CN110479757B - 一种复合重金属污染土壤的电动修复装置及修复方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合重金属污染土壤的电动修复装置及修复方法，包括直流电源、阳极电解室、修复室、阴极电解室和两根氧化石墨烯‑不锈钢电极；阳极电解室和阴极电解室分别位于修复室的左侧和右侧，阳极电解室的右侧与修复室的左侧之间、阴极电解室的左侧与修复室的右侧之间均设有有机玻璃板；两根氧化石墨烯‑不锈钢电极分别设置在阳极电解室和阴极电解室内部，直流电源两根氧化石墨烯‑不锈钢电极和连接。本发明可促进土壤中重金属的解析，提高污染土壤中游离态重金属的含量，增强修复效果，电极可循环使用，并且其抗腐蚀性良好，修复能耗低，成本低，无二次污染，修复效率高，安全性好。
Description
技术领域
本发明属于土壤修复重金属污染技术领域，具体涉及一种复合重金属污染土壤的电动修复装置及修复方法。
背景技术
目前，由于对重金属矿产资源和化石燃料进行不合理的开采利用，产生的尾矿粉尘和重金属废渣进入土壤，造成矿区周边大量土地受到严重的重金属复合重金属污染，重金属污染具有隐蔽性和不被生物降解性，重金属通过食物链不断在生物体内富集，最后进入人体内蓄积，严重威胁人体健康。
电动修复法是一种新兴的土壤重金属污染修复技术，具有适用范围广、修复周期短、不易造成二次污染等优点。电动修复的原理是将电极插入受重金属污染的土壤，在土壤室两侧通以低压直流电形成电场，利用土壤颗粒孔隙以及电极室中的水或者外加电解质溶液作为导电介质，使水溶性污染物和吸附于土壤颗粒表层的污染物，在电场产生的电渗析、电迁移和电泳等电动力学效应下，根据所带不同电荷运动往不同电极方向，而达到电极附近的污染物通过沉淀/共沉淀、电镀或者离子交换萃取等方法被去除的目的。
在电动修复土壤重金属的过程中，存在以下问题：
(1)用石墨或者金属作电极时，在极酸或极碱、大电流条件下，都会受到强烈腐蚀，不可循环使用的电极将导致土壤修复成本大幅上涨。
(2)阴极电解液因电解反应产生的OH-使阴极附近土壤发生碱化，土壤中的重金属污染物遇到碱性区域时形成氢氧化物沉淀，从而阻碍重金属迁移出土壤系统，土壤修复难度加大；
(3)电动修复后，土壤中的重金属污染物迁移至电解液中，电解液受污染后无法循环利用，这也会导致土壤修复成本上涨。
(4)阳极区域土壤中带正电荷的重金属污染物在电场作用下向阴极迁移，或者阴极区域土壤中带负电荷的重金属污染物在电场作用下向阳极迁移，迁出土壤的距离长，导致修复周期长，能耗高。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种复合重金属污染土壤的电动修复装置及修复方法，其可有效地提高了重金属污染土壤的修复效率，缩短土壤修复的周期，同时降低了土壤修复的成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种复合重金属污染土壤的电动修复装置，包括直流电源1、阳极电解室2、修复室3、阴极电解室4和两根氧化石墨烯-不锈钢电极5；
阳极电解室2和阴极电解室4分别位于修复室3的左侧和右侧，阳极电解室2的右侧与修复室3的左侧之间垂直设置有第一有机玻璃板6，阴极电解室4的左侧与修复室3的右侧之间垂直设置有第二有机玻璃板7；
两根氧化石墨烯-不锈钢电极5分别设置在阳极电解室2和阴极电解室4内部，直流电源1的正极和负极分别通过导线与阳极电解室2内的氧化石墨烯-不锈钢电极5和阴极电解室4内的氧化石墨烯-不锈钢电极5连接。
修复室3内设有两个结构相同的第一电解室S2和第二电解室S4，第一电解室S2和第二电解室S4沿左右方向间隔布置并将修复室3内部分隔为第一土壤室S1、第二土壤室S3和第三土壤室S5。
第一电解室S2和第二电解室S4均包括垂直并间隔设置的第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9，第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9的前侧边、后侧边及下侧边均对应与修复室3的前侧内壁、后侧内壁及底部内壁连接，第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9之间均设置有一块氧化石墨烯-不锈钢网10，氧化石墨烯-不锈钢网10与第三有机玻璃板8平行。
第一有机玻璃板6、第二有机玻璃板7、第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9上均设有若干个直径为0.5 cm的圆孔，第一有机玻璃板6、第二有机玻璃板7、第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9的表面均附着一层孔径为48 µm的滤布。
复合重金属污染土壤的电动修复装置的修复方法，包括以下步骤，
（1）将待处理的污染土壤自然风干，清除污染土壤中的沙砾和植物残渣，然后将待处理污染土壤磨碎，然后过筛装袋备用；
（2）向装袋备用的待处理污染土壤倒入搅拌器，加入柠檬酸溶液，控制含水率不小于25%，搅拌混合均匀后静置24 h；
（3）然后将污染土壤分别装入第一土壤室S1、第二土壤室S3和第三土壤室S5中；在阳极电解室2中加入0.1 mol·L-1的磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲溶液作为阳极电解液，在阴极电解室4中加入0.1 mol·L-1的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液作为阴极电解液，使阳极电解室2中的阳极电解液和阴极电解室4中的阴极电解液的pH维持在5~7之间；在第一电解室S2和第二电解室S4中均加入0.1 mol·L-1的KCl溶液作为电解液；
（4）开启直流电源1对两根氧化石墨烯-不锈钢电极5供电，产生流经修复室3的电流，实验过程中保持阳极电解室2、阴极电解室4、第一电解室S2和第二电解室S4内的电解液高度始终与污染土壤的高度一致，控制直流电源1的修复电压梯度为1-5 V/cm，对污染土壤进行修复；
（5）两根氧化石墨烯-不锈钢电极5之间形成电场，在电场力作用下，在污染土壤中重金属主要以电迁移方式进行迁移，重金属以阳离子的形式向阴极进行电迁移，或者以阴离子的形式向阳极进行电迁移；污染土壤中的重金属离子向阳极电解室2和阴极电解室4迁移的过程中进入阳极电解室2、阴极电解室4、第一电解室S2和第二电解室S4，被电解液中的氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网吸附；
（6）定期替换氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网，替换的氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网经稀硝酸酸洗后，可循环使用，定期替换的频率为5~7 d，待第一土壤室S1、第二土壤室S3和第三土壤室S5内污染土壤中的重金属含量达标后修复作业完成。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在对污染土壤进行电动修复前采用柠檬酸对其进行预处理，可促进土壤中重金属的解析，提高污染土壤中游离态重金属的含量，增强修复效果。
2、本发明采用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液控制阴极电解液的pH在5~7，避免阴极附近土壤发生碱化，重金属污染物遇到碱性区域时形成氢氧化物沉淀，阻碍重金属污染物的迁移。
3、本发明中，从污染土壤中迁移至电解液内的重金属被氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网吸附，电解液没有被污染，可重复利用。
4、本发明中，吸附重金属后的氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网经稀硝酸酸洗后，可循环使用，并且其抗腐蚀性良好，降低了修复成本。
5、本发明中，第一电解室和第二电解室内的电解液采用0.1 mol·L-1 的KCl溶液，提高了污染土壤的含水率和导电性能，增强了重金属的迁移效果。
6、本发明中，采用电解室和土壤室间隔设置的结构，重金属迁出土壤室的距离缩短，土壤修复的周期缩短，修复能耗降低。
7、本发明中，土壤修复过程操作简单，无二次污染，修复效率高，安全性好。
附图说明
图1是本发明的电动修复装置结构示意图。
实施方式
下面通过实施例子说明，进一步阐明本发明的突出特点，仅在于说明本发明而不限制本发明。
如图1所示，一种复合重金属污染土壤的电动修复装置，包括直流电源1、阳极电解室2、修复室3、阴极电解室4和两根氧化石墨烯-不锈钢电极5；
阳极电解室2和阴极电解室4分别位于修复室3的左侧和右侧，阳极电解室2的右侧与修复室3的左侧之间垂直设置有第一有机玻璃板6，阴极电解室4的左侧与修复室3的右侧之间垂直设置有第二有机玻璃板7；
两根氧化石墨烯-不锈钢电极5分别设置在阳极电解室2和阴极电解室4内部，直流电源1的正极和负极分别通过导线与阳极电解室2内的氧化石墨烯-不锈钢电极5和阴极电解室4内的氧化石墨烯-不锈钢电极5连接。
修复室3内设有两个结构相同的第一电解室S2和第二电解室S4，第一电解室S2和第二电解室S4沿左右方向间隔布置并将修复室3内部分隔为第一土壤室S1、第二土壤室S3和第三土壤室S5。
第一电解室S2和第二电解室S4均包括垂直并间隔设置的第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9，第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9的前侧边、后侧边及下侧边均对应与修复室3的前侧内壁、后侧内壁及底部内壁连接，第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9之间均设置有一块氧化石墨烯-不锈钢网10，氧化石墨烯-不锈钢网10与第三有机玻璃板8平行。
第一有机玻璃板6、第二有机玻璃板7、第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9上均设有若干个直径为0.5 cm的圆孔，第一有机玻璃板6、第二有机玻璃板7、第三有机玻璃板8和第四有机玻璃板9的表面均附着一层孔径为48 µm的滤布。
复合重金属污染土壤的电动修复装置的修复方法，包括以下步骤，
（1）将待处理的污染土壤自然风干，清除污染土壤中的沙砾和植物残渣，然后将待处理污染土壤磨碎，然后过筛装袋备用；
（2）向装袋备用的待处理污染土壤倒入搅拌器，加入柠檬酸溶液，控制含水率不小于25%，搅拌混合均匀后静置24 h；
（3）然后将污染土壤分别装入第一土壤室S1、第二土壤室S3和第三土壤室S5中；在阳极电解室2中加入0.1 mol·L-1的磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲溶液作为阳极电解液，在阴极电解室4中加入0.1 mol·L-1的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液作为阴极电解液，使阳极电解室2中的阳极电解液和阴极电解室4中的阴极电解液的pH维持在5~7之间；在第一电解室S2和第二电解室S4中均加入0.1 mol·L-1的KCl溶液作为电解液；
（4）开启直流电源1对两根氧化石墨烯-不锈钢电极5供电，产生流经修复室3的电流，实验过程中保持阳极电解室2、阴极电解室4、第一电解室S2和第二电解室S4内的电解液高度始终与污染土壤的高度一致，控制直流电源1的修复电压梯度为1-5 V/cm，对污染土壤进行修复；
（5）两根氧化石墨烯-不锈钢电极5之间形成电场，在电场力作用下，在污染土壤中重金属主要以电迁移方式进行迁移，重金属以阳离子的形式向阴极进行电迁移，或者以阴离子的形式向阳极进行电迁移；污染土壤中的重金属离子向阳极电解室2和阴极电解室4迁移的过程中进入阳极电解室2、阴极电解室4、第一电解室S2和第二电解室S4，被电解液中的氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网吸附；
（6）定期替换氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网，替换的氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网经稀硝酸酸洗后，可循环使用，定期替换的频率为5~7 d，待第一土壤室S1、第二土壤室S3和第三土壤室S5内污染土壤中的重金属含量达标后修复作业完成。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (1)
1.一种复合重金属污染土壤的电动修复装置的修复方法，其特征在于：所述的一种复合重金属污染土壤的电动修复装置包括直流电源(1)、阳极电解室(2)、修复室(3)、阴极电解室(4)和两根氧化石墨烯-不锈钢电极(5)；
阳极电解室(2)和阴极电解室(4)分别位于修复室(3)的左侧和右侧，阳极电解室(2)的右侧与修复室(3)的左侧之间垂直设置有第一有机玻璃板(6)，阴极电解室(4)的左侧与修复室(3)的右侧之间垂直设置有第二有机玻璃板(7)；
两根氧化石墨烯-不锈钢电极(5)分别设置在阳极电解室(2)和阴极电解室(4)内部，直流电源(1)的正极和负极分别通过导线与阳极电解室(2)内的氧化石墨烯-不锈钢电极(5)和阴极电解室(4)内的氧化石墨烯-不锈钢电极(5)连接；
修复室(3)内设有两个结构相同的第一电解室(S2)和第二电解室(S4)，第一电解室(S2)和第二电解室(S4)沿左右方向间隔布置并将修复室(3)内部分隔为第一土壤室(S1)、第二土壤室(S3)和第三土壤室(S5)；
第一电解室(S2)和第二电解室(S4)均包括垂直并间隔设置的第三有机玻璃板(8)和第四有机玻璃板(9)，第三有机玻璃板(8)和第四有机玻璃板(9)的前侧边、后侧边及下侧边均对应与修复室(3)的前侧内壁、后侧内壁及底部内壁连接，第三有机玻璃板(8)和第四有机玻璃板(9)之间均设置有一块氧化石墨烯-不锈钢网(10)，氧化石墨烯-不锈钢网(10)与第三有机玻璃板(8)平行；
第一有机玻璃板(6)、第二有机玻璃板(7)、第三有机玻璃板(8)和第四有机玻璃板(9)上均设有若干个直径为0.5 cm的圆孔，第一有机玻璃板(6)、第二有机玻璃板(7)、第三有机玻璃板(8)和第四有机玻璃板(9)的表面均附着一层孔径为48 µm的滤布；
所述的修复方法包括以下步骤：
(1)将待处理的污染土壤自然风干，清除污染土壤中的沙砾和植物残渣，然后将待处理污染土壤磨碎，然后过筛装袋备用；
(2)向装袋备用的待处理污染土壤倒入搅拌器，加入柠檬酸溶液，控制含水率不小于25%，搅拌混合均匀后静置24 h；
(3)然后将污染土壤分别装入第一土壤室(S1)、第二土壤室(S3)和第三土壤室(S5)中；在阳极电解室(2)中加入0.1 mol·L-1的磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲溶液作为阳极电解液，在阴极电解室(4)中加入0.1 mol·L-1的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液作为阴极电解液，使阳极电解室(2)中的阳极电解液和阴极电解室(4)中的阴极电解液的pH维持在5~7之间；在第一电解室(S2)和第二电解室(S4)中均加入0.1 mol·L-1的KCl溶液作为电解液；
(4)开启直流电源(1)对两根氧化石墨烯-不锈钢电极(5)供电，产生流经修复室(3)的电流，实验过程中保持阳极电解室(2)、阴极电解室(4)、第一电解室(S2)和第二电解室(S4)内的电解液高度始终与污染土壤的高度一致，控制直流电源(1)的修复电压梯度为1-5 V/cm，对污染土壤进行修复；
(5)两根氧化石墨烯-不锈钢电极(5)之间形成电场，在电场力作用下，在污染土壤中重金属主要以电迁移方式进行迁移，重金属以阳离子的形式向阴极进行电迁移，或者以阴离子的形式向阳极进行电迁移；污染土壤中的重金属离子在向阳极电解室(2)和阴极电解室(4)迁移的过程中进入阳极电解室(2)、阴极电解室(4)、第一电解室(S2)和第二电解室(S4)，被电解液中的氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网吸附；
(6)定期替换氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网，替换的氧化石墨烯-不锈钢电极和氧化石墨烯-不锈钢网经稀硝酸酸洗后，可循环使用，定期替换的频率为5~7 d，待第一土壤室(S1)、第二土壤室(S3)和第三土壤室(S5)内污染土壤中的重金属含量达标后修复作业完成。
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