CN111687203A - 光能-垂直电动修复重金属污染土壤的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光能‑垂直电动修复重金属污染土壤的装置，其包括修复槽、药剂存储罐、药剂回收罐、药剂泵和直流电源；该修复罐包括沿竖直方向延伸的罐体，该罐体具有一内腔，在该内腔的顶部设置有阴极板，在该内腔的底部设置有阳极板；在该罐体的上端设置有进液口、在该罐体的下端设置有出液口，该罐体的顶部设置有进料口；该药剂泵的进口连通药剂存储罐，该药剂泵的出口连通该进液口；该出液口经排液管连通药剂回收罐；该阴极板连接到直流电源的负极，该阳极板连接到直流电源的正极。以及采用上述装置的修复重金属污染土壤的方法。利用本申请能够有效地对土壤进行修复，并对药剂进行回收，降低药剂在土壤中的残留量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光能-垂直电动修复重金属污染土壤的装置及方法，属于重金属土壤修复环保技术领域。
背景技术
随着我国重工业、农业等行业的高速发展，其在发展过程中所带来的土壤重金属污染逐渐超出土壤的自净能力，就《全国土壤污染状况调查公报》显示，Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等8种无机污染物点位超标率分别为7.0％、1.6％、2.7％、2.1％、1.5％、1.1％、0.9％、4.8％，土壤重金属污染无疑是环境污染问题中亟待解决的一部分。由于重金属污染土壤具有范围广、隐蔽、长期性、积累性与地域性、不可逆性、难以控制性等特点，不仅成为人类对农作物安全及自身健康的担忧，也成为国内外的研究难点。电动修复技术作为一项新兴的土壤修复技术，无论是对重金属污染、有机污染、核废料污染土壤修复，还是应用于污水厂污泥脱水中均具有良好的效果，同时该技术运行成本低、修复快、可以进行原位修复且对低渗透性土壤效果显著。
目前电动修复重金属污染土壤应用中还有很多不足的地方：(1)未考虑根据不同土壤性质采用不同的且对环境无二次污染的药剂以提高重金属在土壤中的迁移性，进而提高修复效率；(2)未考虑对于长时间的电动修复过程中，修复设备能耗大的问题；(3)未考虑在长时间电动修复过程中因土壤含水率、电导率等理化性质改变而导致修复效率下降问题。因此，需要研发一种简单、经济、高效的重金属污染土壤电动修复技术。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明首先提供了一种光能-垂直电动修复重金属污染土壤的装置，其包括修复槽、药剂存储罐、药剂回收罐、药剂泵和直流电源；
该修复罐包括沿竖直方向延伸的罐体，该罐体具有一内腔，在该内腔的顶部设置有阴极板，在该内腔的底部设置有阳极板；在该罐体的上端设置有进液口、在该罐体的下端设置有出液口，该罐体的顶部设置有进料口；该药剂泵的进口连通药剂存储罐，该药剂泵的出口连通该进液口；该出液口经排液管连通药剂回收罐；
该阴极板连接到直流电源的负极，该阳极板连接到直流电源的正极。
本申请在工作时，药剂由药剂存储罐进入到修复罐内，然后经出液口返回到药剂回收罐内。本申请中，将阴极板设置在修复罐的上端，阳极板设置在修复罐的下端，在电迁移、重力及药剂的作用下待修复土壤中的重金属离子被剥离出来，进入到药剂中，并随药剂返回到药剂回收罐内，进行回收，避免二次污染，同时也可对可对富集重金属的药剂进行集中的回收处理。
通过药剂供应回收装置、槽体的垂直设置以及电极上阴下阳的摆放设置，增加了药剂与重金属污染土壤的接触时间，相对于传统横向电场的电动修复方法，重金属离子的迁移性增加了15-30％；通过药剂供应回收装置，可以将至少95wt％的富集重金属的药剂从土壤中排出并进行回收，药剂在土壤中的残留量不超过5wt％，降低污染物的二次污染。
具体地，该直流电源为太阳能供电装置，该太阳能供电装置包括太阳能发电板、连接在太阳能发电板上的蓄电池、以及连接在蓄电池上的电压调节器，该阴极板连接到电压调节器的负极输出端上，该阳极板连接到电压调节器的正极输出端上。利用太阳能供电装置可以减少其他电源的消耗，节约修复土壤时的能耗，相较于传统电动修复，修复成本可节约60％，有效降低土壤修复成本。
为便于监控药剂的流量，在排液管上安装有流量计，并根据流量控制药剂供应。
具体地，该阳极板和阴极板均呈沿水平方向延伸的板状，在水平方向上，该阳极板的面积为罐体的内腔的横截面积的85-95％；该阴极板的面积为罐体的内腔的横截面积的85-95％。相较于传统棒状电极，修复槽内有效电场比可达80％以上，有效电场比提高了25％左右。
进一步，在竖直方向上，该阳极板和阴极板上下相对、且面积相同，使得修复槽内电场强度均匀向上，减少边界效应，促进药剂在修复槽的均匀流动。
其次，本申请还提供一种光能-垂直电动修复重金属污染土壤的方法，其采用上述任一项光能-垂直电动修复重金属污染土壤的装置进行，步骤如下：
将待修复土壤盛装到修复罐的内腔中，药剂存储罐中的药剂经药剂泵进入到修复罐的内腔中，在阳极板与阴极板之间所形成的电场的作用下，重金属离子向阳极板迁移，并随药剂进入到药剂回收罐内；当待修复土壤中的重金属离子降低到设定值时，成为修复土壤，将修复土壤移出修复罐。
具体地，正极板与负极板之间的距离为1m，电压梯度为1V/cm。
对于Hg污染土壤，采用0.1mol/L的KI溶液作为药剂，对于Cd、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni污染土壤采用0.01mol/L乙二胺四乙酸溶液或0.2mol/L柠檬酸溶液作为药剂。上述各药剂均为水溶液。
以KI溶液为药剂修复Hg污染土壤时，修复时间为600-750小时，以乙二胺四乙酸溶液或柠檬酸溶液修复Cd、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni污染土壤时，修复时间为240-360小时。
利用本方法对待修复土壤中的重金属离子进行脱除时，药剂由上端进入到修复罐内，然后向下流动并经出液口返回到药剂回收罐内。本方法中，将阴极板设置在修复罐的上端，阳极板设置在修复罐的下端，在电渗流、重力及药剂的作用下待修复土壤中的重金属离子被剥离出来，进入到药剂中，并随药剂返回到药剂回收罐内，进行回收，避免二次污染，同时也可对可对富集重金属的药剂进行集中的回收处理。
本方法中，针对污染土壤中不同的重金属离子，添加特定的药剂可增加重金属离子的迁移性。重金属离子在电迁移及药剂作用下从土壤表面脱附之后随着药剂在重力作用下从土壤中去除。
利用本方法，可以对低浓度As、Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg等8种重金属污染土壤进行修复均可达到土壤环境质量标准三级标准。对富含以上8种重金属离子的药剂回收，一方面可以防止二次污染，另一方面可对富集重金属的药剂进行集中的回收处理。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下首先对光能-垂直电动修复重金属污染土壤的装置进行说明。
请参阅图1，光能-垂直电动修复重金属污染土壤的装置包括修复槽8、药剂存储罐13、药剂回收罐15、药剂泵12和直流电源。
该修复罐8包括沿竖直方向延伸的罐体81，该罐体81具有一内腔82，在该内腔的顶部设置有阴极板7，在该内腔的底部设置有阳极板9；在该罐体的上端设置有进液口10、在该罐体的下端设置有出液口11，该罐体的顶部设置有进料口83，该进料口用于将待修复土壤装填到修复罐的内腔中。
该药剂泵12的进口连通药剂存储罐13，该药剂泵12的出口经进液管16连通该进液口10，在该进液管16上安装有第一调节阀17。该出液口11经排液管18连通药剂回收罐15。在排液管18上安装有流量计14和第二调节阀19。
该阴极板连接到直流电源的负极，该阳极板连接到直流电源的正极。
在本实施例中，该直流电源为太阳能供电装置，该太阳能供电装置包括太阳能发电板3、连接在太阳能发电板上的蓄电池4、连接在蓄电池上的电压调节器5、以及连接到该电压调节器5上的万用表6，该阴极板7连接到电压调节器的负极输出端上，该阳极板9连接到电压调节器的正极输出端上。
具体在本实施例中，该阳极板和阴极板均呈沿水平方向延伸的板状，在水平方向上，该阳极板的面积为罐体的内腔的横截面积的90％；该阴极板的面积为罐体的内腔的横截面积的90％。在竖直方向上，该阳极板和阴极板上下相对、且面积相同。
可以理解，在其它实施例中，该阳极板和阳极板还可以均为罐体的内腔的横截面积的85％、88％、92％或95％。
以下对光能-垂直电动修复重金属污染土壤的方法进行说明，该方法采用上述的光能-垂直电动修复重金属污染土壤的装置进行，步骤为：
步骤如下：
将待修复土壤盛装到修复罐的内腔中，药剂存储罐中的药剂经药剂泵进入到修复罐的内腔中，在阳极板与阴极板之间所形成的电场的作用下，重金属离子向阳极板迁移，并随药剂进入到药剂回收罐内；当待修复土壤中的重金属离子降低到设定值时，成为修复土壤，将修复土壤移出修复罐。正极板与负极板之间的距离为1m。
实施例1
对Cu、Pb污染稻田土壤进行修复试验，包括具体以下几个步骤：
(1)将Cu、Pb污染土壤作为待修复土壤置于修复槽的内腔中，修复时间为15天，太阳能电池板产生的电能存储于蓄电池中并经过电压调节器将电压梯度定为1V/cm。
(2)在药剂存储罐中盛装0.2mol/L柠檬酸溶液作为药剂，经药剂泵将柠檬酸溶液注入到待修复土壤中，待柠檬酸与待修复土壤充分混合后，开启第二调节阀19，并通过流量计来实时监测土壤内是否有重金属沉淀以阻碍药剂流动。
(3)在柠檬酸与待修复土壤充分接触后打开电源并进行15天的电动修复。修复时间结束后，关闭药剂泵，待药剂停止流动后，取出土壤。
污染土壤经过修复后，重金属Cu、Pb含量如表1所示：
表1 Cu、Pb污染稻田土壤修复效果
实施例2：
对Ni、Zn麦田污染土壤进行修复试验，包括具体以下几个步骤：
(1)将Ni、Zn污染土壤作为待修复土壤置于修复槽的内腔中，修复时间为13天，太阳能电池板产生的电能存储于蓄电池中并经过电压调节器将电压梯度定为1.5V/cm。
(2)在药剂存储罐中盛装0.2mol/L柠檬酸作为药剂，经药剂泵将柠檬酸注入到待修复土壤中，待柠檬酸与待修复土壤充分混合后，开启第二调节阀19，并通过流量计来实时监测土壤内是否有重金属沉淀以阻碍药剂流动。
(3)在柠檬酸与待修复土壤充分接触后打开电源并进行13天的电动修复。修复时间结束后，关闭药剂泵，待待药剂停止流动后，取出土壤。
污染土壤经过修复后，重金属Ni、Zn含量如表2所示：
表2 Ni、Zn污染麦田土壤修复效果
实施例3：
对Cr、As污染稻田土壤进行修复试验，包括具体以下几个步骤：
(1)将Cr、As污染土壤作为待修复土壤置于修复槽的内腔中，修复时间为10天，太阳能电池板产生的电能存储于蓄电池中并经过电压调节器将电压梯度定为2V/cm。
(2)在药剂存储罐中盛装0.2mol/L柠檬酸作为药剂，经药剂泵将柠檬酸注入到待修复土壤中，待柠檬酸与待修复土壤充分混合后，开启第二调节阀19，并通过流量计来实时监测土壤内是否有重金属沉淀以阻碍药剂流动。
(3)在柠檬酸与待修复土壤充分接触后打开电源并进行10天的电动修复。修复时间结束后，关闭药剂泵，待药剂停止流动后，取出土壤。
污染土壤经过修复后，重金属Cr、As含量如表3所示：
表3 Cr、As污染稻田土壤修复效果
实施例4：
对Hg污染稻田土壤进行修复试验，包括具体以下几个步骤：
(1)将Hg污染土壤作为待修复土壤置于修复槽的内腔中，修复时间为25天，太阳能电池板产生的电能存储于蓄电池中并经过电压调节器将电压梯度定为2V/cm。
(2)在药剂存储罐中盛装0.1mol/L碘化钾(KI)作为药剂，经药剂泵将碘化钾注入到待修复土壤中，待碘化钾与待修复土壤充分混合后，开启第二调节阀19，并通过流量计来实时监测土壤内是否有重金属沉淀以阻碍药剂流动。
(3)在碘化钾与待修复土壤充分接触后打开电源并进行25天的电动修复。修复时间结束后，关闭药剂泵，待药剂停止流动后，取出土壤。
污染土壤经过修复后，重金属Hg含量如表4所示：
表4 Hg污染稻田土壤修复效果
实施例5：
对Cd污染蔬菜田土壤进行修复试验，包括具体以下几个步骤：
(1)将Cd污染土壤作为待修复土壤置于修复槽的内腔中，修复时间为15天，太阳能电池板产生的电能存储于蓄电池中并经过电压调节器将电压梯度定为1V/cm。
(2)在药剂存储罐中盛装0.01mol/L乙二胺四乙酸(EDTA)作为药剂，经药剂泵将乙二胺四乙酸注入到待修复土壤中，待乙二胺四乙酸与待修复土壤充分混合后，开启第二调节阀19，并通过流量计来实时监测土壤内是否有重金属沉淀以阻碍药剂流动。
(3)在乙二胺四乙酸与待修复土壤充分接触后打开电源并进行15天的电动修复。修复时间结束后，关闭药剂泵，待药剂停止流动后，取出土壤。
污染土壤经过修复后，重金属Cd含量如表5所示：
表5 Cd污染稻田土壤修复效果
上述各实施例表明采用本申请能够获得较好的效果。
Claims (9)
1.一种光能-垂直电动修复重金属污染土壤的装置，其特征在于，
包括修复槽、药剂存储罐、药剂回收罐、药剂泵和直流电源；
该修复罐包括沿竖直方向延伸的罐体，该罐体具有一内腔，在该内腔的顶部设置有阴极板，在该内腔的底部设置有阳极板；在该罐体的上端设置有进液口、在该罐体的下端设置有出液口，该罐体的顶部设置有进料口；该药剂泵的进口连通药剂存储罐，该药剂泵的出口连通该进液口；该出液口经排液管连通药剂回收罐；
该阴极板连接到直流电源的负极，该阳极板连接到直流电源的正极。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
该直流电源为太阳能供电装置，该太阳能供电装置包括太阳能发电板、连接在太阳能发电板上的蓄电池、以及连接在蓄电池上的电压调节器，该阴极板连接到电压调节器的负极输出端上，该阳极板连接到电压调节器的正极输出端上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
在排液管上安装有流量计。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
该阳极板和阴极板均呈沿水平方向延伸的板状，在水平方向上，该阳极板的面积为罐体的内腔的横截面积的85-95％；该阴极板的面积为罐体的内腔的横截面积的85-95％。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
在竖直方向上，该阳极板和阴极板上下相对、且面积相同。
6.一种光能-垂直电动修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的光能-垂直电动修复重金属污染土壤的装置进行，步骤如下：
将待修复土壤盛装到修复罐的内腔中，药剂存储罐中的药剂经药剂泵进入到修复罐的内腔中，在阳极板与阴极板之间所形成的电场的作用下，重金属离子向阳极板迁移，并随药剂进入到药剂回收罐内；当待修复土壤中的重金属离子降低到设定值时，成为修复土壤，将修复土壤移出修复罐。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
正极板与负极板之间的距离为1m，电压梯度为0.5-2V/cm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
对于Hg污染土壤，采用0.1mol/L的KI溶液作为药剂，对于Cd、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni污染土壤采用0.01mol/L乙二胺四乙酸溶液或0.2mol/L柠檬酸溶液作为药剂。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
以KI溶液为药剂修复Hg污染土壤时，修复时间为600-750小时，以乙二胺四乙酸溶液或柠檬酸溶液修复Cd、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni污染土壤时，修复时间为240-360小时。
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