CN110721993A - 一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置及方法，属于环境保护技术领域，所述装置包括反应主体、直流稳压稳流电源、pH监测仪、恒温磁力搅拌器、电极和填料罐，其中反应主体置于恒温磁力搅拌器上，反应主体内置磁力搅拌子，pH监测仪、直流稳压电源和填料罐分别通过感应探头、导线和电极、加药管与反应主体相连。该方法包括将多氯联苯污染土壤与水、电解质和H2O2搅拌均匀，调节pH为2.0～2.5，设置电极间距6cm，接通直流稳压稳流电源和恒温磁力搅拌器，电芬顿氧化作用降解土壤中的多氯联苯。采用铁棒作为阳极，通电氧化为Fe2+与H2O2组成芬顿试剂去除有机物，此方法简单易行，大大降低了铁泥的产生，提高了电解法的降解效率，同时降低了处理成本。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，尤其涉及一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置及方法。
背景技术
多氯联苯(PCBs)是一类人工合成的持久性有机污染物，1930s-1980s短短五十年的时间，多氯联苯以其高性能低成本在世界范围内广泛生产和使用，使得大量的多氯联苯进入到环境中。据WTO统计，我国从1965年开始生产到1975停止生产的短短十年，累积生产约1万吨，加上从国外进口的产品，总量可达到2万吨，其中有三分之一的PCBs进入到了环境当中。多氯联苯具有致癌、致畸和致突变作用，PCBs的转移遵循“蚱蜢效应”，由蒸发作用进入大气并且随着大气流动在温度较低的环境中重新回到土壤表层。目前，在世界各地的环境中(大气、水、土壤、底泥)甚至未受污染的两极地区均检测到PCBs的存在。多氯联苯稳定性极高，在环境中持续较长的时间不发生结构的变化，并且在自然界中会随着生物链的传递浓度增加，多氯联苯的难降解和生物蓄积性使得多氯联苯污染的治理成为土壤修复的难题。
多氯联苯污染土壤的处理方法主要可以分为物理方法、热解方法、生物方法、化学及光化学方法。但这些方法都存在这一定弊端，比如高温焚烧需要大量的燃料并且在焚烧过程中会产生高毒性的副产物如多氯二苯并二噁英(简称PCDDs)和多氯二苯并呋喃(简称PCDFs)。填埋法和物理吸附法，只是把多氯联苯从一种介质转移到另一种介质中，并没有使多氯联苯从环境中完全消除，再者，这些处理方法需要的设备比较昂贵。生物处理法通常修复周期较长，耗时费力且降解不彻底。因此化学氧化法降解速率快、效率高且无二次污染的特点使其应用最广。
电芬顿氧化技术目前主要应用在对一些难降解的有机废水处理，其优点在于不需要向反应系统大量提供H2O2，并且反应中的Fe2+可循环再生利用，该方法是一种清洁的Fenton氧化技术。本方法采用电极材料为铁为阳极、石墨为阴极，通过电解产生的Fe2+，与外部加入的H2O2构成Fenton试剂参与反应，体系产生的·OH可以与土壤中的PCBs发生反应，降低土壤中PCBs的浓度。该方法的优点是电极材料成本低，处理效果明显，可以根据土壤污染情况确定向土壤中电解的Fe2+的量和加入H2O2的量，降低成本，同时极大的改善了传统电解法处理效率低，处理时间长等问题。
目前未见有利用电芬顿氧化技术处理多氯联苯污染土壤，已解决多氯联苯污染土壤难降解、难处理问题的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置及方法，解决现有多氯联苯污染土壤处理过程复杂，成本高的技术问题。该方法能有效去除污染土壤中的多氯联苯，快速去除多氯联苯的同时大大降低了传统Fenton氧化技术的副反应，另外阳极材料廉价易得，可以降低处理成本，具有适用性广、高效低耗的优点。
一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置，包括反应主体、直流稳压稳流电源、pH监测仪、恒温磁力搅拌器、电极和填料罐，所述反应主体设置在恒温磁力搅拌器上，反应主体内设置有磁力搅拌子，所述pH监测仪经pH监测导线与设置在反应主体内的感应探头连接，所述直流稳压稳流电源经导线与设置在应主体内的电极连接，所述填料罐经设置的进料管与反应主体相连。
进一步地，所述填料罐设为两个，分别为填料罐一和填料罐二，填料罐一用来添加Fenton氧化剂H2O2，填料罐二用来添加电解质NaCl。
进一步地，填料罐一与反应主体相连的进料管上设置有阀门一，填料罐二与反应主体相连的进料管上设置有阀门二。
进一步地，所述电极包括电极一和电极二，所述电极一和电极二均分别经过导线与直流稳压稳流电源连接。
进一步地，所述反应主体设置为反应容器结构，反应容器设置在恒温磁力搅拌器上，磁力搅拌子设置在反应容器内，与恒温磁力搅拌器连接。
一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：将去离子水与污染土壤混合：将去离子水与污染土壤置于反应主体中，调节混合液pH至2～2.5，将混合液搅拌均匀，去离子水与多氯联苯污染土壤的配比为：1.2～1.5ml去离子水:2g多氯联苯污染土壤；
步骤2：在反应主体中加入氧化剂H2O2和电解质NaCl：向反应主体内的土壤浆液中加入氧化剂H2O2溶液和电解质NaCl，其中H2O2溶液的质量浓度为30％，电解质NaCl为纯度为分析纯，固体；
步骤3：接通电源：设置固定的直流电压，打开稳压稳流电源，同时开启恒温磁力搅拌器进行搅拌，其中直流电压设置为0.33～0.99V·cm-2·kg-1，恒温磁力搅拌器设置温度25℃，设置转速800r/min，电芬顿氧化系统处理时间为10～60min；
步骤4：终止反应：反应时间结束后，依次关闭磁力搅拌器加热开关、磁力搅拌子搅拌开关和直流稳压稳流电源，调节反应主体中混合液的pH为碱性，反应停止。
进一步地，所述步骤2中步骤1中采用1mol·L-1的硫酸溶液和1mol·L-1的氢氧化钠溶液调节去离子水pH至2.0～2.5。
进一步地，所述每处理1kg多氯联苯污染土壤需投加氧化剂16.7～27.8gH2O2和电解质30～50g NaCl；所述氧化剂H2O2的投加方式为控制流量匀速添加投加至反应主体，所述电解质NaCl的添加方式为按照所需要的量一次性添加。
进一步地，所述步骤3中打开直流电源后，阳极铁材料氧化生成Fe2+，与反应主体中的氧化剂H2O2组成Fenton试剂，在酸性条件下产生羟基自由基(·OH)进而与有机物发生氧化反应。
进一步地，所述多氯联苯污染为变压器油污染所产生的多氯联苯污染。
本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
1、本发明装置能快速高效的去除污染土壤中算的多氯联苯，电解法和Fenton氧化的结合大大提高了降解有机物的速度和效率，阳极铁材料的使用使得装置材料廉价易得，操作简便易行，降低处理成本。
2、通过实验表明，在相同实验参数条件下，采用本发明电芬顿氧化技术处理多氯联苯污染土壤表现出很好的协同作用，在去除多氯联苯上有更好的处理效果，改善了传统Fenton氧化持续时间短的弊端，同时降低降低后续铁泥的处理成本，一定程度上上降低了处理成本。
附图说明
图1为本发明电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置结构示意图。
图2为本发明方法与传统电解法在相同实验条件下对多氯联苯污染土壤的降解效果图。
图3为本发明方法分别在最大参数条件、最佳参数条件和最小参数条件下污染土壤中多氯联苯的降解效果图。
图中标号：1-填料罐一；2-阀门一；3-填料罐二；4-阀门二；5-进料管；6-反应容器；7-反应主体；8-电极一；9-磁力搅拌子；10-恒温磁力搅拌器；11-电极二；12-导线；13-直流稳压稳流电源；14-pH监测探头；15-pH监测仪；16-pH监测导线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置，如图1所示，本发明电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置，包括反应主体7、直流稳压稳流电源13、pH监测仪15、恒温磁力搅拌器10、电极8、11和填罐1、3，所述反应主体7置于恒温磁力搅拌器10上，反应主体7内置磁力搅拌子9；填料罐一1和填料罐二3分别用来添加Fenton氧化剂成分H2O2和电解质NaCl，连接填料罐一1和填料罐二3分别通过加药管5接入反应容器6中的反应主体7内，连接填料罐一1的加药管5上安装有控制流量的阀门一2，连接填料罐二3的加药管5上安装有控制质量的阀门二4；所述pH监测仪15依次通过感应探头14、导线16与反应主体7相连，其中感应探头14插入反应主体7中；所述直流稳压稳流电源13依次通过导线12、电极一8和电极二11与反应主体7相连，其中电极一8和电极二11插入反应主体中。
本发明装置的工作过程如下：在反应容器6中按一定比例加入去离子水和多氯联苯污染土壤，稍加搅拌后调好反应主体6中的pH；通过阀门一2和阀门二4控制Fenton氧化剂H2O2和电解质NaCl的添加量；再接通恒压稳压稳流电源13和恒温磁力搅拌器10电源，共同作用一定时间后结束反应。
本发明所述电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的方法，包括如下操作步骤：
第一步，将去离子水与污染土壤混合：将去离子水与污染土壤置于反应主体中，采用1mol·L-1的硫酸溶液和1mol·L-1的氢氧化钠溶液调节混合液pH至2～2.5，将混合液搅拌均匀，去离子水与多氯联苯污染土壤的配比为：1.2～1.5ml去离子水:2g多氯联苯污染土壤。
第二步，在反应主体中加入氧化剂H2O2和电解质NaCl：向反应主体内的土壤浆液中加入氧化剂H2O2溶液和电解质NaCl，其中H2O2溶液的质量浓度为30％，每处理1kg多氯联苯污染土壤需投加氧化剂16.7～27.8g H2O2，电解质NaCl为纯度为分析纯，固体，每处理1kg多氯联苯污染土壤需投加电解质30～50g NaCl；所述氧化剂H2O2的投加方式为控制流量匀速添加投加至反应主体，所述电解质NaCl的添加方式为按照所需要的量一次性添加。
第三步，接通电源：设置固定的直流电压，打开稳压稳流电源，同时开启恒温磁力搅拌器进行搅拌，阳极铁材料氧化生成Fe2+，与反应主体中的氧化剂H2O2组成Fenton试剂，在酸性条件下产生羟基自由基(·OH)进而与有机物发生氧化反应，其中直流电压设置为0.33～0.99V·cm-2·kg-1，恒温磁力搅拌器设置温度25℃，设置转速800r/min，电芬顿氧化系统处理时间为40～60min。
第四步，终止反应：反应时间结束后，依次关闭磁力搅拌器加热开关、磁力搅拌子搅拌开关和直流稳压稳流电源，调节反应主体中混合液的pH为碱性，反应停止。
实施实例1
具体操作过程如下：
选用某电容器污染场地污染土壤，按照本发明方法(电芬顿氧化)与传统单一的电解法进行对比试验处理，即1号实验组污染土壤与去离子水混合后，调节pH后只用电解法处理；2号实验组污染土壤与去离子水混合后，调节pH后使用本发明方法电芬顿氧化方法处理多氯联苯污染土壤。其中污染土壤与去离子水的pH调节为2.2；电解法中涉及的电解质采用分析纯的固体NaCl，每处理1kg多氯联苯污染土壤投加40g电解质NaCl，电芬顿氧化方法中氧化剂H2O2采用质量浓度30％的溶液，每处理1kg多氯联苯污染土壤投加22.2g氧化剂H2O2；直流电压为0.66V，电极间距为6cm；两组实验组作用时间为60min。
实验结果如图2所示，结果表明，随着电解法和电芬顿氧化时间的增加，土壤中多氯联苯的去除率逐渐增加。处理时间结束后，经检测，电解法和电芬顿氧化法土壤中多氯联苯的去除率分别是9.8％和45.7％，可以明显看出电芬顿氧化法的去除效率远远高于传统电解法，电解法的去除率增加缓慢，而电芬顿氧化法的去除效率提高了35.9％，降解速率也较电解法有了很大提升。
实施实例2
选用某电容器污染场地污染土壤，按照本发明方法(电芬顿氧化)进行处理，分别在最小参数、最佳参数和最大实验参数实验条件下进行实验，具体如下：
最小实验参数实验组：调节混合液pH为2.0，电解质采用分析纯的固体NaCl，每处理1kg多氯联苯污染土壤投加30g电解质NaCl，电芬顿氧化方法中氧化剂H2O2采用质量浓度30％的溶液，每处理1kg多氯联苯污染土壤投加16.7g氧化剂H2O2；直流电压为0.33V，电极间距为4cm；两组实验组作用时间为60min。
最佳实验参数实验组：调节混合液pH为2.2，电解质采用分析纯的固体NaCl，每处理1kg多氯联苯污染土壤投加40g电解质NaCl，电芬顿氧化方法中氧化剂H2O2采用质量浓度30％的溶液，每处理1kg多氯联苯污染土壤投加22.2g氧化剂H2O2；直流电压为0.66V，电极间距为6cm；两组实验组作用时间为60min。
最大实验参数实验组：调节混合液pH为2.5，电解质采用分析纯的固体NaCl，每处理1kg多氯联苯污染土壤投加50g电解质NaCl，电芬顿氧化方法中氧化剂H2O2采用质量浓度30％的溶液，每处理1kg多氯联苯污染土壤投加27.8g氧化剂H2O2；直流电压为0.99V，电极间距为8cm；两组实验组作用时间为60min。
实验结果见图3所示，由此可以看出，随着处理时间的增加，最小实验参数实验组、最佳实验参数实验组和最大实验参数组中多氯联苯的去除率分别为37.4％、52.3％和38.6％，在最佳实验参数条件下土壤中多氯联苯的去除效果优于最小实验参数组合最大实验参数组。
将多氯联苯污染土壤与水、电解质和H2O2搅拌均匀，调节pH为2.0～2.5，设置电极间距6cm，接通直流稳压稳流电源和恒温磁力搅拌器，通过电芬顿氧化作用降解土壤中的多氯联苯。本发明采用铁棒作为阳极，通电氧化为Fe2+与H2O2组成芬顿试剂去除有机物，此方法简单易行，大大降低了铁泥的产生，提高了电解法的降解效率，同时降低了处理成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置，其特征在于：包括反应主体、直流稳压稳流电源、pH监测仪、恒温磁力搅拌器、电极和填料罐，所述反应主体设置在恒温磁力搅拌器上，反应主体内设置有磁力搅拌子，所述pH监测仪经pH监测导线与设置在反应主体内的感应探头连接，所述直流稳压稳流电源经导线与设置在应主体内的电极连接，所述填料罐经设置的进料管与反应主体相连。
2.根据权利要求1所述的一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置，其特征在于：所述填料罐设为两个，分别为填料罐一和填料罐二，填料罐一用来添加Fenton氧化剂H2O2，填料罐二用来添加电解质NaCl。
3.根据权利要求1所述的一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置，其特征在于：填料罐一与反应主体相连的进料管上设置有阀门一，填料罐二与反应主体相连的进料管上设置有阀门二。
4.根据权利要求1所述的一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置，其特征在于：所述电极包括电极一和电极二，所述电极一和电极二均分别经过导线与直流稳压稳流电源连接。
5.根据权利要求4所述的一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的装置，其特征在于：所述反应主体设置为反应容器结构，反应容器设置在恒温磁力搅拌器上，磁力搅拌子设置在反应容器内，与恒温磁力搅拌器连接。
6.一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：将去离子水与污染土壤混合：将去离子水与污染土壤置于反应主体中，调节混合液pH至2～2.5，将混合液搅拌均匀，去离子水与多氯联苯污染土壤的配比为：1.2～1.5ml去离子水:2g多氯联苯污染土壤；
步骤2：在反应主体中加入氧化剂H2O2和电解质NaCl：向反应主体内的土壤浆液中加入氧化剂H2O2溶液和电解质NaCl，其中H2O2溶液的质量浓度为30％，电解质NaCl为纯度为分析纯，固体；
步骤3：接通电源：设置固定的直流电压，打开稳压稳流电源，同时开启恒温磁力搅拌器进行搅拌，其中直流电压设置为0.33～0.99V·cm-2·kg-1，恒温磁力搅拌器设置温度25℃，设置转速800r/min，电芬顿氧化系统处理时间为10～60min；
步骤4：终止反应：反应时间结束后，依次关闭磁力搅拌器加热开关、磁力搅拌子搅拌开关和直流稳压稳流电源，调节反应主体中混合液的pH为碱性，反应停止。
7.根据权利要求6所述的一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的方法，其特征在于：所述步骤2中步骤1中采用1mol·L-1的硫酸溶液和1mol·L-1的氢氧化钠溶液调节去离子水pH至2.0～2.5。
8.根据权利要求6所述的一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的方法，其特征在于：所述每处理1kg多氯联苯污染土壤需投加氧化剂16.7～27.8g H2O2和电解质30～50g NaCl；所述氧化剂H2O2的投加方式为控制流量匀速添加投加至反应主体，所述电解质NaCl的添加方式为按照所需要的量一次性添加。
9.根据权利要求6所述的一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的方法，其特征在于：所述步骤3中打开直流电源后，阳极铁材料氧化生成Fe2+，与反应主体中的氧化剂H2O2组成Fenton试剂，在酸性条件下产生羟基自由基(·OH)进而与有机物发生氧化反应。
10.根据权利要求6所述的一种电芬顿氧化处理多氯联苯污染土壤的方法，其特征在于：所述多氯联苯污染为变压器油污染所产生的多氯联苯污染。
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