CN111545562A

CN111545562A - 一种匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法

Info

Publication number: CN111545562A
Application number: CN202010423613.1A
Authority: CN
Inventors: 张猛; 林匡飞; 刘莉莉; 刘冠宏
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2020-08-18

Abstract

本发明属于场地污染土壤原位修复技术领域，该方法是利用非均匀对称电场实现过硫酸根离子在低渗透性土壤中的高效、匀化传质，当过硫酸根离子均匀分布于修复土体时，启动电加热程序，利用直流电加热棒以热传导形式进行活化，生成的硫酸根自由基可高效氧化降解土壤中的有机污染物。本发明方法可有效解决低渗透性土壤氧化药剂传质效率低、分布不均以及由此导致的修复效率空间差异大等问题；以热传导形式活化过硫酸盐不受土壤渗透性影响，直流电加热方式可简化修复系统集成，实现电场传质‑热活化的一体化程序控制。

Description

一种匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法

技术领域

本发明属于场地污染土壤原位修复技术领域，具体涉及一种匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法。

背景技术

原位化学氧化(ISCO)是将氧化剂注入地下与污染物发生反应去除污染物，药剂自身缺陷是影响其修复效率主要因素之一。如芬顿试剂稳定性较差；与高锰酸盐反应的有机污染物种类少；臭氧反应效率受传质和溶解性限制等。药剂在土壤中能否有效传质也是影响修复效率的主要因素。药剂自由扩散与加压注入在低渗透性土壤中都难以实现匀化传质。电动运送技术具有不受土壤低渗透性限制及原位应用等优点。目前多采用单向电场阴极注入、简单极性切换电场两极注入形式运送过硫酸盐(EK-ISCO)修复有机污染低渗透性介质。电场条件下过硫酸盐的匀化传质方法仍属空白。

电动过程阳极持续产酸(H⁺)会导致电渗析流减弱，阴极持续产碱(OH^–)产生的高pH环境虽然有利于电渗作用，但会导致过硫酸盐过早活化。此外，过硫酸盐电迁移方向(阴极到阳极)与电渗析流方向(阳极到阴极)相反，其运送量是两种作用的矢量值之和。因此，单向电场或简单切换电场都无法实现过硫酸盐低损输送与匀化传质。此外，板状电极形成的均匀电场虽然传质均匀性好，但电极表面积大，反应剧烈且浓差极化现象明显，大量电能消耗在电极表面，实际应用时安装成本和难度均较高。基于柱状电极形成非均匀对称电场，通过叠加运行设计可有效降低空间场强差异，实现过硫酸盐的匀化传质。

过硫酸盐具有稳定性和水溶性较好、对天然有机物亲和力较弱等优点，但活化产物反应迅速，会导致过量消耗。因此，过硫酸盐高效原位活化，对于提高药剂使用率和修复效率至关重要。水性活化剂(碱活化、过渡金属离子活化)要求过硫酸盐离子与活化剂离子接触，土壤颗粒会影响两者的混合、碰撞，导致不同的反应速率和活化能。热活化与反应体系中土壤无关，且不受渗透性影响，且电热传导技术已成功应用于有机污染土壤修复，因此可以与EK-ISCO联用，作为过硫酸盐的原位热活化手段。

发明内容

本发明的目的是实现过硫酸盐在低渗透性土壤中的匀化传质及高效原位热活化，建立匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法

本发明的目的通过以下方式实现：

一种匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法，该方法首先通过2组电极在修复区域内构建基础二维对称电场，再利用2组电极形成补充电场，强化基础电场的弱场强区域的过硫酸根离子传质，通过两个电场的交替运行缩小电场强度的空间差异，并在空间上形成过硫酸根离子的交叉叠加运送路径，进而实现其匀化传质。在实现过硫酸根离子的空间均布后启动电加热程序，直流电加热棒以热传导形式原位活化过硫酸根离子，利用生成的硫酸根自由基氧化降解土壤有机污染物。

本发明方法通过以下步骤实现：

(1)修复区域土体内布设4组惰性材质电极用于构建匀化传质电场，其中1、2组电极用于构建基础二维对称电场；3、4组电极用于构建补充电场。将惰性电极插入PVC材质多孔井管并固定。

(2)修复区域土体内预设直流电加热棒、热电偶。

(3)基础电场电极组(1和2组电极)、补充电场电极组(3和4组电极)分别连接至修复装置的2个电源输出口；温度控制器连接电加热电源输出口；直流加热棒、热电偶连接温度控制器。

(4)以电极井注入形式输送过硫酸根离子，电极井内加入浓度10-40g/L的过硫酸盐溶液；

(5)启动修复装置，调整电场强度0.5-5.0V/cm；1、2组电极运行16-96h结束后自动断电；启动3、4组电极，运行16-96h结束后自动断电并再次启动1、2组电极；重复上述过程直至过硫酸根离子运送结束。

(6)为避免工作电极组作为阴极使用时，注射井的内部溶液及其周边土壤pH过高导致过硫酸根过早活化与损耗，工作电极组的电极极性每8-24h切换一次；

(7)完成硫酸根离子运送后启动电加热程序，设定土壤加热温度35-65℃，通过温度控制器控制加热电源开关，重复上述过程直至热活化过程结束。

上述步骤(1)中所用电极优选石墨棒电极，电极井的设置深度与土壤污染深度一致。

上述步骤(2)中的直流电加热棒、热电偶插入修复土体并与温度控制器连接。

上述步骤(3)中的基础电场工作电极、补充电场工作电极分别连接修复装置的2个电源输出端口；温度控制器与电加热电源连接；每个输出端口运行参数均可独立设置。

上述步骤(4)中使用的过硫酸盐溶液浓度为10-40g/L，视土壤有机污染物含量而定，所述的过硫酸盐为过硫酸钠。

上述步骤(5)中的修复装置包括直流电源、继电器、时控开关、电流表、电压表、输出端子、温度控制器、热电偶、电极、电极井、直流电加热棒等。

上述步骤(6)中工作电极组极性的切换通过修复装置内置继电器控制。

所述时控开关用于控制电极极性切换时间，基础电场及补充电场运行程序、电加热运行程序的时序启动与停止。

本发明方法可用于低渗透性有机污染土壤的原位修复。

和已有技术发明相比，本发明在对二维对称电场的弱场强区域设置间歇工作的补充电场，可有效降低电场强度的空间差异，实现过硫酸根离子运送路径在空间上的交叉叠加，促进过硫酸根离子在低渗透性土壤中的匀化传质；实现过硫酸酸根离子运送过程与电加热活化过程的程序化衔接，避免电动运送系统与电加热系统的割离，无需电阻加热过程所必须的供电方式转换程序(交流电转直流电)，可显著提高土壤修复系统的稳定性与安全性。过硫酸根离子的匀化传质与高效原位热活化可显著提高低渗透性有机污染土壤的修复效率、降低修复效率空间差异。

附图说明

图1为土壤修复装置示意图。其中，

为工作电极组；1-控制系统；2-时控开关；3-基础电场电源输出；4-补充电场电源输出；5-电加热电源输出；6-温度控制器；7-电极井；8-直流电加热棒；9-热电偶。

图2为电极注入井设计图。其中，1-多孔密底PVC管；2-柱状石墨电极；3-直径6cm厚2cm橡胶盖；4-电线。

图3为土壤温度空间分布图。

图4为人工配置污染土壤中石油污染物去除效率空间分布图。

图5为人工配置污染土壤中芘污染物去除效率空间分布图。

具体实施方式

实施例1

(1)实验装置

本发明的修复装置示意图见图1，包括控制系统(直流电源、继电器、时控开关、电流表、电压表、输出端子)、温度控制器、热电偶、电极、电极井、直流电加热棒等。基础电场工作电极(

和

)、补充电场工作电极(

和

)分别连接修复装置的2个电源输出端口；温度控制器连接电加热电源输出端口；直流加热棒、热电偶连接温度控制器；各输出端口运行参数均可独立设置。通过控制系统内部继电器控制电极极性切换；时控开关用于控制电极极性切换时间，基础电场及补充电场运行程序、电加热运行程序的时序启动与停止。土壤槽尺寸60cm(长)×60cm(宽)×30cm(高)；

电极间距20cm，

电极间距20cm，直流电加热棒间距12cm。

(2)实验用土

供试洁净粉质粘土取自华东理工大学校园，采集土壤拣去碎石、枯枝后自然风干，过20目筛备用。参照标准测试方法测定土壤基本理化性质：土壤pH＝7.6，电导率245.0μS/cm，有机质含量58.6g/kg，阳离子交换量15.9cmol/kg。土壤颗粒组成：砂粒(>0.05mm)11.3％，粉粒(0.002-0.05mm)21.4％，黏粒(<0.002mm)67.3％。

(3)人工污染土壤配置

配置人工污染土壤的石油为胜利油田原油(烷烃59.7％，芳烃26.4％，胶质沥青质13.9％)。供试洁净土壤中混入溶于三氯甲烷的石油污染物，土壤污染浓度设置为1000.0mg/kg，通风橱中搅拌，保证污染物的均匀分布，静置15天，期间不断搅拌确保三氯甲烷挥发干净以及污染物的均匀分布。

(4)实验设计

实验前调整污染土壤水率为35.0％(w/w)，将大约120.0kg土壤装入土壤槽，装填厚度约20.0cm，土壤密度约1.7g/cm³；土壤装填过程将电极井管埋入修复土体，为避免土壤经管孔进入管内，管内壁壁以100目尼龙网包覆，将电极安装于井管内并连接修复装置电源(40V)输出端子；将直流电加热棒、热电偶插入修复土体，连接温度控制器，温度控制器连接修复装置的电加热电源输出端子；将20.0mg/L过硫酸盐溶液注入电极井；启动电动修复装置，基础电场与补充电场的电压梯度均为2V/cm，电极极性切换周期均设定为8h，运行时间均为48h；使用直流电加热棒(48V,1000W)，土壤修复区域边界加热温度设定为45℃，有效加热时间24h；为避免土壤水分挥发与热量散失，土壤槽外覆盖塑料保温膜；在修复区域不同位置布设针式电子温度计用于监测土壤温度变化情况。

(5)实验结果

土壤温度空间分布情况见图3。由于采用电热传导方式对土壤进行加热，因此当修复区域边界温度达到45℃时，加热棒四周温度可达65℃左右，可较好的活化过硫酸盐。处理120h后土壤中石油污染物去除效率的空间分布情况见图4。修复区域内土壤中石油污染物的平均去除率为74.7％，最大去除效率(77.7％)与最小去除效率(72.8％)之差仅为4.8％。匀化传质电场可实现过硫酸根离子在修复土体内的均匀分布，电热传导加热活化过硫酸根离子生成的硫酸盐自由基可高效降解石油污染物。修复效率差异可能是由于电热传导加热过程，修复土体内存在温度梯度所导致。

实施例2

(1)实验装置

实验装置同实施例1。

(2)实验用土

供试洁净土壤同实施例1。

(3)人工污染土壤配置

供试洁净土壤中混入溶于正己烷的芘(>98.0％,百灵威试剂)污染物，土壤污染浓度设置为100.0mg/kg，其制备方法同实施例1。

(4)实验设计

实验设计同实施例1。

(5)实验结果

处理120h后土壤中芘污染物去除效率空间分布情况见图5。处理120h后，修复区域内土壤中芘污染物的平均去除率为92.9％，最大去除效率(95.2％)与最小去除效率(90.8％)之差仅为4.4％。

Claims

1.一种匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法，其特征在于以非均匀对称电场实现过硫酸根离子在低渗透性土壤中的高效、匀化传质，当过硫酸根离子均匀分布于修复土体时，启动电加热程序，利用直流电加热棒以热传导形式进行活化，生成的硫酸根自由基可高效氧化降解土壤中的有机污染物。

2.按照权利要求1所述的匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

(1)修复区域土体内布设4组惰性材质电极用于构建匀化传质电场，其中1、2组电极用于构建基础二维对称电场；3、4组电极用于构建补充电场；将惰性电极插入PVC材质多孔井管并固定；

(2)修复区域土体内预设直流电加热棒、热电偶；

(3)基础电场电极组(1和2组电极)、补充电场电极组(3和4组电极)分别连接至修复装置的2个电源输出口；温度控制器连接电加热电源输出口；直流加热棒、热电偶连接温度控制器；

(5)启动修复装置，调整电场强度0.5-5.0V/cm；1、2组电极运行16-96h结束后自动断电；启动3、4组电极，运行16-76h结束后自动断电并再次启动1、2组电极；重复上述过程直至过硫酸根离子运送结束；

3.按照权利要求2所述的匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法，其特征在于：惰性材质电极可选择石墨棒电极；电极井的设置深度与土壤污染深度一致。

4.按照权利要求2所述的匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法，其特征在于：基础电场工作电极、补充电场工作电极分别连接修复装置的2个电源输出端口；温度控制器连接电加热电源输出端口；各输出端口运行参数均可独立设置。

5.按照权利要求2所述的匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法，其特征在于：修复装置包括直流电源、继电器、时控开关、电流表、电压表、输出端子、温度控制器、热电偶、电极、电极井、直流电加热棒等。

6.按照权利要求5所述的匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法，其特征在于：继电器用于控制工作电极组极性的切换。

7.按照权利要求5所述的匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法，其特征在于：时控开关用于控制电极极性切换时间，电场运行程序与电加热运行程序的时序启动、停止。

8.按照权利要求5所述的匀化传质电场-电热传导耦合修复有机污染低渗透性土壤的方法，其特征在于：热电偶安置于修复土体内与温度控制器相连，直流电加热棒与温度控制器连接，温度控制器与电加热直流电源输出端口连接。