CN113275373A - 一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的属于酸性土修复技术领域，具体为一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置及方法，包括土壤室、pH电极、修复控制室、石墨电极板，可渗透离子板，搅拌器，电机、阴极电解室、阳极电解室以及碱液槽；每个仓室的隔板均由有机玻璃卡槽固定，方便拆卸和更换，阳极电解室和阴极电解室分别分布于土壤室的左侧和右侧，阳极电解室右侧设置碱液槽，阴极电解室左侧设置修复控制室；土壤室与电解室间的隔板为可渗透离子板，底部设有两个搅拌头底部与电机相连接。本发明可用于探究潜在酸性硫酸盐土的电化学氧化可行性，并且兼具电动修复酸土中重金属的功效。
Description
技术领域
本发明涉及潜在酸性硫酸盐土修复领域，具体一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置。
背景技术
酸性硫酸盐土(Acid Sulphate Soils，简称ASS)是发育于富含还原性硫化物的成土母质，主要以黄铁矿FeS2为主，是含有还原性硫态物质的一种极其恶劣的土壤。全球性的酸性硫酸盐土分布，主要集中在20℃等温线以内的热带、亚热带滨海海湾。我国这类土壤已探明的面积有11.61万hm2，主要分布在广东、广西福建和海南省的滨海地带。
目前，我国对于酸性硫酸盐土最主要的恢复与重建技术大致有：灌排工程技术、施石灰中和技术、作物栽培技术等，并且处理酸性土的改良药剂较为单一。这些技术尚停留在“头痛治头，脚痛医脚”的水平上，不能从根本上解决问题，常导致酸害的反复暴发，在实践中其效果不太明显，因此急需寻找一种快速氧化的方式使得酸性土的酸性全部释放，并辅以中和药剂根除酸性，避免酸害的反复爆发。
土壤电动修复技术作为20世纪九十年代逐步发展起来的一种土壤重金属修复技术，其具有节约能源，处理效果好等优点。早在1979年，Biegler和Swift采用阳极极化曲线研究调查了酸性条件下黄铁矿电化学氧化行为，其结果表明当电压大于0.9V时黄铁矿表面开始发生氧化反应。潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复的机理是将电极插入潜在酸性土内，施直流电形成电场。在电场作用下潜在酸性土中的黄铁矿氧化发生结构溶解反应产生H+和SO4 2-，并且电场产生的电渗析、电迁移和电泳等电动力学效应将酸性土中的带电的重金属离子沿着电场线迁移出土壤，同时在阴极产生大量的OH-可中和酸性土中产生的酸性，达到同步氧化中和及修复潜在酸性硫酸盐土的功效。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置，可以低成本、无害化氧化潜在酸性土，并调节氧化后的土壤pH值，确保酸性完全被根除，缩短土壤处理周期，还具有去除土壤中污染物离子的作用。
本发明的目的是这样实现的：
本便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置，包括土壤修复室、修复控制室、阴极反应室、阳极反应室、电机、pH电极棒、碱液槽、石墨电极板、pH电极棒、搅拌头、可渗透离子板，电机。所述土壤修复室底部设置两个搅拌头，搅拌头上装有7个叶片，连接土壤室底部电机并通过导线连接至修复控制室中的直流电源，所述土壤修复室的两侧设置可渗透离子板，所述可渗透离子板两侧分别为阴极反应室和阳极反应室，阴极反应室左侧和阳极反应室的右侧均设置有石墨电极板，反应室分别中加入阴极电解液和阳极电解液，所述石墨电极板通过导线连接至修复控制室中的直流电源，并通过电压调节模块改变电场电压，所述阳极反应室右侧设置碱液槽，中间设置有机玻璃隔板，所述阳极控制室右侧设有碱液槽、所述修复控制室内腔设置有可调压0～100V直流电源电压控制模块和pH检测模块和搅拌控制模块和温度传感器，所述pH检测模块输入连接pH电极棒插入土壤修复室中，所述搅拌控制模块输出连接土壤修复室底部电机，所述温度传感器输入连接土壤修复室底部温度传感器，所述电压控制模块输出连接石墨电极板。
进一步地，所述阴极电解液为草酸和醋酸混合物；
进一步地，所述阳极电解液为磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲溶液；
进一步地，所述土壤修复室电解液为氯化钠水溶液；
进一步地，所述阴极电解液由以下步骤制得：取5-10质量份1mol/L草酸放入500mL烧杯内，加入10-15质量份1mol/L醋酸，搅拌60分钟，倒入阴极反应室内。
进一步地，所述阳极电解液由以下步骤制得：取3-5份磷酸二氢钾KH2PO4；Merck,Art.4873)溶于350mL蒸馏水中。用1M氢氧化钠溶液NaOH 4g溶于100ml水))将pH值调至7.0，用蒸馏水定容至500mL。
进一步地，所述氯化钠水溶液由以下步骤制得：取15-20质量份氯化钠加入1000mL去离子水中，搅拌60分钟后倒入土壤修复室内。
进一步地，所述碱液槽可加入1mol/L氢氧化钠或者碳酸钠，可用于电解前溶液pH校准，防止因产生电场而造成的酸碱度失衡，并且为了便于观察黄铁矿氧化程度，可将土壤浸出液pH调制7。
进一步地，所述电源为直流电源，电压受修复控制室内电压控制模块控制，可调节范围为0～100V，可用于测试不同电压下酸性土氧化速率。
进一步地，所述搅拌控制模块，在土壤加入电场后开始启动，转速可调范围为0～1500r/s，搅拌启动后，使用所述pH测试模块监测浸出液pH值，使用碱液控制土壤浸出液pH在7左右。
进一步地，所述温度传感器可实时监测土壤修复室反应温度。
由以上方案可见，本发明是一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置，可广泛应用于黄铁矿含量高具有高潜在酸性的酸性硫酸盐土场地修复，与传统处理工艺相比，具有如下优势：
1.以黄铁矿电化学氧化为试验理论基础，通过在阴、阳极添加草酸、醋酸和磷酸二氢钾缓冲液，加速了溶液中电子的流动，达到快速氧化潜在酸性硫酸盐土中黄铁矿的目的，使用pH检测模块在氧化过程中监测pH值的变化，得到潜在酸性硫酸盐土电化学氧化规律。同时，电场的存在使得酸性土中的重金属离子如Cu，Cr，Pb等向电场方向迁移，并且许多有机污染物在电场条件下分解为H2O和CO2，因此，该装置兼具处理土壤中重金属及有机污染物的作用。
2.本装置集成了潜在酸性土电化学氧化功能，直流电压控制功能，土壤搅拌控制功能，pH检测功能，温度监测功能，实现了潜在酸性硫酸盐土潜在酸性的全面释放、污染物降解、重金属去除一体化快速试验，具有高操作性与便捷性。
附图说明
图1为本发明侧视图；
图2为本发明俯视图；
图3为本发明内部系统图；
数字标记：
001-土壤修复室、002-阴极反应室、003-阳极反应室、004-修复控制室、005-碱液槽；
010-石墨电极板、020-pH电极棒、030-搅拌头、040-可渗透离子板、050-电机；
100-直流电源、200-电压控制模块、300-pH检测模块、400-搅拌控制模块、500-温度传感器模块、600-参数显示与控制器模块。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够具体实施。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供如下技术方案：一种土壤重金属电动修复反应装置，在使用的过程中，通过修复控制室可以对土壤室中的混合液进行实时pH、温度监测及电压调节，并且在修复控制室中可以调节搅拌转速v，使得酸土和电解液更好的混合；利用碱液槽中的碱液可以调节初始浸出液pH值，避免因电解水产生的OH-和H+干扰试验数据，便于观察氧化效果；
请参阅图1至图3，土壤修复室001左右两侧设置阴极反应室002和阳极反应室003，中间设置有机玻璃卡槽并插入可渗透离子板040隔断，土壤修复室001底部设置两个搅拌头和温度传感器500，阴极反应室002中添加草酸和醋酸混合液作为阴极电解液，左侧设置修复控制室004，其中通过直流电源100为pH检测模块300、搅拌控制模块400、温度传感器500、控制器600供电，阳极反应室003中添加磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液作为阳极电解液，右侧设置碱液槽005，可使用10mL胶头滴管吸取碱液槽中的碱液滴入土壤修复室001中，以调节反应初期的土壤浸出液pH至中性，阴极反应室002和阳极反应室003的左侧和右侧有机玻璃卡槽中插入石墨电极板010，石墨电极板通过导线与控制修复室004顶端电极接口连接。
请再次参阅图1至图3，土壤修复室001底部设置两个搅拌头030通过导线连接底部双电机050，电机050通过导线与修复控制室004中的搅拌控制模块400相连接，搅拌控制模块400输出至参数显示与控制器模块600，可在修复控制室屏幕上看到搅拌速率，并通过旋钮调节转速，转速可调范围在0～1500r/s，土壤修复室001底部设有温度传感器500，温度传感器500输出值修复控制室004中的参数显示与控制器模块600，可实时观察反应温度。
请再次参阅图1至图3，土壤修复室001中设有pH电极棒020通过导线连接修复控制室004中的pH检测模块300，pH检测模块输出至参数显示与控制器模块600，可通过参数显示与控制器模块600实时观察土壤浸出液的pH变化。
请再次参阅图1至图3，修复控制室004顶部设置有直流电源100，直流电源100可为整个系统供电，其中直流电源100与石墨电极板004通过导线连接，石墨电极板004处的电压受到修复控制室004中的电压控制模块200空制，可改变电压范围为0～100V。
工作原理：再使用过程中，通过在土壤修复室001底部和中部设置有温度传感器001和pH电极棒020，实现了对电解液的温度和pH监控，防止因温度过低或者pH过低影响电解效果和观察效果，通过在土壤修复室001底部设置搅拌头030和电机050，使得在电化学氧化反应前，混合液中自带的酸碱离子得到中和，减少自身酸碱度对于试验观察的影响，通过电压控制模块200与参数显示与控制器模块600的配合，可以随时改变电化学试验电压，得到不同电场条件下酸性土电化学氧化过程曲线。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置，其特征在于：包括土壤修复室(001)、阴极反应室(002)、阳极反应室(003)、修复控制室(004)、碱液槽(005)、石墨电极板(010)、pH电极棒(020)、搅拌头(030)、可渗透离子板(040)和电机(050)，其中：
所述土壤修复室(001)的两侧设有有机玻璃卡槽，卡槽中装有可渗透离子板(040)；所述可渗透离子板(040)，由离子交换树脂所制，可与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换；
所述土壤修复室(001)中设有pH电极棒(020)与修复控制室(001)中的pH检测模块(200)相连；
所述土壤修复室左侧可渗透离子板(040)，连接阴极反应室(002)，其中含有200mL阴极电解液，所述左侧可渗透离子板(040)，材料为阳离子交换树脂，右侧可渗透离子板(040)，连接阳极反应室(003)，其中含有200mL阳极电解液所述右侧可渗透离子板(040)，材料为阴离子交换树脂；
所述土壤修复室下方设置有两个搅拌头(030)，底部与电机(050)相连接并通过修复控制室(001)供电，所述搅拌头(030)的叶片数量为7片；
所述阴极反应室左侧设有有机玻璃卡槽，卡槽中装有石墨电极板(010)，所述石墨电极板(010)与修复控制室中的直流电源阴极相连；
所述阳极反应室左侧设有有机玻璃卡槽，卡槽中装有石墨电极板(010)，所述石墨电极板(010)与修复控制室中的直流电源阳极相连；
所述阳极控制室右侧设有碱液槽(005)、所述修复控制室(001)内腔设置有可调压0～100V直流电源(100)电压控制模块(200)和pH检测模块(300)和搅拌控制模块(400)和温度传感器模块(500)和参数显示与控制器模块(600)。
2.根据权利要求1所述的一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置，其特征在于：所述直流电源(100)通过导线与两个石墨电极板相连，并与修复控制室电压控制模块连接，可调节电压0～100V。
3.根据权利要求1所述的一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置，其特征在于：所述碱液槽(005)与石墨电极板(010)间设有有机玻璃隔板，碱液可用于调节土壤修复室中的土壤pH。
4.根据权利要求1所述的一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验装置，其特征在于：所述各室连接处的隔板均设置有有机玻璃卡槽。
5.一种便携式潜在酸性硫酸盐土电化学氧化修复试验方法，其特征在于：通过在土壤修复室(001)底部和中部设置有温度传感器模块(500)和pH电极棒(020)，实现对电解液的温度和pH监控，防止因温度过低或者pH过低影响电解效果和观察效果；
通过在土壤修复室(001)底部设置搅拌头(030)和电机(050)，使得在电化学氧化反应前，混合液中自带的酸碱离子得到中和，减少自身酸碱度对于试验观察的影响；
通过电压控制模块(200)与参数显示与控制器模块(600)的配合，随时改变电化学试验电压，得到不同电场条件下酸性土电化学氧化过程曲线。
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