CN110508609A - 一种土壤重金属治理用阳极结构及土壤重金属处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤重金属治理用阳极结构及土壤重金属处理装置，包括阳极单体，阳极单体包括石墨碳棒以及套在石墨碳棒外侧的聚四氟乙烯网套，聚四氟乙烯网套与石墨碳棒的外壁贴合，聚四氟乙烯网套上留有阻隔土壤并供电极液流通的孔隙。聚四氟乙烯网套能够阻挡土壤颗粒与石墨碳棒直接接触，避免土壤沾附在石墨碳棒上，使得石墨碳棒保留充分的反应面积，同时能够使得阳极液体透过孔隙与石墨碳棒的接触，从而保证整个氧化还原电路的顺畅导通。

Description

一种土壤重金属治理用阳极结构及土壤重金属处理装置

【技术领域】

本发明涉及一种土壤重金属治理用阳极结构及土壤重金属处理装置，属于土壤重金属污染电动修复领域。

【背景技术】

目前阳极材料被广泛应用于电镀、海水电解、土壤电动修复等领域。阳极材料表面失去电子，发生氧化反应。由于通电后电子流失，阳极材料往往因电化学反应而腐蚀。不同于电镀产业需要阳极牺牲来完成镀膜过程，海水电解、土壤电动修复领域中需要较为稳定且耐用的阳极材料。

土壤电动修复领域需要较为高的电压条件(数十伏电压)，电流值相对较大，因此对阳极材料耐腐蚀性的要求要远高于其他领域。目前上述产业中常用的阳极材料为石墨、镀釕、铱钛棒/板、钛。但在实际工作过程中，上述材料都具有十分明显的缺陷：石墨易剥蚀、膨胀断裂；镀釕、铱钛棒/板价格十分昂贵且镀层易被划伤；钛易腐蚀。因此目前阳极材料是限制土壤电动修复法工程化施工的重要制约因素，并没有十分行之有效的技术方案来克服上述缺陷。但考虑到成本以及对环境的友好程度，石墨电极是最具有改良价值的材料。

目前场地修复目标常为厚度在1-20米间的受污土壤，使用电动修复技术时需要满足土层厚度的阳极材料。而碳棒性质较脆，易断裂，常规条件下难以生产、使用长度1米以上的碳棒用于工程治理。

电动修复期间，阴极产生氢氧根离子，在电场中氢氧根离子向阳极方向移动，进入土壤。因此，部分土壤会因氢氧根离子含量的增加而呈现碱性，在电场中向阴极迁移的重金属阳离子会和氢氧根离子结合，形成难溶的氢氧化物沉淀。这一现象阻碍了土壤中重金属元素的彻底清除，严重制约土壤重金属元素的治理。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种使用寿命更长的土壤重金属治理用阳极结构及土壤重金属处理装置。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种土壤重金属治理用阳极结构，包括阳极单体，阳极单体包括石墨碳棒以及套在石墨碳棒外侧的聚四氟乙烯网套，聚四氟乙烯网套与石墨碳棒的外壁贴合，聚四氟乙烯网套上留有阻隔土壤并供电极液流通的孔隙。

本发明的有益效果为：

聚四氟乙烯网套能够阻挡土壤颗粒与石墨碳棒直接接触，避免土壤沾附在石墨碳棒上，使得石墨碳棒保留充分的反应面积，同时能够使得阳极液体透过孔隙与石墨碳棒的接触，从而保证整个氧化还原电路的顺畅导通。此外聚四氟乙烯网套具有限制石墨碳棒的作用，在通电后石墨碳棒持续反应逐渐腐蚀粉碎之后，位于土壤中的石墨碳棒能够依然被限制在聚四氟乙烯网套的中间，借由聚四氟乙烯网套对石墨碳棒的收拢限位作用防止组成石墨碳棒的石墨颗粒散开，使得碎裂后的石墨碳棒依然能够起到阳极作用，甚至使得石墨碳棒阳极可以被多次使用，极大得降低治理费用。此外聚四氟乙烯网套还能够抑制石墨碳棒径向上的膨胀，极大增加了石墨碳棒作为阳极材料的使用寿命。碎裂剥离的石墨碳棒不易移动至聚四氟乙烯网套外侧，电解产生的气体在聚四氟乙烯网套外侧，不易淤积，提高了电动修复工作效率。聚四氟乙烯网套价格低廉，易于获得，同时对整个氧化还原电路不会产生影响。聚四氟乙烯网套还能够通过自身弹性依据石墨碳棒的表面形状发生形变，确保整个使用过程中聚四氟乙烯网套和石墨碳棒外壁之间的贴合。

本发明所述土壤重金属治理用阳极结构还包括聚四氟乙烯管套以及阳极导线，阳极单体数量至少为两个，两个相邻阳极单体的石墨碳棒通过阳极导线电连接，聚四氟乙烯管套套在阳极导线的外侧。

本发明所述石墨碳棒的端部露出于聚四氟乙烯网套的外侧，且石墨碳棒的端部位于聚四氟乙烯管套内。

本发明所述聚四氟乙烯管套的内径大于聚四氟乙烯网套的外径，聚四氟乙烯网套的端部位于聚四氟乙烯管套内，聚四氟乙烯管套的内壁和聚四氟乙烯网套的外壁之间密封。

本发明所述聚四氟乙烯管套竖直设置，土壤重金属治理用阳极结构还包括环状支撑架，环状支撑架贴合于聚四氟乙烯管套的内壁或外壁。

本发明当环状支撑架贴合于聚四氟乙烯管套的内壁时，土壤重金属治理用阳极结构还包括支撑杆，支撑杆的两端分别固定在环状支撑架上。

本发明所述聚四氟乙烯管套的内径比聚四氟乙烯网套的外径大1-2mm，聚四氟乙烯管套的内壁和聚四氟乙烯网套的外壁通过生料带密封。

本发明所述聚四氟乙烯网套的外侧设置有阳极多孔管，阳极多孔管的内壁和聚四氟乙烯网套的外壁之间留有填充液体的空隙，阳极多孔管上开设有阻挡土壤并供阳极液流动的孔洞。

一种土壤重金属处理装置，包括直流电源、阴极、回路导线以及土壤重金属治理用阳极结构，阴极和土壤重金属治理用阳极结构均部分插入至土壤中，回路导线位于土壤外，阴极位于土壤外的部分和土壤重金属治理用阳极结构位于土壤外的部分通过回路导线分别电连接至直流电源的负极和正极。

本发明所述土壤重金属处理装置还包括阴极多孔管以及套在阴极多孔管外侧的填充管套，阴极多孔管套在阴极外侧，阴极和阴极多孔管之间留有填充液体的空隙，阴极多孔管和填充管套之间填充有沸石填料，阴极多孔管和填充管套上均开设有供液体流动的孔洞。

本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。

【附图说明】

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明实施例1的土壤重金属治理用阳极结构主视结构图；

图2为本发明实施例1的土壤重金属治理用阳极结构主视剖视结构图；

图3为本发明实施例2的土壤重金属治理用阳极结构俯视剖视结构图；

图4为本发明实施例3的土壤重金属处理装置主视剖视结构图。

【具体实施方式】

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

参见图1-2，本实施例提供的是一种土壤重金属治理用阳极结构，包括阳极单体、聚四氟乙烯管套4以及阳极导线3。

其中阳极单体包括石墨碳棒1以及套在石墨碳棒1外侧的聚四氟乙烯网套2，聚四氟乙烯网套2的内侧面尽可能抱紧在石墨碳棒1的外侧部壁上，以减少石墨碳棒1和聚四氟乙烯网套2之间的缝隙，使得聚四氟乙烯网套2与石墨碳棒1的外壁贴合。此外石墨碳棒1可以略大于自然状态下的聚四氟乙烯网套2内径，利用聚四氟乙烯网套2自身的弹性，在略微形变的基础上套至石墨碳棒1上，从而实现抱紧石墨碳棒1的目的。

聚四氟乙烯网套2由聚四氟乙烯丝线缝制而成，故而聚四氟乙烯网套2上存在孔隙。阳极单体埋入待处理的土壤后，聚四氟乙烯网套2上的孔隙能够有效阻隔土壤，避免土壤和石墨碳棒1的直接接触，同时利用该孔隙能够供土壤中的阳极液流动，该孔隙能够保证石墨碳棒1和阳极液之间具有充分的反应面积，保证氧化还原电路的成立。为了达到上述目的，一般而言聚四氟乙烯网套2孔隙尺寸规格为40-120目。

石墨碳棒1在待处理的土壤中承受较大的横向压力，加之治理过程中长期遭受电化学反应，其表面和内部会逐渐剥离、粉碎乃至断裂。但是由于聚四氟乙烯网套2的存在，聚四氟乙烯网套2上孔隙的存在也不利于石墨碳棒1破碎颗粒的通过，石墨碳棒1即使碎裂之后绝大部分依然存在在聚四氟乙烯网套2的中间，而不会四散分散到土壤中，因此碎裂后的石墨碳棒1依然能够起到阳极的作用。此外由于聚四氟乙烯网套2涨紧作用下，能够有效抑制石墨碳棒1在反应过程中的膨胀。综上所述，聚四氟乙烯网套2的设置能够极大增加石墨碳棒1作为阳极材料的使用寿命。

此外聚四氟乙烯网套2上的孔隙保障了石墨碳棒1表面生成气体的通路，避免了石墨碳棒1表面气体淤积导致气体通道堵塞，避免了不导电的气体对石墨碳棒1表面反应的干扰，提升了土壤电动修复工作效率

相比其他材料，聚四氟乙烯具有价格低廉、易于获得且能够重复使用的优点，对整个氧化还原电路不会产生影响。土壤电动修复过程中，石墨碳棒1正常裸露设置在土壤中的情况下寿命约为1-2周，在土壤中含氯条件下仅为3-5天。但是在聚四氟乙烯网套2的作用下，石墨碳棒1的使用寿命能够提升至1.5个月以上。

由于石墨碳棒1实际需要深入土壤深度可能道道几十米，因此如果直接采用数十米长的石墨碳棒1插入土壤使用一段时间后容易导致断裂，使得回路断开。另一方面，较长的石墨碳棒1制作费用较高且在运输过程中极易断裂。本实施例中单个阳极单体中石墨碳棒1的使用寿命由于聚四氟乙烯网套2的影响获得了极大的提升，因此实际使用过程中可以依靠多个石墨碳棒1串联的方式进行组装，从而便于石墨碳棒1运输，且相较几十米长度的石墨碳棒1节省了大量生产成本。

阳极单体的数量和石墨碳棒1的数量相同。其中阳极单体数量至少为两个，所有阳极单体沿竖直方向依次设置，两个相邻阳极单体的石墨碳棒1通过阳极导线3电连接，聚四氟乙烯管套4套在导线的外侧。相邻的石墨碳棒1依靠阳极导线3进行导通，聚四氟乙烯管套4能有效阻隔土壤和电极液，避免或减少阳极导线3的腐蚀。具体阳极单体的数量依据实际需要处理的土壤深度决定。

安装过程中阳极单体为已经装配好的成品，为了能够便于连接阳极导线3，单个阳极单体中石墨碳棒1的两个端部均露出于聚四氟乙烯网套2的外侧，使得石墨碳棒1的任何一端都能方便地与阳极导线3连接。此外石墨碳棒1的端部位于聚四氟乙烯管套4内，以确保阳极导线3的端部连接状态。即使石墨碳棒1具有使用过程中容易碎裂这一特性，基于聚四氟乙烯网套2的保护作用，依然能够维持相邻石墨碳棒1之间的电连接状态。因此土壤重金属治理用阳极结构使用一段时间后，可以仅替换部分碎裂的石墨碳棒1，甚至可以不替换石墨碳棒1，而不必进行长达几十米的石墨碳棒1替换，极大降低了维修成本。

为了能够将聚四氟乙烯管套4穿过聚四氟乙烯网套2移至阳极导线3，聚四氟乙烯管套4的内径大于聚四氟乙烯网套2的外径。此外聚四氟乙烯网套2的端部位于聚四氟乙烯管套4内，以便于聚四氟乙烯管套4的内壁和聚四氟乙烯网套2的外壁之间密封。

为了增加聚四氟乙烯管套4和聚四氟乙烯网套2之间的密封性，聚四氟乙烯管套4的内径和聚四氟乙烯网套2外径之间的差值不宜过大。例如本实施例中聚四氟乙烯管套4的内径比聚四氟乙烯网套2的外径大2-3mm，聚四氟乙烯管套4的内壁和聚四氟乙烯网套2的外壁通过生料带16密封。生料带16依靠自身的弹性能够有效克服上述2-3mm的差值进行密封。此外该2-3mm的差值不会过大增加聚四氟乙烯管套4体积，从而尽可能降低聚四氟乙烯管套4的生产成本。

石墨碳棒1为竖直设置，相应阳极导线3以及位于阳极导线3外侧的聚四氟乙烯管套4也均近似于竖直设置，土壤横向压力作用下，聚四氟乙烯管套4容易被压扁涨开，故而本实施例土壤重金属治理用阳极结构还包括环状支撑架5，环状支撑架5贴合于聚四氟乙烯管套4外壁，环状支撑架5大致为水平设置，因此在横向的土壤压力作用下不易被进一步压扁。而聚四氟乙烯管套4侧壁在逐渐涨开过程中能够受到环状支撑架5的限制作用，进而平衡横向土壤压力。

更为优选内的，聚四氟乙烯管套4上还设置有聚四氟乙烯制成的提绳17，提绳17的一端固定在聚四氟乙烯管套4的外壁上，另一端露出土壤并与土壤外的固定物进行固定，从而方便在治理完成后将组装好的较长的土壤重金属治理用阳极结构提出土壤，并且避免因拼接的阳极单体过多而导致土壤重金属治理用阳极结构在自身重量的作用下发生断裂。

实施例2：

参见图3，本实施例同样提供了一种土壤重金属治理用阳极结构，其与实施例1的区别在于，环状支撑架5贴合于聚四氟乙烯管套4的内壁，聚四氟乙烯管套4从聚四氟乙烯管套4的内侧对聚四氟乙烯管套4的形变进行抑制。

此外本实施例中土壤重金属治理用阳极结构还包括支撑杆6，支撑杆6的两端分别固定在环状支撑架5上，进而提升支撑杆6的支撑效果。支撑杆6的数量越多，且相互之间夹角越大的情况下，对支撑杆6的辅助支撑效果越好。例如本实施例中支撑杆6的数量选取为两个，两个支撑杆6相互垂直形成十字形支撑。同时两个支撑杆6以及两个支撑杆6之间形成的空隙具有足够的空间供包覆聚四氟乙烯网套2后的石墨碳棒1穿过。

实施例3：

参见图4，本实施例提供了一种土壤重金属处理装置，包括直流电源14、阴极7、阳极多孔管18、阴极多孔管11、填充管套12、回路导线8以及实施例2中的土壤重金属治理用阳极结构9。阳极多孔管18、阴极多孔管11以及填充管套12材质均可以选用PP。阴极7可以选用2-5mm的铜丝或者铁丝。此外本实施例中阴极多孔管11内壁和阳极多孔管18内壁均可以安装实施例2中的环状支撑架以及支撑杆。

阴极7和土壤重金属治理用阳极结构9均部分插入至土壤10中，其中阴极7的顶端和土壤重金属治理用阳极结构9顶端的石墨碳棒露出于土壤10的外侧，回路导线8位于土壤10外，并直流电源14串联至回路导线8上，阴极7位于土壤10外的部分通过回路导线8电连接直流电源14的负极，土壤重金属治理用阳极结构9位于土壤外的部分通过回路导线8电连接直流电源14的正极，从而实现完整的氧化还原电回路。

阳极多孔管18套在聚四氟乙烯网套的外侧，阳极多孔管18进一步阻隔土壤靠近土壤重金属治理用阳极结构9。同时阳极多孔管18上开设有多个孔径尺寸在1-2mm之间的孔洞，孔洞在确保对土壤阻挡效果的基础上使得阳极液能够透过孔洞流向石墨碳棒。阳极多孔管18的内壁和聚四氟乙烯网套2的外壁之间留有填充液体的空隙，该空隙内填充满阳极液，以供石墨碳棒反应。

本实施例中阳极多孔管18的内径为5cm，其内壁和聚四氟乙烯网套外壁之间保留4-10mm的间距。

阴极多孔管11套在阴极7的外侧，填充管套12套在阴极多孔管11外侧，阴极多孔管11和填充管套12上均同样开设有多个孔径尺寸在1-2mm之间的孔洞，其作用与阳极多孔管18相似，故不再赘述。

其中填充管套12的内壁和阴极多孔管11外壁之间大约相差20cm，阴极多孔管11和填充管套12之间填充有沸石填料13，沸石填料13的粒径在0.5-1mm。阴极多孔管11外壁和填充管套12内壁均设置有聚四氟乙烯网，聚四氟乙烯网用于包覆沸石填料13，防止沸石填料13从填充管套12和阴极多孔管11上的孔洞流失。而阴极7和阴极多孔管11之间留有填充液体的空隙，该空隙中填充满阴极液，阴极液呈碱性。

抽水机15每日定时对阴极7和阴极多孔管11之间的阴极液进行抽取，使得石墨碳棒和阴极7产生的氢离子和氢氧根离子不再平衡，氢离子会朝向阴极7移动。抽水机15控制抽水量，将酸碱平衡的中性区域控制在沸石填料13处。重金属离子迁移至碱性区域与氢氧根结合，生成难溶氢氧化物沉淀至沸石填料13内。阴极液的抽取以及沸石填料13还能解决氢氧根扩散导致的土壤碱化的问题，之后只要将填充管套12和沸石填料13取出，通过过滤或者酸洗将沸石填料13中的重金属沉淀去除，从而循环使用沸石填料13。此外不论在阴极多孔管11或阳极多孔管18内，生成的气体形成气泡会进入阴极液或者阳极液中，在浮力作用下进入空气，避免在阴极7和石墨碳棒处的淤积造成的电流不畅。

此外，在其他实施例中，阳极多孔管18和阴极多孔管11上每隔0.5m可以设置如实施例1或2中所示的环状支撑架。

本实施例的治理效果选用开化县镉污染场地进行说明。治理土壤最大深度：2米；土壤类型：棕壤；电压：横向上1.5V/cm。治理45天后土壤镉含量情况(ppm)如表1所示。

表1

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种土壤重金属治理用阳极结构，其特征在于：包括阳极单体，阳极单体包括石墨碳棒以及套在石墨碳棒外侧的聚四氟乙烯网套，聚四氟乙烯网套与石墨碳棒的外壁贴合，聚四氟乙烯网套上留有阻隔土壤并供电极液流通的孔隙。

2.根据权利要求1所述的土壤重金属治理用阳极结构，其特征在于：所述土壤重金属治理用阳极结构还包括聚四氟乙烯管套以及阳极导线，阳极单体数量至少为两个，两个相邻阳极单体的石墨碳棒通过阳极导线电连接，聚四氟乙烯管套套在阳极导线的外侧。

3.根据权利要求2所述的土壤重金属治理用阳极结构，其特征在于：所述石墨碳棒的端部露出于聚四氟乙烯网套的外侧，且石墨碳棒的端部位于聚四氟乙烯管套内。

4.根据权利要求3所述的土壤重金属治理用阳极结构，其特征在于：所述聚四氟乙烯管套的内径大于聚四氟乙烯网套的外径，聚四氟乙烯网套的端部位于聚四氟乙烯管套内，聚四氟乙烯管套的内壁和聚四氟乙烯网套的外壁之间密封。

5.根据权利要求2所述的土壤重金属治理用阳极结构，其特征在于：所述聚四氟乙烯管套竖直设置，土壤重金属治理用阳极结构还包括环状支撑架，环状支撑架贴合于聚四氟乙烯管套的内壁或外壁。

6.根据权利要求5所述的土壤重金属治理用阳极结构，其特征在于：当环状支撑架贴合于聚四氟乙烯管套的内壁时，土壤重金属治理用阳极结构还包括支撑杆，支撑杆的两端分别固定在环状支撑架上。

7.根据权利要求4所述的土壤重金属治理用阳极结构，其特征在于：所述聚四氟乙烯管套的内径比聚四氟乙烯网套的外径大1-2mm，聚四氟乙烯管套的内壁和聚四氟乙烯网套的外壁通过生料带密封。

8.根据权利要求1所述的土壤重金属治理用阳极结构，其特征在于：所述聚四氟乙烯网套的外侧设置有阳极多孔管，阳极多孔管的内壁和聚四氟乙烯网套的外壁之间留有填充液体的空隙，阳极多孔管上开设有阻挡土壤并供阳极液流动的孔洞。

9.一种土壤重金属处理装置，其特征在于：包括直流电源、阴极、回路导线以及如权利要求1-8任一权利要求所述的土壤重金属治理用阳极结构，阴极和土壤重金属治理用阳极结构均部分插入至土壤中，回路导线位于土壤外，阴极位于土壤外的部分和土壤重金属治理用阳极结构位于土壤外的部分通过回路导线分别电连接至直流电源的负极和正极。

10.根据权利要求9所述的土壤重金属处理装置，其特征在于：所述土壤重金属处理装置还包括阴极多孔管以及套在阴极多孔管外侧的填充管套，阴极多孔管套在阴极外侧，阴极和阴极多孔管之间留有填充液体的空隙，阴极多孔管和填充管套之间填充有沸石填料，阴极多孔管和填充管套上均开设有供液体流动的孔洞。