CN112775172A - 一种基于超临界流体的土壤污染物提取装置及提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超临界流体的土壤污染物提取装置及提取方法，土壤污染物提取装置包括超临界流体供给系统、土壤污染物提取反应系统、污染物分离系统。超临界流体供给系统包括依次连接的气－液混合态流体存储罐、高压泵、循环加热器。土壤污染物提取装置还包括超临界流体净化回收系统，超临界流体净化回收系统的输入管道与污染物分离系统连通，超临界流体净化回收系统的输出管道与气－液混合态流体存储罐连通。本发明的装置及方法，其能准确便捷地控制土壤污染物提取装置的各个工序的温度和压力，能够确保土壤大规模高效修复，也能够对溶解在超临界流体内的不同的污染物进行阶段性的且高选择性的分离。

Description

一种基于超临界流体的土壤污染物提取装置及提取方法

技术领域

本发明属于环境保护领域，涉及土壤处理装置技术，具体为一种基于超临界流体的土壤污染物提取装置及提取方法。

背景技术

土壤是自然生态系统的重要组成部分之一，是一种复杂的动态自然体。随着人类活动的日益加剧，工农业生产中产生的各种污染物的大量排放，会对土壤造成一定程度的污染，对人类及动植物的生存造成极大威胁，因此土壤污染的治理成为环境治理中的热点问题之一。现有的土壤修复方法包括物理法、化学法、生物法及这三种方法的联合修复，上述方法具有修复成本高、工艺复杂、存在二次污染风险的问题、处理周期长、对处理后的土壤影响大、对待处理土壤要求高、处理规模小等各种等问题。

目前，超临界是物质流体所处的压力和温度均超过临界压力和临界温度时的状态，许多物质的溶解度在一定范围内随流体压力和温度的变化而变化，特别是在临界点附近，物质在流体处于超临界状态时溶解度很高，同时超临界流体是能够被再次循环利用的，因此超临界技术在处理土壤方法具有广泛的应用。

通过超临界技术处理被污染的土壤具有明显的效果，但是由于待处理的土壤内的污染物复杂多样，其对处理装置的处理量和处理精度要求较高，总体来说，目前的土壤处理装置，具有以下几方面的问题：

1.超临界CO₂是目前处理土壤污染最常用的流体介质，其处理装置大多通过CO₂为直接供气，CO₂的流量难以稳定控制，且无法满足持续大量供气需求，使得整个装置无法满足连续大量处理污染土壤的需求；

2.处理装置的污染物分离结构，大多为一级分离，一个循环只能处理一种污染物，若要分离复杂污染物且实现污染物的废物利用，还需对污染物分离结构进行清洗，操作繁复、处理效率低；

3.超临界流体的萃取土壤内污染物为高温高压过程，因此能源高效利用是系统的重要评价标准之一，而现有的大多数超临界流体分离装置中能源没有回收利用，浪费比较大。

因此，需要对现有的采用超临界技术处理土壤的装置进行改进。

发明内容

本发明为了解决已有土壤污染处理系统的成本高、效率低、操作繁复、能源消耗大等缺点，提供了一种基于超临界流体的土壤污染物提取装置及提取方法，其能准确便捷地控制土壤污染物提取装置的各个工序的温度和压力，能够通过简单的操作大规模高效的修复土壤，也能够对溶解在超临界流体内的不同的污染物进行高效且高选择性的分离。

实现发明目的的技术方案如下：

本发明提供了一种基于超临界流体的土壤污染物提取装置，包括超临界流体供给系统、土壤污染物提取反应系统、污染物分离系统。超临界流体供给系统包括依次连接的气－液混合态流体存储罐、高压泵、循环加热器，超临界流体供给系统用于对土壤污染物提取反应系统提供超临界流体。

土壤污染物提取装置还包括超临界流体净化回收系统，超临界流体净化回收系统的输入管道与污染物分离系统连通，超临界流体净化回收系统的输出管道与气－液混合态流体存储罐连通。

本发明设计的土壤污染物提取装置，通过对超临界流体供给系统进行改进，通过气－液混合态流体存储罐可实现流体大流量、稳定、持续供应，确保土壤污染物提取反应系统内待处理土壤的流体需求。通过超临界流体净化回收系统的设计，能够将分离污染物后的流体进行净化并回收至气－液混合态流体存储罐内进行循环使用，系统流体实现循环利用，节约成本。

其中，超临界流体净化回收系统包括经第一管道与污染物分离系统连通的流体过滤净化器，流体过滤净化器经第二管道连接有循环冷凝器，循环冷凝器经第三管道与气－液混合态流体存储罐连通，超临界流体净化回收系统用于使超临界流体在超临界流体供给系统、土壤污染物提取反应系统、污染物分离系统内循环再利用。

进一步的，土壤污染物提取装置还包括热能循环系统，热循环系统包括循环加热器、循环冷凝器、泵，泵、循环加热器、循环冷凝器三者将管道连接形成热能循环结构。

在本发明的一个实施例中，超临界流体供给系统还包括气瓶，气瓶经第四管道与气－液混合态流体存储罐连通，且第四管道上设有第一压力表及第一阀门，气瓶用于对气－液混合态流体存储罐补充流体。

在本发明的一个实施例中，气－液混合态流体存储罐上设有第一测温件及第二压力表。超临界流体供给系统还包括第一冷凝器，第一冷凝器经管道与气－液混合态流体存储罐连通，形成气－液混合态流体存储罐的超临界流体外循环结构。

作为对上述污染物分离系统的改进，污染物分离系统由至少2个分离组件依次连接形成多级分离结构，第一个分离组件与土壤污染物提取反应系统的超临界流体出口经第五管道连接，最后一个分离组件经第一管道与流体过滤净化器连通。

进一步的，多级分离结构为二级分离结构。

更进一步的，分离组件包括第二冷凝器，第二冷凝器经第六管道与污染物分离罐连接，且第六管道上设有减压阀。污染物分离罐的排污口连接有污染物回收罐连接，污染物分离罐的超临界流体出口端与下一个分离组件经第七管道连通。

其中，土壤污染物提取反应系统包括反应釜，反应釜包括位于本体顶部的土壤入口、位于本体外的保温隔热层、位于本体下端的排渣口、位于本体上的超临界流体进口及超临界流体出口。超临界流体进口经第八管道与超临界流体供给系统连通，排渣口连接有土壤回收罐，超临界流体出口与污染物分离系统连接。

本发明还提供了一种基于超临界流体的土壤污染物提取方法，上述的土壤污染物提取装置提取并分离土壤内的污染物，包括以下步骤：

步骤一、超临界流体供给系统工作，使流体充满土壤污染物提取装置；

步骤二、将待处理土壤加入土壤污染物提取反应系统内；

步骤三、调节超临界流体供给系统使土壤污染物提取反应系统内流体达到超临界状态，超临界状态流体提取待处理土壤内的污染物成分；

步骤四、提取污染物后的待处理土壤排出回收，同时溶解有污染物的超临界流体排出至污染物分离系统，经污染物分离系统分离回收污染物；

步骤五、回收污染物后的超临界流体经超临界流体净化回收系统回收至所述超临界流体供给系统进行重复利用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明设计的基于超临界流体的土壤污染物提取装置，通过气－液混合态流体存储罐可实现流体大流量、稳定、持续供应，确保土壤污染物提取反应系统内待处理土壤的超临界流体需求。

2.通过超临界流体净化回收系统的设计，能够将分离污染物后的超临界流体进行净化并回收至气－液混合态流体存储罐内进行循环使用，系统流体实现循环利用，节约成本。

3.通过在气－液混合态流体存储罐上设置第一测温件及第二压力表，并将气－液混合态流体存储罐与第一冷凝器连接，能够根据测定的气－液混合态流体存储罐内气－液混合态流体的温度值及压力值，选择性的开启或关闭第一冷凝器，将气－液混合态流体输入第一冷凝器内调节其温度，使部分气态/液态的超临界流体转化为液态/气态进行存储或使用，确保后端土壤污染物提取反应系统的流体的正常供应。

4.超临界流体供给系统上的气瓶的设计，能够在气－液混合态流体存储罐内的流体不足时，及时供应补充流体的量，确保系统的正常运行。

5.热能循环系统的设计，使得循环冷凝器与循环加热器内的系统热能循环利用，进而降低了能源的消耗。

6.将污染物分离系统设计为多级分离结构，每一级的分离组件的结构相同，且通过在分离组件的第六管道上设置减压阀，依次降低，通过提取污染物后的超临界流体的压力，使得超临界流体内的不同污染物依次进行分离。多级分离结构的数据能够一次处理复杂污染物、简化操作，提高处理效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于超临界流体的土壤污染物提取装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中待处理土壤内污染物的提取、分离的操作流程图；

其中，1.气瓶；2.气－液混合态流体存储罐；3.高压泵；4.热能循环结构；5.反应釜；6/9.第二冷凝器；7/10.减压阀；8/11.污染物分离罐；1－1.第一压力表；1－2.第一阀门；2－1.第一冷凝器；2－2.第二压力表；2－3.第二测温件；4－1.循环加热器；4－2.循环冷凝器；4－3.泵；4－4/4－5.第九温度表；4－6.第六温度表；4－7.第五压力表；4－8.第五阀门；4－9.第五压力表；4－10.第五温度表；4－11.第四阀门；5－1.第七温度表；5－2.第六压力表；5－3.土壤入口；5－4.排渣口；5－5.超临界流体进口；5－6.超临界流体出口；5－7.第七阀门；5－8.第八温度表；5－9.第七压力表；5－10.第六阀门；5－11.土壤回收罐；8－1/11－1.污染物回收罐；8－2/11－2.第八阀门；8－3/11－3.第八压力表；8－4/11－4.第九温度表；11－5.第三温度表；11－6.第三压力表；11－7.第三阀门；12－1.第四温度表；12－2.第四压力表；100.第一管道；200.第二管道；300.第三管道；400.第四管道；5.第五管道；600.第六管道；700.第七管道；800.第八管道。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

在本实施例的描述中，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”、“第三”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。

实施例1：

本实施例提供了一种基于超临界流体的土壤污染物提取装置，在本实施方式中，土壤污染物提取装置包括超临界流体供给系统、土壤污染物提取反应系统、污染物分离系统。

其中，请参图1所示，超临界流体供给系统包括依次连接的气－液混合态流体存储罐2、高压泵3、循环加热器4－1，超临界流体供给系统用于对土壤污染物提取反应系统提供超临界流体。

进一步的，土壤污染物提取装置还包括超临界流体净化回收系统，超临界流体净化回收系统的输入管道与污染物分离系统连通，超临界流体净化回收系统的输出管道与气－液混合态流体存储罐2连通。具体的，请参图1所示，超临界流体净化回收系统包括经第一管道110与污染物分离系统连通的流体过滤净化器12，流体过滤净化器12经第二管道200连接有循环冷凝器4－2，循环冷凝器4－2经第三管道300与气－液混合态流体存储罐2连通，超临界流体净化回收系统用于使流体在超临界流体供给系统、土壤污染物提取反应系统、污染物分离系统内循环再利用。在本实施例中，为了实时了解及掌握从污染物分离系统的超临界流体的参数情况，在第一管道100上设置第三压力表11－6、第三阀门11－7、第三温度表11－5；在第二管道200上设置有第四温度表12－1、第四压力表12－2；在第三管道300上还设有第五压力表4－9、第五温度表4－10、第四阀门4－11，上述阀门、压力表、温度表的设置，能够及时了解经过各个设备后超临界流体的压力、温度等的情况；在作业时，流体过滤净化器12能够除去污染物分离系统排出的超临界流体内的残余污染物，循环冷凝器4－2能够对流体过滤净化器12净化后的超临界流体进行降温及降压处理，使其以一定的压力及温度输送回至气－液混合态流体存储罐2进行循环再利用。

进一步的，请参图1所示，超临界流体供给系统还包括气瓶1，气瓶1经第四管道400与气－液混合态流体存储罐2连通，且第四管道400上设有第一压力表1－1及第一阀门1－2，气瓶1用于对气－液混合态流体存储罐2补充流体，第一压力表1－1及第一阀门1－2能够调整补充的流体以一定的压力及输入气－液混合态流体存储罐2内。

进一步的，在气－液混合态流体存储罐2上设有第一测温件2－3及第二压力表2－2，第一测温件2－3及第二压力表2－2能够实时测定气－液混合态流体存储罐2内气－液混合态流体的压力及温度。同时，超临界流体供给系统还包括第一冷凝器2－1，第一冷凝器2－1经管道与气－液混合态流体存储罐2连通，形成气－液混合态流体存储罐2的超临界流体外循环结构。作业时，通过第一测温件2－3及第二压力表2－2能够实时测定气－液混合态流体的压力及温度情况，及时将气－液混合态流体输入第一冷凝器2－1内进行降温，使一部分气态的流体形成液体在气－液混合态流体存储罐2内进行存储。

其中，土壤污染物提取反应系统与超临界流体供给系统连通，超临界流体供给系统为土壤污染物提取反应系统提供超临界流图，以便于土壤污染物提取反应系统提取待提取土壤内的污染物成分。请参图1所示，土壤污染物提取反应系统包括反应釜5，反应釜5包括位于本体顶部的土壤入口5－3、位于本体外的保温隔热层、位于本体下端的排渣口5－4、位于本体上的超临界流体进口5－5及超临界流体出口5－6。超临界流体进口5－5经第八管道800与超临界流体供给系统的循环加热器4－1连通，排渣口5－4连接有土壤回收罐5－11，超临界流体出口5－6与污染物分离系统连接。在本实施例中，反应釜5与循环加热器4－1连接的管道上设有第六温度表4－6、第五压力表4－7、第五阀门4－8；在反应釜5的腔体上设有第七温度表5－1、第六压力表5－2；在排渣口5－4与土壤回收罐5－11之间的管道上设有第六阀门5－10，通过上述阀门、压力表、温度表的设置，能够及时了解各个工序排除的物质的压力、温度等参数情况。

其中，超临界流体在反应釜5内将待处理土壤内的污染物提取后，经超临界流体出口5－6输出至超临界流体净化回收系统内将提取的污染物进行分离。具体的，请参图1所示，污染物分离系统由至少2个分离组件依次连接形成多级分离结构，第一个分离组件与土壤污染物提取反应系统的超临界流体出口5－6经第五管道500连接，最后一个分离组件经第一管道100与流体过滤净化器12连通。进一步的，上述多级分离结构优选为二级分离结构，二级分离结构的工作原理为：经土壤污染物提取反应系统的污染物溶解于超临界流体中，随超临界流体首先在第一级的污染物分离罐8内降温、减压，由于物质在超临界流体中的溶解度受温度和压力影响极大，并且温度和压力降低使溶解性大幅降低，不同污染物降低幅度不同，因此溶解度降低幅度大的污染物(如土壤中的黄曲霉素B1、有机磷农药、萘、油、膦酸、四氯联苯、原油等)在此被首先分离出携带污染物的超临界流体体系；然后携带污染物的超临界流体体系进入第二级的污染物分离罐11，基于相同原理，剩余污染物在二级分离系统中再次降温、减压，被分离出二氧化碳，完成不同污染物的分级分离。

更进一步的，请参图1所示，上述分离组件包括第二冷凝器6/9，第二冷凝器6/9经第六管道600与污染物分离罐8/11连接，且第六管道600上设有减压阀7/10。污染物分离罐8/11的排污口连接有污染物回收罐8－1/11－1连接，污染物分离罐8/11的超临界流体出口端与下一个分离组件经第七管道700连通。在本实施例中，请参图1所示，第五管道500上设有第七阀门5－7、第八温度表5－8、第七压力表5－9；在污染物分离罐8/11或第六管道600上设有第九温度表8－4/11－4、第八压力表8－3/11－3；在污染物分离罐8/11与污染物回收罐8－1/11－1之间的管道上第八阀门8－2/11－2，通过上述阀门、压力表、温度表的设置，能够及时了解各个工序排除的物质的压力、温度等参数情况。

其中，上述土壤污染物提取装置还包括热能循环系统，请参图1所示，热循环系统包括循环加热器4－1、循环冷凝器4－2、泵4－3，泵4－3、循环加热器4－1、循环冷凝器三4－2者将管道连接形成热能循环结构4，在本实施例中，在循环加热器4－1、循环冷凝器4－2、泵4－3三者的连接管道上还设有第九温度表4－4/4－5。

本实施例设计的土壤污染物提取装置，通过对超临界流体供给系统进行改进，通过气－液混合态流体存储罐2可实现流体大流量、稳定、持续供应，确保土壤污染物提取反应系统内待处理土壤的流体需求。通过超临界流体净化回收系统的设计，能够将分离污染物后的流体进行净化并回收至气－液混合态流体存储罐2内进行循环使用，系统流体实现循环利用，节约成本。

实施例2：

本实施例提供了一种基于超临界流体的土壤污染物提取方法，待处理的土壤内的污染物是通过实施例1的土壤污染物提取装置提取并分离的，具体包括以下步骤：

步骤一、超临界流体供给系统工作，使超临界流体充满土壤污染物提取装置；

步骤二、将待处理土壤加入土壤污染物提取反应系统内；

步骤三、调节超临界流体供给系统使土壤污染物提取反应系统内流体达到超临界状态，超临界状态流体提取待处理土壤内的污染物成分；

步骤四、提取污染物后的待处理土壤排出回收，同时溶解有污染物的超临界流体排出至污染物分离系统，经污染物分离系统分离回收污染物；

步骤五、回收污染物后的超临界流体经超临界流体净化回收系统回收至所述超临界流体供给系统进行重复利用。

在步骤四中，优选二级分离结构对超临界流体内的污染物进行分离，其中，第一级分离采用的压力为15～20Mpa，其能够将溶解于超临界流体内的黄曲霉素B1、有机磷农药、萘、油、膦酸、四氯联苯、原油等污染物进行分离；第二分离采用的压力为40～50Mpa，其能够将溶解于超临界流体内的多环芳烃、多数农药、氯酚、甲酚、苯酚等污染物进行分离。其中，步骤二至步骤五的待处理土壤内污染物的提取、分离见图2所示。

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

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于超临界流体的土壤污染物提取装置，包括超临界流体供给系统、土壤污染物提取反应系统、污染物分离系统，其特征在于：所述超临界流体供给系统包括依次连接的气－液混合态流体存储罐、高压泵、循环加热器，所述超临界流体供给系统用于对所述土壤污染物提取反应系统提供超临界流体；

土壤污染物提取装置还包括超临界流体净化回收系统，所述超临界流体净化回收系统的输入管道与所述污染物分离系统连通，所述超临界流体净化回收系统的输出管道与所述气－液混合态流体存储罐连通。

2.根据权利要求1所述的土壤污染物提取装置，其特征在于：所述超临界流体净化回收系统包括经第一管道与所述污染物分离系统连通的流体过滤净化器，所述流体过滤净化器经第二管道连接有循环冷凝器，所述循环冷凝器经第三管道与所述气－液混合态流体存储罐连通，所述超临界流体净化回收系统用于使超临界流体在所述超临界流体供给系统、所述土壤污染物提取反应系统、所述污染物分离系统内循环再利用。

3.根据权利要求2所述的土壤污染物提取装置，其特征在于：土壤污染物提取装置还包括热能循环系统，所述热循环系统包括所述循环加热器、所述循环冷凝器、泵，所述泵、所述循环加热器、所述循环冷凝器三者将管道连接形成热能循环结构。

4.根据权利要求1至3任一项所述的土壤污染物提取装置，其特征在于：所述超临界流体供给系统还包括气瓶，所述气瓶经第四管道与所述气－液混合态流体存储罐连通，且所述第四管道上设有第一压力表及第一阀门，所述气瓶用于对所述气－液混合态流体存储罐补充流体。

5.根据权利要求1至3任一项所述的土壤污染物提取装置，其特征在于：所述气－液混合态流体存储罐上设有第一测温件及第二压力表；

所述超临界流体供给系统还包括第一冷凝器，所述第一冷凝器经管道与所述气－液混合态流体存储罐连通，形成所述气－液混合态流体存储罐的超临界流体外循环结构。

6.根据权利要求2所述的土壤污染物提取装置，其特征在于：所述污染物分离系统由至少2个分离组件依次连接形成多级分离结构，第一个所述分离组件与所述土壤污染物提取反应系统的超临界流体出口经第五管道连接，最后一个所述分离组件经所述第一管道与所述流体过滤净化器连通。

7.根据权利要求6所述的土壤污染物提取装置，其特征在于：所述多级分离结构为二级分离结构。

8.根据权利要求6或7所述的土壤污染物提取装置，其特征在于：所述分离组件包括第二冷凝器，所述第二冷凝器经第六管道与污染物分离罐连接，且所述第六管道上设有减压阀；

所述污染物分离罐的排污口连接有污染物回收罐连接，所述污染物分离罐的超临界流体出口端与下一个所述分离组件经第七管道连通。

9.根据权利要求1所述的土壤污染物提取装置，其特征在于：所述土壤污染物提取反应系统包括反应釜，所述反应釜包括位于本体顶部的土壤入口、位于本体外的保温隔热层、位于本体下端的排渣口、位于本体上的超临界流体进口及超临界流体出口；

所述超临界流体进口经第八管道与所述超临界流体供给系统连通，所述排渣口连接有土壤回收罐，所述超临界流体出口与所述污染物分离系统连接。

10.一种基于超临界流体的土壤污染物提取方法，应用于权利要求1至9所述的土壤污染物提取装置提取并分离土壤内的污染物，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、超临界流体供给系统工作，使流体充满土壤污染物提取装置；

步骤二、将待处理土壤加入土壤污染物提取反应系统内；

步骤三、调节超临界流体供给系统使土壤污染物提取反应系统内流体达到超临界状态，超临界状态流体提取待处理土壤内的污染物成分；

步骤四、提取污染物后的待处理土壤排出回收，同时溶解有污染物的超临界流体排出至污染物分离系统，经污染物分离系统分离回收污染物；

步骤五、回收污染物后的超临界流体经超临界流体净化回收系统回收至所述超临界流体供给系统进行重复利用。

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