CN110788128B - 一种全自动化低温等离子土壤修复装置及其修复方法 - Google Patents

一种全自动化低温等离子土壤修复装置及其修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于污染土壤修复领域，具体地说是一种全自动化低温等离子土壤修复装置及其修复方法，污染土壤经过土壤破碎机后进入土壤筛分器，通过往复驱动电机运转带动土壤筛分器往复振动，筛分后的污染土壤落入土壤储存仓，并经挡板机构落在环形钢板上，由环形钢板将污染土壤运送到等离子体发生器下方的放电处理区域，等离子体发生器由升降机带动落下并开始运行，等离子体发生器与环形钢板之间形成正负电极，在土壤表面及内部发生放电反应，产生的多种强还原性自由基及高能电子与土壤中污染物反应，将土壤中污染物去除。本发明可连续处理大量的污染土壤，实现处理过程的自动化及可视化，节约人工成本，处理效果好、周期短、安全性高。

Description

一种全自动化低温等离子土壤修复装置及其修复方法
技术领域
本发明属于污染土壤修复领域，具体地说是一种全自动化低温等离子土壤修复装置及其修复方法。
背景技术
随着城市化和工业化进程的加快，退二进三政策的实施，在发达地区及城市中心遗留大量斑块状的POPs污染场地。这些污染场地污染物组成复杂，毒性强，难降解，传统的土壤修复技术不能有效的解决该类污染场地。高效、经济、环保的新型土壤修复技术及设备研发是科学技术发展的必然趋势，土壤修复技术革新对社会经济发展及生态环境改善具有重要的意义。
由于目前主流的技术存在不同的技术瓶颈，因此开发一种经济、高效、环保、容易操作、可移动且具有广谱性的POPs污染土壤修复技术是我国土壤环境提升的迫切需求，也是当今国内外环保领域研究的热点。
等离子体技术近年来在土壤修复行业也逐渐崭露头角，高压放电产生的高能电子可以与空气中的氧气、氮气等分子发生反应，生成大量活性粒子；这些活性粒子与土壤中的污染物发生反应，或电场中的高能电子直接与污染物发生反应，使其降解为小分子中间产物并进一步分解成二氧化碳和水分子。这项技术的出现引起国内外土壤修复行业高度重视，凭借该项技术独特的修复机理、高效的修复效果，未来必将会占领大部分难降解、难处理、高风险性污染土壤修复市场，为人类的健康做出保障，为社会的发展做出贡献。
现阶段国内等离子处理污染土壤的方式存在处理量少、操作繁琐等缺点。
发明内容
为了解决现有等离子处理污染土壤存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种全自动化低温等离子土壤修复装置及其修复方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的修复装置包括土壤破碎机、土壤筛分器、支架、往复驱动电机、传动机构、土壤储存仓、挡板机构、转动辊、旋转电机、土壤传送机构、移动平台、等离子体发生器、升降机、高压电源及PLC 控制系统，其中土壤传送机构、支架及升降机分别安装于移动平台上，该支架位于所述土壤传送机构一端的上方，所述升降机位于土壤传送机构的另一端一侧；所述往复驱动电机安装于支架上，输出端通过所述传动机构与土壤筛分器相连，该土壤筛分器与所述支架滑动连接；所述土壤破碎机的出料口A与土壤筛分器相连通，该土壤筛分器的下方设有安装于所述支架上的土壤储存仓，所述土壤储存仓内设有位于土壤筛分器下方的挡板机构，该挡板机构的出口处设有转动安装于所述土壤储存仓上的转动辊，该转动辊的一端与安装于土壤储存仓上的旋转电机的输出端相连；所述升降机的输出端连接有等离子体发生器，该升降机的一侧设有与等离子体发生器连接的高压电源；所述土壤破碎机的动力源、往复驱动电机、旋转电机、土壤传送机构的动力源及升降机分别与PLC控制系统连接。
其中：所述土壤筛分器包括筛子及筛板，该筛子设置在筛板上，所述筛板上设有筛网；所述筛板与支架滑动连接，所述往复驱动电机通过传动机构与筛板相连，带动筛板往复振动；所述筛子的顶部设有可开关的盖板。
所述传动机构为曲柄连杆传动机构，包括曲柄及连杆，该曲柄的一端与所述往复驱动电机的输出端相连，另一端与所述连杆的一端铰接，该连杆的另一端与所述土壤筛分器连接。
所述挡板机构包括挡板A及挡板B，该挡板A及挡板B的一端均安装在土壤储存仓上，另一端之间形成出口，所述转动辊的辊轴位于该出口的下方，且转动辊的上部位于出口处，所述挡板A及挡板B的另一端分别位于转动辊辊轴上方的两侧。
所述转动辊的另一端安装有测量转动辊转动圈数的感应器，该感应器与所述PLC控制系统相连。
所述土壤传送机构包括环形钢板、传送辊及作为动力源的传送电机，该环形钢板内部的两端均设有转动安装于移动平台上的传送辊，任意一个传送辊通过链轮链条传动机构与安装于移动平台上的传送电机的输出端相连；所述环形钢板的上表面与转动辊抵接，该环形钢板既作为传送带又作为所述等离子体发生器的负极。
所述高压电源为交流方波高频电源。
所述等离子体发生器内部设有可视影像装置，该可视影像装置与显示器连接，通过所述显示器实时监控等离子体发生器工作时的画面；所述显示器及与显示器连接的鼠标、键盘分别与PLC控制系统连接。
本发明全自动化低温等离子土壤修复装置的修复方法为：
污染土壤经过所述土壤破碎机破碎后进入土壤筛分器，通过所述往复驱动电机带动土壤筛分器往复振动，过筛后的污染土壤落入所述土壤储存仓内；所述旋转电机驱动转动辊旋转，在旋转过程中将土壤储存仓内的污染土壤送至所述土壤传送机构上，并由该土壤传送机构传送至所述等离子体发生器的下方、进入放电处理区域；所述等离子体发生器由升降机驱动下降罩住污染土壤并开始运行，在该等离子体发生器运行的同时，新一批破碎、过筛后的污染土壤落入所述土壤储存仓内；所述等离子体发生器放电结束后，由所述升降机带动升起复位，处理后的达标土壤由所述土壤传送机构运出，同时新一批污染土壤落在土壤传送机构上，并由土壤传送机构传送至所述等离子体发生器下方、进入放电处理区域，再由升降机驱动等离子体发生器下降，对污染土壤进行修复，再将新一批破碎、过筛后的污染土壤落入土壤储存仓内，即在等离子体发生器对污染土壤修复的同时，新一批破碎、过筛后的污染土壤落入土壤储存仓内，直至污染土壤全部修复完毕。
其中：在修复装置运行前，通过所述PLC控制系统设置土壤破碎机的运行时间、设置所述土壤筛分器往复筛分时间、设置所述升降机的升降时间、设置所述等离子体发生器的运行时间；通过所述PLC控制系统控制旋转电机的转速，使每次落在所述土壤传送机构上的污染土壤长度小于所述等离子体发生器的长度，使等离子体发生器罩住每次待修复的污染土壤；通过所述PLC控制系统控制旋转电机的转速，使所述土壤传送机构上每次修复的污染土壤厚度小于或等于2mm。
本发明的优点与积极效果为：
本发明安全性好、处理效果好、治理周期短，通过土壤破碎机将颗粒较大的土壤或砂石粉碎为粒径较小的颗粒，并通过PLC控制系统设定挡板机构开合时间及传送带(即环形钢板)工作时间，使传送带的土壤厚度不超过2mm，土壤粒径的减小及厚度的降低极大缩短了等离子设备处理时间，从而加快了处理速度，可在短时间内处理大量的污染土壤，本发明同时降低了操作难度，对操作人员的要求较低。
附图说明
图1为本发明修复装置的整体结构示意图；
图2为图1中土壤筛分器及土壤储存仓的局部放大图；
其中：1为土壤破碎机，2为土壤筛分器，201为筛子，202为筛板，203为滑块，204为支架，205为滑轨，3为往复驱动电机，301 为曲柄，302为连杆，4为可视影像装置，5为土壤储存仓，6为挡板 A，7为挡板B，8为转动辊，9为土壤传送机构，901为环形钢板， 902为传送辊，903为传送电机，10为移动平台，11为等离子体发生器，12为升降机，13为高压电源，14为显示器，15为鼠标，16为键盘，17为PLC控制系统，18为出料口A，19为出料口B，20为盖板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1、图2所示，本发明修复装置包括土壤破碎机1、土壤筛分器2、支架204、往复驱动电机3、传动机构、土壤储存仓5、挡板机构、转动辊8、旋转电机、土壤传送机构9、移动平台10、等离子体发生器11、升降机12、高压电源13及PLC控制系统17，其中土壤传送机构9、支架204及升降机12分别安装于移动平台10上，该支架204位于土壤传送机构9一端的上方，升降机12位于土壤传送机构9的另一端一侧，并在土壤传送机构9另一端的下方设置出料口B19；往复驱动电机3安装于支架204上，输出端通过传动机构与土壤筛分器2相连，该土壤筛分器2与支架204滑动连接。土壤破碎机 1的出料口A18与土壤筛分器2相连通，该土壤筛分器2的下方设有安装于支架204上的土壤储存仓5，土壤储存仓5内设有位于土壤筛分器2下方的挡板机构，该挡板机构的出口处设有转动安装于土壤储存仓5上的转动辊8，该转动辊8的一端与安装于土壤储存仓5上的旋转电机的输出端相连，另一端安装有测量转动辊8转动圈数的感应器；升降机12的输出端连接有等离子体发生器11，该升降机12的一侧设有与等离子体发生器11连接的高压电源13。等离子体发生器 11内部设有可视影像装置4，该可视影像装置4与显示器14连接，通过显示器14实时监控等离子体发生器11工作时的画面；本实施例的可视影像装置4为摄像机。土壤破碎机1的动力源、往复驱动电机 3、旋转电机、感应器、土壤传送机构9的动力源、升降机12、显示器14及与显示器14连接的鼠标15、键盘16分别与PLC控制系统17 连接。
本实施例的土壤破碎机1为现有技术，出料口A18与土壤筛分器 2连通，将破碎后的污染土壤送至土壤筛分器2内。
本实施例的土壤筛分器2包括筛子201及筛板202，该筛子201 设置在筛板202上，筛板202上设有筛网，本实施例筛网孔径大小为 0.25mm；筛板202两侧对称设有安装在支架204上的滑轨205，筛板 202的两侧均固接有滑块203，筛板202通过滑块203与滑轨205滑动连接。往复驱动电机3通过传动机构与筛板202相连，带动筛板 202沿滑轨205往复振动。筛子201的顶部设有可开关的盖板20。本实施例的传动机构为曲柄连杆传动机构，包括曲柄301及连杆302，该曲柄301的一端与往复驱动电机3的输出端相连，另一端与连杆 302的一端铰接，该连杆302的另一端与筛板202连接。
本实施例的挡板机构包括挡板A6及挡板B7，该挡板A6及挡板 B7的一端均倾斜地安装在土壤储存仓5上，另一端之间形成出口，转动辊8的辊轴位于该出口的下方，且转动辊8的上部位于出口处，即转动辊8的直径大于挡板A6另一端与挡板B7另一端之间所形成出口的宽度；本实施例出口的宽度小于等离子体发生器的宽度。挡板 A6及挡板B7的另一端分别位于转动辊8辊轴上方的两侧。本实施例在环形钢板901的运动轨迹上设置有转动安装在移动平台10上的压辊，以保证环形钢板901不会发生翘动。本实施例在环形钢板901的上方还设置了安装于移动平台10上的感应器，感应器与PLC控制系统17相连，通过PLC控制系统控制传送电机903，进而控制环形钢板901的运行距离，确保环形钢板901将污染土壤传送至等离子体发生器11正下方后自动停止运行。
本实施例的土壤传送机构9包括环形钢板901、传送辊902及作为动力源的传送电机903，该环形钢板901内部的两端均设有转动安装于移动平台10上的传送辊902，任意一个传送辊902通过链轮链条传动机构与安装于移动平台10上的传送电机903的输出端相连，该传送电机903作为土壤传送机构9的动力源；环形钢板901的上表面与转动辊8抵接，该环形钢板901既作为传送带又作为等离子体发生器11的负极。
本实施例的高压电源13为交流方波高频电源，电源电压大小为 40KV。
本发明的等离子体发生器11为现有技术。
本发明全自动化低温等离子土壤修复装置的修复方法为：
土壤破碎机1、土壤筛分器2、往复式连接装置3、传动机构、土壤储存仓5、挡板机构及盖板20组成本发明的污染土壤前处理系统；可视影像装置4、土壤传送机构9、升降机12、等离子体发生器 11、高压电源13组成本发明的处理系统；PLC控制系统17、显示器 14、鼠标15及键盘16组成本发明的控制系统。在修复装置运行前，通过控制系统设定前处理系统及处理系统的运行时间，通过控制系统设定土壤破碎机1的运行时间，根据目标污染土壤污染的粒径大小、土壤硬度等指标设置时间长短。通过PLC控制系统17设置土壤筛分器2往复筛分时间、设置升降机12的升降时间、设置等离子体发生器10的运行时间。
污染土壤经过土壤破碎机1破碎后从出料口A18进入土壤筛分器2的筛子201内，通过往复驱动电机3、曲柄301及连杆302带动土壤筛分器2往复振动，过筛后的污染土壤由筛板202上的筛网落入土壤储存仓5内；旋转电机驱动转动辊8旋转，在旋转过程中将土壤储存仓5内的污染土壤送至土壤传送机构9的环形钢板901上，并由传送电机903驱动环形钢板901将污染土壤传送至等离子体发生器11 的正下方、进入放电处理区域；PLC控制系统17控制旋转电机的转速，使每次落在环形钢板901上的污染土壤长度小于等离子体发生器 10的长度，使等离子体发生器10罩住每次待修复的污染土壤；通过 PLC控制系统17控制旋转电机的转速，使环形钢板901上每次修复的污染土壤厚度小于或等于2mm。
根据污染土壤的污染物浓度等特性设定等离子体发生器11运行时间、升降机9运行时间及高压电源13电压。等离子体发生器11由升降机12驱动下降罩住污染土壤并开始运行，等离子体发生器11与环形钢板901之间形成正负电极，在土壤表面及内部发生放电反应，产生的多种强还原性自由基及高能电子与土壤中污染物反应，将土壤中污染物去除。在等离子体发生器11运行的同时，新一批破碎、过筛后的污染土壤落入土壤储存仓5内；等离子体发生器11放电结束后，由升降机12带动升起复位，处理后的达标土壤由环形钢板901的另一端下方设置的出料口B19运出，同时新一批污染土壤落在环形钢板901上，并由环形钢板901传送至等离子体发生器11正下方、进入放电处理区域，再由升降机12驱动等离子体发生器11下降，对污染土壤进行修复，再将新一批破碎、过筛后的污染土壤落入土壤储存仓5内，即在等离子体发生器11对污染土壤修复的同时，新一批破碎、过筛后的污染土壤落入土壤储存仓5内，重复上述处理过程直至污染土壤全部修复完毕。
实验例一
试验土壤采自沈阳市某污染场地，风干后测定污染物主要为多环芳烃中的芘，浓度为305mg/kg。全自动化低温等离子土壤修复装置中，高压电源13的输入电压为220V，输出给等离子体发生器11的电压为40kV，电源频率为50Hz，等离子体发生器11运行时间为15min。处理完成后，芘的浓度降低为6.5mg/kg，芘的去除率达到97.9％，处理后芘的残存值低于一类用地筛选值50mg/kg(根据现行北京市地方标准《场地土壤环境风险评价筛选值》DB11T)。
对比试验：将风干后的污染土壤静止放在通风处，测定该土壤中芘的浓度为305mg/kg。
实验例二
试验土壤采自沈阳市某污染场地，风干后测定污染物主要为多环芳烃中的芘，浓度为1056mg/kg。全自动化低温等离子土壤修复装置中，高压电源13的输入电压为220V，输出给等离子体发生器11的电压为40kV，电源频率为50Hz，等离子体发生器11运行时间为30min。处理完成后，芘的浓度降低为33mg/kg，芘的去除率达到96.8％，处理后残存值低于一类用地筛选值50mg/kg(根据现行北京市地方标准《场地土壤环境风险评价筛选值》DB11T)。
对比试验：将风干后的污染土壤静止放在通风处，测定该土壤中芘的浓度为1056mg/kg。
实验例三
试验土壤采自沈阳市某污染场地，风干后测定污染物主要为多溴联苯醚中的十溴联苯醚，浓度为556mg/kg。全自动化低温等离子土壤修复装置中，高压电源13的输入电压为220V，输出给等离子体发生器11的电压为40kV，电源频率为50Hz，等离子体发生器11运行时间为20min。处理完成后，十溴联苯醚的浓度降低为9mg/kg，十溴联苯醚的去除率达到98.4％，处理后残存值达标。
对比试验：将风干后的污染土壤静止放在通风处，测定该土壤中十溴联苯醚的浓度为556mg/kg。
根据对比实验得出本发明全自动化低温等离子土壤修复装置及修复方法可高效地处理难挥发性有机污染物。

Claims (8)

1.一种全自动化低温等离子土壤修复装置，其特征在于：包括土壤破碎机(1)、土壤筛分器(2)、支架(204)、往复驱动电机(3)、传动机构、土壤储存仓(5)、挡板机构、转动辊(8)、旋转电机、土壤传送机构(9)、移动平台(10)、等离子体发生器(11)、升降机(12)、高压电源(13)及PLC控制系统(17)，其中土壤传送机构(9)、支架(204)及升降机(12)分别安装于移动平台(10)上，该支架(204)位于所述土壤传送机构(9)一端的上方，所述升降机(12)位于土壤传送机构(9)的另一端一侧；所述往复驱动电机(3)安装于支架(204)上，输出端通过所述传动机构与土壤筛分器(2)相连，该土壤筛分器(2)与所述支架(204)滑动连接；所述土壤破碎机(1)的出料口A(18)与土壤筛分器(2)相连通，该土壤筛分器(2)的下方设有安装于所述支架(204)上的土壤储存仓(5)，所述土壤储存仓(5)内设有位于土壤筛分器(2)下方的挡板机构，该挡板机构的出口处设有转动安装于所述土壤储存仓(5)上的转动辊(8)，该转动辊(8)的一端与安装于土壤储存仓(5)上的旋转电机的输出端相连；所述升降机(12)的输出端连接有等离子体发生器(11)，该升降机(12)的一侧设有与等离子体发生器(11)连接的高压电源(13)；所述土壤破碎机(1)的动力源、往复驱动电机(3)、旋转电机、土壤传送机构(9)的动力源及升降机(12)分别与PLC控制系统(17)连接；
所述挡板机构包括挡板A(6)及挡板B(7)，该挡板A(6)及挡板B(7)的一端均安装在土壤储存仓(5)上，另一端之间形成出口，所述转动辊(8)的辊轴位于该出口的下方，且转动辊(8)的上部位于出口处，所述挡板A(6)及挡板B(7)的另一端分别位于转动辊(8)辊轴上方的两侧；
所述土壤传送机构(9)包括环形钢板(901)、传送辊(902)及作为动力源的传送电机(903)，该环形钢板(901)内部的两端均设有转动安装于移动平台(10)上的传送辊(902)，任意一个传送辊(902)通过链轮链条传动机构与安装于移动平台(10)上的传送电机(903)的输出端相连；所述环形钢板(901)的上表面与转动辊(8)抵接，该环形钢板(901)既作为传送带又作为所述等离子体发生器(11)的负极。
2.根据权利要求1所述的全自动化低温等离子土壤修复装置，其特征在于：所述土壤筛分器(2)包括筛子(201)及筛板(202)，该筛子(201)设置在筛板(202)上，所述筛板(202)上设有筛网；所述筛板(202)与支架(204)滑动连接，所述往复驱动电机(3)通过传动机构与筛板(202)相连，带动筛板(202)往复振动；所述筛子(201)的顶部设有可开关的盖板(20)。
3.根据权利要求1所述的全自动化低温等离子土壤修复装置，其特征在于：所述传动机构为曲柄连杆传动机构，包括曲柄(301)及连杆(302)，该曲柄(301)的一端与所述往复驱动电机(3)的输出端相连，另一端与所述连杆(302)的一端铰接，该连杆(302)的另一端与所述土壤筛分器(2)连接。
4.根据权利要求1所述的全自动化低温等离子土壤修复装置，其特征在于：所述转动辊(8)的另一端安装有测量转动辊(8)转动圈数的感应器，该感应器与所述PLC控制系统(17)相连。
5.根据权利要求1所述的全自动化低温等离子土壤修复装置，其特征在于：所述高压电源(13)为交流方波高频电源。
6.根据权利要求1所述的全自动化低温等离子土壤修复装置，其特征在于：所述等离子体发生器(11)内部设有可视影像装置(4)，该可视影像装置(4)与显示器(14)连接，通过所述显示器(14)实时监控等离子体发生器(11)工作时的画面；所述显示器(14)及与显示器(14)连接的鼠标(15)、键盘(16)分别与PLC控制系统(17)连接。
7.一种权利要求1至6任一权利要求所述全自动化低温等离子土壤修复装置的修复方法，其特征在于：污染土壤经过所述土壤破碎机(1)破碎后进入土壤筛分器(2)，通过所述往复驱动电机(3)带动土壤筛分器(2)往复振动，过筛后的污染土壤落入所述土壤储存仓(5)内；所述旋转电机驱动转动辊(8)旋转，在旋转过程中将土壤储存仓(5)内的污染土壤送至所述土壤传送机构(9)上，并由该土壤传送机构(9)传送至所述等离子体发生器(11)的下方、进入放电处理区域；所述等离子体发生器(11)由升降机(12)驱动下降罩住污染土壤并开始运行，在该等离子体发生器(11)运行的同时，新一批破碎、过筛后的污染土壤落入所述土壤储存仓(5)内；所述等离子体发生器(11)放电结束后，由所述升降机(12)带动升起复位，处理后的达标土壤由所述土壤传送机构(9)运出，同时新一批污染土壤落在土壤传送机构(9)上，并由土壤传送机构(9)传送至所述等离子体发生器(11)下方、进入放电处理区域，再由升降机(12)驱动等离子体发生器(11)下降，对污染土壤进行修复，再将新一批破碎、过筛后的污染土壤落入土壤储存仓(5)内，即在等离子体发生器(11)对污染土壤修复的同时，新一批破碎、过筛后的污染土壤落入土壤储存仓(5)内，直至污染土壤全部修复完毕。
8.根据权利要求7所述全自动化低温等离子土壤修复装置的修复方法，其特征在于：在修复装置运行前，通过所述PLC控制系统(17)设置土壤破碎机(1)的运行时间、设置所述土壤筛分器(2)往复筛分时间、设置所述升降机(12)的升降时间、设置所述等离子体发生器(11)的运行时间；通过所述PLC控制系统(17)控制旋转电机的转速，使每次落在所述土壤传送机构(9)上的污染土壤长度小于所述等离子体发生器(11)的长度，使等离子体发生器(11)罩住每次待修复的污染土壤；通过所述PLC控制系统(17)控制旋转电机的转速，使所述土壤传送机构(9)上每次修复的污染土壤厚度小于或等于2mm。
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