为1000us/cm的氟污染土壤，该污染土壤中氟离子的总浓度为1000ppm。电动修复装置阴阳极选用柱状石墨电极；电絮凝装置的电极和电动修复的电流方向垂直，电絮凝装置阳极选用多孔铁电极，阴极选用多孔铁电极。电絮凝装置的位置位于电动修复阴阳极之间，靠近阳极的阴阳极总距离1/4的位置。接通电动修复装置的电源，采用间断周期电源，设置电场强度为0.75V/cm，开始电动修复，电动修复5天；在电动修复总时间的2/5时，接通电絮凝装置的电源，电流密度为2mA/cm²，与电动修复同时进行修复，直至电动修复时间结束。经检测土壤中氟去除率达到69.2％。

实施例4

将电动修复装置及电絮凝装置设于含水率为45％、电导率为1000us/cm的铬(VI)污染土壤，该污染土壤中铬(VI)重金属离子的总浓度为200ppm。电动修复装置阴阳极选用柱状石墨电极；电动修复装置阴阳极选用柱状石墨电极；电絮凝装置的电极和电动修复的电流方向平行，电絮凝装置阳极选用平板铝电极，阴极选用平板石墨电极。电絮凝装置的位置位于电动修复阴阳极之间，靠近阳极的阴阳极总距离1/10的位置。接通电动修复装置的电源，采用直流电源，设置电场强度为0.8V/cm，开始电动修复，电动修复15天；在电动修复总时间的1/3时，接通电絮凝装置的电源，电流密度为2mA/cm²，与电动修复同时进行修复，直至电动修复时间结束。经检测土壤中总铬去除率达到74.4％。

本发明的电动修复装置及电絮凝装置可根据实际的需求修复的土壤大小设计成不同的尺寸大小。通过上述可知，本发明的装置能够有效去除污染土壤中的重金属。

Claims (6)

1.一种修复污染土壤的方法，其特征在于：该方法中涉及的装置包括电动修复装置及电絮凝装置；其中，所述电动修复装置包括阳极（1）和阴极（2），电絮凝装置位于电动修复装置的阳极（1）和阴极（2）间，其包括若干电絮凝阳极（3）和相应的电絮凝阴极（4），若干电絮凝阳极（3）和相应的电絮凝阴极（4）的排布为垂直于电动修复装置的电流方向或平行于电动修复装置的电流方向,该电絮凝阳极（3）及电絮凝阴极（4）组成电絮凝室（5）, 对于阳离子污染土壤，所述电絮凝装置位于距离阴极1/3~1/10的阴阳极总距离处；对于阴离子污染土壤，所述电絮凝装置位于距离阳极1/3~1/10的阴阳极总距离处；将电动修复装置及电絮凝装置设于土壤内，接通电动修复装置的电源，电动修复5-20天，在电动修复时间段的前1/3~1/2时，接通电絮凝装置的电源，在电絮凝电解槽内pH 5-9条件下开始电絮凝电解反应，即可，其中，污染土壤含水率为35~65%，电导率为100~5000us/cm，电场强度为0.1~5V/cm。

2.根据权利要求1所述的修复污染土壤的方法，其特征在于：所述电动修复装置的阳极（1）和阴极（2）分别通过阳极井（6）和阴极井（7）设于土壤内。

3.根据权利要求1所述的修复污染土壤的方法，其特征在于：所述若干电絮凝阳极（3）和相应的电絮凝阴极（4）的垂直于电动修复装置的电流方向设置时，所述电絮凝阳极（3）为多孔铁电极或多孔铝电极，电絮凝阴极（4）为多孔铁电极、多孔铝电极、多孔碳电极或多孔石墨电极。

4.根据权利要求1所述的修复污染土壤的方法，其特征在于：所述若干电絮凝阳极（3）和相应的电絮凝阴极（4）的平行于电动修复装置的电流方向设置时，所述电絮凝阳极（3）为平板实心铁或平板实心铝电极，电絮凝阴极（4）为平板实心铁电极、平板实心铝电极、平板实心碳电极或平板实心石墨电极。

5.根据权利要求1所述的修复污染土壤的方法，其特征在于：所述电动修复装置的电场强度为0.1~1V/cm，电絮凝装置的电流密度为0.1~2 mA/cm²。

6.根据权利要求1所述的修复污染土壤的方法，其特征在于：所述电絮凝装置的电源输入为直流或交流。

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