CN110479753A - 一种有机污染土壤的微波催化氧化设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种有机污染土壤的微波催化氧化设备，包括设备支架和微波反应釜，微波反应釜设在设备支架上，微波反应釜的上部设有进料口和排气口，微波反应釜的下部设有出料口，微波反应釜外壁四周上设有设有若干个均匀分布的微波源，微波反应釜内设有由搅拌器，微波反应釜上设有测温仪；设备支架上设有控制器，测温仪与控制器的输入端电连接，控制器用于控制微波源和搅拌器工作。本发明采用自动控温方式，保持系统在高温环境下进行氧化反应；本发明通过搅拌器一方面能保证土壤混合液之间能快速流动，另一方面能保证土壤混合液之间均匀混合，能有效提高微波的利用效率而且耗能小和加热均匀。

Description

一种有机污染土壤的微波催化氧化设备及方法

技术领域

本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种有机污染土壤的微波催化氧化设备及方法。

背景技术

由于石油的泄漏、化石燃料的燃烧、工业废水的排放和固体废物的堆放以及农药的广泛使用，致使多氯联苯、多环芳烃、有机氯、石油醚和有机磷农药等有机污染物进入土壤环境，且易被土壤颗粒吸附而长时间残留于土壤环境中。这些有机物中有很多是致癌物，容易通过植物或动物进入食物链，严重威胁人体健康和环境安全，是当前亟需解决的土壤环境问题。

传统加热法先加热周围环境，然后借热量的传递或通过热空气的对流，使物体的表面先热，再通过物体的热传导传到内部。微波具有穿透到物质内部的特性，随频率的不同其穿透深度从几毫米到几十厘米。除了极大的物体外，微波能做到使被加热的物体里外同时加热，不会出现"外焦里不熟"的夹生现象。由于微波加热是物体里外同时加热，大大缩短了加热时间，在农业、食品及化工等行业得到广泛应用。微波加热因具有选择性(大多数土壤组分对微波加热是透明的，不直接吸收微波能)、热效率高(直接作用于土壤中的有机污染物和水分子等吸波物质)、便于控制、无二次污染等特点而被研究用于污染土壤的修复。微波除产生热效应外，还能通过非热效应降低化学反应活化能、改变反应动力学、催化化学反应。微波诱导催化氧化反应的一般原理是：微波首先作用于催化剂或其载体使其迅速升温而产生活性点位，当污染物与其接触时被诱导发生催化反应。但是传统微波存在如下的缺点：1.传统微波功率不高，温度达不到土壤处理所需温度；2.传统微波主要集中在微波反应釜的底部加热，对土壤加热不均匀，导致污染土壤不能得到充分有效处理；3.传统微波是间歇式加热，微波场分散且启动能耗较大，利用效率低；4.传统微波采用空气冷却方式，冷却效率低且磁控管使用寿命短；5.传统微波移动麻烦，灵活性差，不利于多方位的场地修复。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种有机污染土壤的微波催化氧化设备，具有微波利用效率高、耗能小、加热均匀、寿命长、灵活性强等特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种有机污染土壤的微波催化氧化设备，包括设备支架和微波反应釜，微波反应釜设在设备支架上，微波反应釜的上部设有进料口和排气口，微波反应釜的下部设有出料口，微波反应釜外壁四周上设有设有若干个均匀分布的微波源，微波反应釜内设有由搅拌器，微波反应釜上设有测温仪；设备支架上设有控制器，测温仪与控制器的输入端电连接，控制器用于控制微波源和搅拌器工作。

由上可知，本发明在使用时，首先将待处理的土壤通过进料口放进微波反应釜中，并调节土壤的含水率至80％～100％，然后接着通过进料口向微波反应釜添加铁碳及过硫酸盐，接着关闭进料口，通过控制器设定微波反应釜运行温度，当实际温度低于运行温度时，控制器控制微波源和搅拌器工作，保持系统在高温环境下进行氧化反应，微波源提供微波对土壤进行加热，搅拌器将土壤搅匀，微波加热过程产生的气体通过排气口排出，当运行时间为30～60分钟后，控制器控制微波源和搅拌器停止，将土壤从出料口排出并回收利用。

综上所述，本发明采用自动控温方式，通过控制器设定微波反应釜运行温度，当实际温度低于运行温度时，控制器控制微波源和搅拌器工作，保持系统在高温环境下进行氧化反应；本发明通过搅拌器一方面能保证土壤混合液之间能快速流动，另一方面能保证土壤混合液之间均匀混合，能有效提高微波的利用效率而且耗能小和加热均匀；本发明具有便于运输和灵活性强的优点。

作为本发明的一种改进，所述微波反应釜采用聚四氟乙烯材料制成，微波反应釜外壁设有不锈钢保护层。

作为本发明的一种改进，所述搅拌器包括搅拌轴、搅拌叶片和电机，搅拌叶片固定在搅拌轴上，电机用于驱动搅拌轴转动，搅拌叶片的外缘与微波反应釜内壁的之间距离小于8mm。

进一步地，所述微波源为磁控管。

作为本发明的一种改进，所述设备支架的底面设有万向轮。

本发明还提供一种有机污染土壤的微波催化氧化方法。

一种有机污染土壤的微波催化氧化方法，其包括以下步骤：

将待处理的土壤通过进料口放进微波反应釜中，并调节土壤的含水率至80％～100％；

通过进料口向微波反应釜添加铁碳及过硫酸盐，接着关闭进料口；

通过控制器设定微波反应釜运行温度，并通过控制器控制微波源和搅拌器工作；

运行时间为30～60分钟后，控制器控制微波源和搅拌器停止，将土壤从出料口排出并回收利用。

作为本发明的一种改进，所述铁碳为生物炭负载纳米四氧化三铁，铁碳的粒径为20～60目；所述过硫酸盐为过硫酸钠，过硫酸钠浓度为0.1～0.2mol/L。

与现有技术相比，本发明技术方案的创新点和有益效果在于：

本发明采用自动控温方式，通过控制器设定微波反应釜运行温度，当实际温度低于运行温度时，控制器控制微波源和搅拌器工作，保持系统在高温环境下进行氧化反应；

本发明通过搅拌器一方面能保证土壤混合液之间能快速流动，另一方面能保证土壤混合液之间均匀混合，能有效提高微波的加热效率而且耗能小和加热均匀；

本发明具有便于运输和灵活性强的优点。

附图说明

图1为本发明有机污染土壤的微波催化氧化设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例

请参考图1，一种有机污染土壤的微波催化氧化设备，包括设备支架10和微波反应釜20，微波反应釜20设在设备支架10上，微波反应釜20的上部设有进料口21和排气口22，微波反应釜20的下部设有出料口23，微波反应釜20外壁四周上设有设有若干个均匀分布的微波源60，微波反应釜20内设有由搅拌器50，微波反应釜20上设有测温仪40；

设备支架10上设有控制器30，测温仪40与控制器30的输入端电连接，控制器30用于控制微波源60和搅拌器50工作。

由上可知，本发明在使用时，首先将待处理的土壤通过进料口放进微波反应釜中，并调节土壤的含水率至80％～100％，然后接着通过进料口向微波反应釜添加铁碳及过硫酸盐，接着关闭进料口，通过控制器设定微波反应釜运行温度范围为75℃至90℃，当温度超过90℃时控制器控制微波源和搅拌器停止，当温度低于75℃时控制器控制微波源和搅拌器工作，保持系统在高温环境下进行氧化反应，微波源提供微波对土壤进行加热，搅拌器将土壤搅匀，微波加热过程产生的气体通过排气口排出，当运行时间为30～60分钟后，控制器控制微波源和搅拌器停止，将土壤从出料口排出并回收利用。

综上所述，本发明采用自动控温方式，当温度超过90℃时控制器控制微波源和搅拌器停止，当温度低于75℃时控制器控制微波源和搅拌器工作，保持微波反应釜在高温环境下进行氧化反应；本发明通过搅拌器一方面能保证土壤混合液之间能快速流动，另一方面能保证土壤混合液之间均匀混合，能有效提高微波的利用效率而且耗能小和加热均匀；本发明具有便于运输和灵活性强的优点。

在本实施例中，所述微波反应釜20采用聚四氟乙烯材料制成，微波反应釜20外壁设有不锈钢保护层70。通过聚四氟乙烯材料和不锈钢保护层结合，既能实现保温，又能降低设备成本，并具备的耐高温耐腐蚀性能可以适应各种酸碱条件的土壤。

在本实施例中，所述搅拌器50包括搅拌轴51、搅拌叶片52和电机53，搅拌叶片52固定在搅拌轴51上，电机53用于驱动搅拌轴51转动，搅拌叶片52的外缘与微波反应釜20内壁的之间距离小于8mm。叶片与微波反应釜内壁之间距离小于8mm，能有效搅动粘于壁面的土壤，叶片之间的合理间隔，一方面能保证土壤混合液之间能快速流动，另一方面能保证土壤混合液之间均匀混合。

在本实施例中，所述微波源60为磁控管。

在本实施例中，所述设备支架10的底面设有万向轮11。设有万向轮便于搬运设备。

一种有机污染土壤的微波催化氧化方法，其包括以下步骤：

将待处理的土壤通过进料口放进微波反应釜中，并调节土壤的含水率至80％～100％；

通过进料口向微波反应釜添加铁碳及过硫酸盐，接着关闭进料口；

通过控制器设定微波反应釜运行温度范围为75℃至90℃，当温度超过90℃时控制器控制微波源和搅拌器停止，当温度低于75℃时控制器控制微波源和搅拌器工作；

运行时间为30～60分钟后，控制器控制微波源和搅拌器停止，将土壤从出料口排出并回收利用。

本发明方法在催化氧化过程中会加入铁碳催化剂，铁碳催化剂本身是一种良好的吸波材料，催化剂的表面温度会达到500℃以上，有助于加速化学氧化反应。

在本实施例中，所述铁碳为生物炭负载纳米四氧化三铁，铁碳的粒径为20～60目；所述过硫酸盐为过硫酸钠，过硫酸钠浓度为0.1～0.2mol/L。负载在生物炭上的铁在微波辐照下被激活而产生电荷转移掺杂效应和高活性位点催化效应，催化过硫酸盐产生自由基而使有机污染物矿化为二氧化碳和水。

实施例2

称取邻苯二甲酸二丁脂(DBP)污染土壤10g，土壤初始DBP浓度为21.7mg·kg^-1，pH为6.45，含水率为100％，SPC/DBP的摩尔比为800，得到反应混合土壤泥浆；

将土壤泥浆放进微波反应釜中加热反应；

设定微波反应釜的温度为80℃，反应时间为40min，开启自动运行模式；

反应结束后，采用GC-MS对DBP进行测定，土壤DBP的浓度为4.1mg·kg^-1，降解率为81％。

实施例3

称取DBP污染土壤10g，土壤初始DBP浓度为21.7mg·kg^-1，pH为6.45，含水率为100％，SPC/DBP的摩尔比为800，得到反应混合土壤泥浆；

将土壤泥浆放进微波反应釜中加热反应，加入铁碳材料0.01g；

设定微波反应釜的温度为80℃，反应时间为40min，开启自动运行模式；

反应结束后，采用GC-MS对DBP进行测定，土壤DBP的浓度为1mg·kg^-1，降解率为95％。

实施例4

称取DBP污染土壤10g，土壤初始DBP浓度为21.7mg·kg^-1，pH为4.70，含水率为80％，SPC/DBP的摩尔比为800，得到反应混合土壤泥浆；

将土壤泥浆放进微波反应釜中加热反应，加入铁碳材料0.02g；

设定微波反应釜的温度为60℃，反应时间为40min，开启自动运行模式；

反应结束后，采用GC-MS对DBP进行测定，土壤DBP的浓度为0mg·kg^-1，降解率为100％。

实施例5

称取多环芳烃(PAHs)污染土壤10g，土壤初始PAHs浓度为156.4mg·kg^-1，含水率为80％，pH为7.26，SPC/PAHs的摩尔比为800，得到反应混合土壤泥浆；

将土壤泥浆放进微波反应釜中加热反应，加入铁碳材料0.02g；

设定微波反应釜的温度为80℃，反应时间为40min，开启自动运行模式；

反应结束后，采用GC-MS对PAHs进行测定，土壤PAHs的浓度为10.33mg·kg^-1，降解率为93.4％。

实施例6

称取多氯联苯(PCBs)污染土壤10g，土壤初始PCBs浓度为20mg·kg^-1，含水率为80％，pH为8.04，SPC/PCBs的摩尔比为800，得到反应混合土壤泥浆；

将土壤泥浆放进微波反应釜中加热反应，加入铁碳材料0.02g；

设定微波反应釜的温度为70℃，反应时间为20min，开启自动运行模式；

反应结束后，采用GC-MS对PCBs进行测定，土壤PCBs的浓度为1.76mg·kg^-1，降解率为91.2％。

从实施例2-6中可以看出，采用本发明一种有机污染土壤的微波催化氧化方法时，在温度80℃、时间为40min时，对不同酸碱度的土壤有机污染物都有较高的降解率，适应性广、反应条件简单，具有较高的实际工程利用价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有机污染土壤的微波催化氧化设备，其特征在于：包括设备支架和微波反应釜，微波反应釜设在设备支架上，微波反应釜的上部设有进料口和排气口，微波反应釜的下部设有出料口，微波反应釜外壁四周上设有设有若干个均匀分布的微波源，微波反应釜内设有由搅拌器，微波反应釜上设有测温仪；设备支架上设有控制器，测温仪与控制器的输入端电连接，控制器用于控制微波源和搅拌器工作。

2.根据权利要求1所述的有机污染土壤的微波催化氧化设备，其特征在于：所述微波反应釜采用聚四氟乙烯材料制成，微波反应釜外壁设有不锈钢保护层。

3.根据权利要求1所述的有机污染土壤的微波催化氧化设备，其特征在于：所述搅拌器包括搅拌轴、搅拌叶片和电机，搅拌叶片固定在搅拌轴上，电机用于驱动搅拌轴转动，搅拌叶片的外缘与微波反应釜内壁的之间距离小于8mm。

4.根据权利要求1所述的有机污染土壤的微波催化氧化设备，其特征在于：所述微波源为磁控管。

5.根据权利要求1所述的有机污染土壤的微波催化氧化设备，其特征在于：所述设备支架的底面设有万向轮。

6.一种基于权利要求1至5任一所述设备的有机污染土壤的微波催化氧化方法，其包括以下步骤：

将待处理的土壤通过进料口放进微波反应釜中，并调节土壤的含水率至80％～100％；

通过进料口向微波反应釜添加铁碳及过硫酸盐，接着关闭进料口；

通过控制器设定微波反应釜运行温度，并通过控制器控制微波源和搅拌器工作；

运行时间为30～60分钟后，控制器控制微波源和搅拌器停止，将土壤从出料口排出并回收利用。

7.根据权利要求6所述的有机污染土壤的微波催化氧化方法，其特征在于：所述铁碳为生物炭负载纳米四氧化三铁，铁碳的粒径为20～60目；所述过硫酸盐为过硫酸钠，过硫酸钠浓度为0.1～0.2mol/L。