CN112170476A - 一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置和修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置和修复方法，磁化电动修复装置包括土壤室；土壤室左右两侧分别设有与其通过电解隔板连通的溶液室，一溶液室为阳极室，一溶液室为阴极室；阳极室内设有阳极铁板电极，阴极室内设有阴极石墨电极，阳极铁板电极和阴极石墨电极通过直流电源电连接；土壤室的前后两外侧壁向内凹陷形成凹槽，该凹槽内放置电磁铁。本发明创造增加磁场后，电流比单独使用电动力法时增大。

Description

一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置和修复方法

技术领域

本发明创造属于土壤修复重金属污染领域，尤其是涉及一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置和修复方法。

背景技术

环境污染问题严重影响生态环境健康，因此目前多种环境修复技术应运而生。其中电动修复技术具有效率高、一定程度可以避免再污染、节电和原位修复等特点，被称为“绿色修复技术”。电动技术是20世纪OD年代发展起来的一种污染土壤修复技术，其基本原理与电池类似，如图1所示，将电极插入土壤/液相系统中，在两端加上低压直流电场，在电场的作用下，发生土壤孔隙水和带电离子的迁移，土壤颗粒表面的水溶性或吸附性污染物按各自的电荷移动到不同的电极方向，使污染物在电极区集中或分离，两极电极定期处理，处理富集的污染物。修复过程中主要通过电迁移、电泳和电渗析这三种机制去除土壤中的污染物。

电动法修复重金属污染土壤具有较好的效果，修复速度快，去除重金属彻底，但有关研究也表明电动法在实际应用过程中存在一定的缺陷，由于聚焦效应和极化现象的存在，其处理重金属污染土的去除率未能达到较高水平，中外专家学者对电动法进行了多种优化探索，但大多均未考虑到由于修复后期电解液中重金属浓度过高而导致的聚焦效应，靠近电极液一侧土体中残留重金属浓度过高，修复效果差等问题，且未实现污废重金属的资源化利用。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，以解决现有技术中处理重金属污染土壤时出现的聚焦效应、重金属去除率分布不均问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，其包括土壤室；

土壤室左右两侧分别设有与其通过电解隔板连通的溶液室，一溶液室为阳极室，一溶液室为阴极室；

阳极室内设有阳极铁板电极，阴极室内设有阴极石墨电极，阳极铁板电极和阴极石墨电极通过直流电源电连接；

土壤室的前后两外侧壁向内凹陷形成凹槽，该凹槽内放置电磁铁。

进一步的，所述阳极室和阴极室底部开设有与外界连通的电解液通过孔，且均通过该电解液通过孔和第七水泵与电解液储备池连通。

进一步的，阳极室和或阴极室与电解液调节装置连接；

一电解液调节装置只与一种极室连通，阴极室和阳极室不与同一个电解液调节装置连通；

电解液调节装置包括PH调节池和电解液沉淀池，所述PH调节池与对应的阳极室或阴极室通过抽取水泵连通，PH调节池通过输送水泵与电解液沉淀池连通，所述电解液沉淀池通过注入水泵与对应的阳极室或阴极室连通。

进一步的，所述PH调节池内设有搅拌器。

进一步的，电解液沉淀池内底部设有斜板，所述斜板与电解液沉淀池池底呈角度设立。

进一步的，阳极室和阴极室分别与一电解液调节装置连接，阳极室的电解液调节装置内的斜板延长线，与阴极室的电解液调节装置内的斜板延长线相交。

进一步的，PH调节池、阳极室或阴极室内设有自动加药机。

进一步的，在土壤室上方设有排气风扇。

进一步的，土壤室上的凹槽设置位置与阴极石墨板电极和阳极石墨板电极对应。

进一步的，所述电解隔板上开有孔洞，且孔洞上覆有滤布。

进一步的，所述孔洞开设数量占整个电解隔板面积的15％-30％。

利用上述装置的修复方法，具体步骤如下：

步骤一，将待处理污染土壤倒入搅拌器并加入柠檬酸溶液，控制污染土壤含水率小于等于50％，搅拌混合均匀后静置24小时；

步骤二，将步骤一处理后的污染土壤放入土壤室，同时将阳极室和阴极室内注入电解液，并保证电解液液面与土壤室内的污染土壤同平面，阳极室和阴极室内的电解液PH值随时维持在5-7之间；

步骤三，开启直流电源对阳极铁板电极9和阴极石墨电极8供电，产生流经土壤室5的电流，控制直流电源1的修复电压梯度为1-3V/cm，对污染土壤进行修复；

步骤四，将电磁铁放置在土壤室的凹槽内，两个电磁铁对应方向与阳极铁板电极和阴极石墨电极之间形成电场后产生的电流方向垂直；

步骤五，定期更换阳极室和阴极室内的电解液，直至土壤室内的污染土壤重金属含量达标为止，完成修复工作。

进一步的，该修复方式中使用到电解液储备池，在步骤二中通过第七水泵的开启将电解液储备池中的电解液注入阳极室和阴极室，第七水泵每12个小时启动一次，第一次运行三分钟，而后每次运行两分钟，用于保证电解液液面与土壤室内的污染土壤同平面。

进一步的，该修复方法中包括电解液调节装置；

在步骤五中，通过电解液调节装置定期更换阳极室和阴极室内的电解液；

每12个小时抽水水泵开启三分钟后自动关闭，将阳极室和阴极室中的所有电解液分送到对应的PH调节池内，在PH调节池内加入沉淀药物将其内的电解液中重金属进行沉淀；之后开启输送水泵，将PH调节池内的电解液输送到电解液沉淀池内；

电解液在电解液沉淀池中沉淀12个小时，然后注入水泵开启，将电解液沉淀池的上清液输送到对应的阳极室或阴极室，完成阳极室和阴极室内电解液定期更换。

相对于现有技术，本发明创造所述的一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置和修复方法具有以下优势：

(1)本发明在原有电动修复的基础上增加磁场，磁化电动法去除重金属离子，与单独使用电动力法的情况相比，增加磁场后，电流比单独使用电动力法时增大。电流升高，电解液电导率随之升高，浓差极化现象减弱，重金属去除率随之升高。此外，电流升高，电解液欧姆电阻产生的电能损耗降低，发热现象减弱，降低修复过程的电能损耗。

(2)本发明中采用电解液循环处理的方式(电解液调节装置)，一方面可以节约成本实现电解液重复使用，另一方面可以有效缓解修复过程中所产生的聚焦效应避免随着反应时间的增长，阴阳两极电解液中重金属离子的浓度过高而造成离子迁移变缓慢。

(3)本发明中，整个修复过程可以设计成自动操控，无需人工操作，安全性高；实验过程无副产物，绿色环保，符合可持续发展理念。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的电动修复原理示意图；

图2为本发明创造实施例所述的磁化电动修复装置示意图；

图3为本发明创造实施例电动修复方法修复效果试验对比示意图；

图4为本发明创造实施例电动修复方法修复时间试验对比示意图。

附图标记说明：

1-外接交流电源；2-电解液储备池；3-直流电源；4-电解隔板；5-土壤室；6-阴极室；7-阳极室；8-阴极石墨电极；9-阳极铁板电极；10-阴极PH调节池；11-阳极PH调节池；12-阴极斜板沉淀池；13-阳极斜板沉淀池；14-第一自动加药机；15-第二自动加药机；16-第一搅拌器；17-第三自动加药机；18-第四自动加药机；19-第二搅拌器；20-开关自动控制器；21-排气电机；22-第一水泵；23-第二水泵；24-第三水泵；25-阳极橡胶管；26-第四水泵；27-第五水泵；28-第六水泵；29-阴极橡胶管；30-第七水泵；31-电解橡胶管；32-电磁铁；33-斜板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1所示，一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，包括实验箱和电解液循环装置；

实验箱内设有两个电解隔板4，,两块隔板将实验箱自左向右依次分割为阴极室6、土壤室5和阳极室7；土壤室尺寸为50×50×30cm，阳极室和阴极室，尺寸为50×50×10cm。

实验箱内设有两块电解隔板4，两块电解隔板4上均匀开设有直径大于或等于lcm的孔洞，孔洞占整个电解隔板4面积控制在20％左右，两块电解隔板4的一侧表面上铺设有250目滤布。排风电扇通过排气风机21直接与外接电源1连接用于排放电解产生的气体。土壤室前后两外侧壁上向内凹陷置有50×5×10cm的凹槽，用于放置永磁铁，两块电磁铁32分别安置在土壤室5的前后两侧，与电流方向相垂直。而电磁铁32可选为钕铁硼磁铁。

阳极铁板电极9设置在阳极室7内部，阴极石墨电极8设置在阴极室6内部，直流电源3的正极和负极分别通过导线与阳极室7内的阳极铁板电极9和阴极室6内的阴极石墨电极8连接。

阳极室7和阴极室6通过第七水泵30和电解橡胶管31与电解液储备池2相连。阳极室6和阴极室7内分别安装第一自动加药机14。

电解液循环装置包括分为阳极电解液循环系统和阴极电解液循环系统两部分。阳极电解液循环系统由阳极室7、第一水泵22、阳极PH调节池11、第二水泵23、阳极斜板沉淀池13和第三水泵24通过阳极橡胶管25依次连接。阳极PH调节池11内安置第四自动加药机18和第二搅拌电机19。

阴极电解液循环系统由阴极室6、第四水泵26、阴极PH调节池10、第五水泵27、阴极斜板沉淀池12和第六水泵28通过阴极橡胶管29依次连接。阴极PH调节池10内安置第四自动加药机18和第一搅拌电机16。

所有水泵、搅拌电机都经由开关自动控制器20与外接交流电源1连接；所有自动加药机直接与外加电源1连接。

PH自动调节装置分为阴极电解液调节系统和阳极电解液调节系统。阴极电解液调节系统包括阴极室6和第一自动加药机14，；阳极电解液调节系统包括阳极室7和第二自动加药机15。自动加药机都直接与外接电源1连接。

(1)将装袋备用的待处理污染土壤倒入搅拌器，加入柠檬酸溶液，控制粘性污染土含水率不小于50％，搅拌混合均匀后静置24h；

(2)然后将污染土壤装入土壤室5中；开启水泵30，将电解液储备池2之中0.1mol/L的KCl溶液(电解液)分别注入阳极室7和阴极室6中。第七水泵30由自动开关控制器控制，每12小时启动一次，第一次运行三分钟，后面每次运行2分钟，保证阳极室7、阴极室6和土壤高度相同；阳极室7和阴极室6中的自动加药机控制电解液PH值维持在5-7之间。

(3)开启直流电源3对阳极铁板电极9和阴极石墨电极8供电，产生流经土壤室5的电流，控制直流电源1的修复电压梯度为1-3V/cm，对污染土壤进行修复。

(4)阳极铁板电极9和阴极石墨电极8之间形成电场，在电场力作用下，在污染土壤中重金属主要以电迁移方式进行迁移，重金属以阳离子的形式向阴极进行电迁移，或者以阴离子的形式向阳极进行电迁移；两块电磁铁32分别安置在土壤室5的前后两侧，与电流方向相垂直。在外加磁场后，污泥中重金属离子的受力和运动状况发生变化，从而引起极限电流密度增大、过电位降低。当有磁场存在时，运动的带电离子受到一个方向的合力和一定的加速度，因此污泥室中液体产生偏向一侧的涡流。涡流强烈的搅拌作用使液相传质过程大大加快，而且使得扩散层减薄，浓差极化降低。重金属去除率随之升高。

(5)修复每进行12小时，第一水泵22和第四水泵26开启3分钟后自动关闭，将阳极室7和阴极室6中的全部电解液分别输送到阳极PH调节池11和阴极PH调节池10中；同时开启自动加药机及搅拌电机，开启10分钟后自动关闭，调节池内的PH会自动调节到重金属沉淀范围；然后自动打开第二水泵23和第五水泵27，将阳极PH调节池11和阴极PH调节池10中的电解液分别输送到阳极斜板沉淀池13和阴极斜板沉淀12池中，第二水泵23和第五水泵27开启三分钟后自动关闭；电解液在斜板沉淀池中沉淀12小时；然后开启第三水泵24和第六水泵28，将阴阳斜板沉淀池中的上清液输送到阴阳电解池中，水泵24和水泵28开启一分钟后自动关闭。

(6)土壤室S5内污染土壤中的重金属含量达标后修复作业完成。

通过此种修复装置和修复方法较传统的方法修过大大提升，同时修复时间大大缩短，具体详见附图3和4。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，其特征在于：包括土壤室；

土壤室左右两侧分别设有与其通过电解隔板连通的溶液室，一溶液室为阳极室，一溶液室为阴极室；

阳极室内设有阳极铁板电极，阴极室内设有阴极石墨电极，阳极铁板电极和阴极石墨电极通过直流电源电连接；

土壤室的前后两外侧壁向内凹陷形成凹槽，该凹槽内放置电磁铁。

2.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，其特征在于：所述阳极室和阴极室底部开设有与外界连通的电解液通过孔，且均通过该电解液通过孔和第七水泵与电解液储备池连通。

3.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，其特征在于：阳极室和或阴极室与电解液调节装置连接；

电解液调节装置包括PH调节池和电解液沉淀池，所述PH调节池与对应的阳极室或阴极室通过抽取水泵连通，PH调节池通过输送水泵与电解液沉淀池连通，所述电解液沉淀池通过注入水泵与对应的阳极室或阴极室连通。

4.根据权利要求3所述的一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，其特征在于：所述PH调节池内设有搅拌器。

5.根据权利要求3所述的一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，其特征在于：电解液沉淀池内底部设有斜板，所述斜板与电解液沉淀池池底呈角度设立。

6.根据权利要求3所述的一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，其特征在于：阳极室和阴极室分别与一电解液调节装置连接，阳极室的电解液调节装置内的斜板延长线，与阴极室的电解液调节装置内的斜板延长线相交。

7.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的磁化电动修复装置，其特征在于：所述电解隔板上开有孔洞，且孔洞上覆有滤布，所述孔洞开设数量占整个电解隔板面积的15％-30％。

8.使用权利要求1中的磁化电动修复装置的修复方法，其特征在于：

步骤一，将待处理污染土壤倒入搅拌器并加入柠檬酸溶液，控制污染土壤含水率小于等于50％，搅拌混合均匀后静置24小时；

步骤二，将步骤一处理后的污染土壤放入土壤室，同时将阳极室和阴极室内注入电解液，并保证电解液液面与土壤室内的污染土壤同平面，阳极室和阴极室内的电解液PH值随时维持在5-7之间；

步骤三，开启直流电源对阳极铁板电极9和阴极石墨电极8供电，产生流经土壤室5的电流，控制直流电源1的修复电压梯度为1-3V/cm，对污染土壤进行修复；

步骤四，将电磁铁放置在土壤室的凹槽内，两个电磁铁对应方向与阳极铁板电极和阴极石墨电极之间形成电场后产生的电流方向垂直；

步骤五，定期更换阳极室和阴极室内的电解液，直至土壤室内的污染土壤重金属含量达标为止，完成修复工作。

9.根据权利要求8所述的一种重金属污染土壤的磁化电动修复方法，其特征在于：所述修复方式中使用到权利要求2的电解液储备池，在步骤二中通过第七水泵的开启将电解液储备池中的电解液注入阳极室和阴极室，第七水泵每12个小时启动一次，第一次运行三分钟，而后每次运行两分钟，用于保证电解液液面与土壤室内的污染土壤同平面。

10.根据权利要求8所述的一种重金属污染土壤的磁化电动修复方法，其特征在于：所述修复方法中包括权利要求3的电解液调节装置；

在步骤五中，通过电解液调节装置定期更换阳极室和阴极室内的电解液；

每12个小时抽水水泵开启三分钟后自动关闭，将阳极室和阴极室中的所有电解液分送到对应的PH调节池内，在PH调节池内加入沉淀药物将其内的电解液中重金属进行沉淀；之后开启输送水泵，将PH调节池内的电解液输送到电解液沉淀池内；

电解液在电解液沉淀池中沉淀12个小时，然后注入水泵开启，将电解液沉淀池的上清液输送到对应的阳极室或阴极室，完成阳极室和阴极室内电解液定期更换。

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