CN113385527A

CN113385527A - 一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法及装置

Info

Publication number: CN113385527A
Application number: CN202110601314.7A
Authority: CN
Inventors: 孙瑞莲; 高松; 童新元; 王芸
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2041-05-31
Also published as: CN113385527B

Abstract

本发明公开了一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，其特征在于，包括：采用自动升降装置与脉冲电流系统联用的方式从受污染的土壤中去除重金属；在脉冲电流系统处于不通电状态时，将阴极电解板上升至脱离土壤悬液；在通电状态时，将阴极电解板下放至土壤悬液中。本发明在不通电的状态下，将阴极电解板抬高，使其脱离土壤悬液的环境，避免已经沉积在阴极电极板上的重金属重新被悬液中的EDTA解吸附下来；提高重金属从土壤介质中移除的效率。

Description

一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法及装置

技术领域

本发明涉及重金属修复技术领域，尤其涉及一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法及装置。

背景技术

现有的重金属修复方法包括固化和稳定化、淋洗技术和植物修复等技术，都存在一些局限性，例如：无法将重金属从土壤中转移出来(固化稳定化)，需要对淋洗浸出液进行二次处理(淋洗技术)，修复时间较长(植物修复)。电渗析修复(Electrodialyticremediation,EDR)是一种创新且具有成本效益的修复方法，已被证明对重金属污染的修复具有重要意义。EDR可以有效地从受污染的土壤或沉积物中提取有毒重金属，从而达到从受污染的介质中转移重金属的目的。

在EDR中，通过使用脉冲电流(Pulsedcurrent，PC)，可以获得一个循环电场，该循环过程包括在电流为“开”的情况下(即施加电场)一段时间，然后在电流为“关”的情况下(即不施加电流)一段时间。脉冲电流系统可以有效地缓解连续直接通电(Directcurrent，DC)系统长时间通电的情况下在电极表面出现的极化现象。为了提高EDR技术的修复效果，通常情况下会在土壤悬液中加入螯合剂(乙二胺四乙酸，EDTA)来提高重金属离子的迁移能力。但是发明人发现，在PC系统不通电的时间段内，土壤电解室内游离的大量EDTA会将已经沉积物在电极表面的重金属镀层重新解吸下来，使得整体的重金属去除效率有回落的现象。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法及装置，在不通电的状态下，将阴极电解板抬高，使其脱离土壤悬液的环境，避免已经富集在阴极电极板上的重金属重新被悬液中的EDTA 解吸附下来；提高重金属从土壤介质中移除的效率。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，包括：

采用自动升降装置与脉冲电流系统联用的方式从受污染的土壤中去除重金属；

在脉冲电流系统处于不通电状态时，将阴极电解板上升至脱离土壤悬液；在通电状态时，将阴极电解板下放至土壤悬液中。

作为进一步的实现方式，首先配备电解液，并对土壤预处理形成土壤悬液；将设定量土壤悬液加入阴极室，设定量电解液加入阳极室。

作为进一步的实现方式，所述阴极室与阳极室之间通过阳离子交换膜分隔开。

作为进一步的实现方式，将阴极电极板插入阴极室，阳极电极板插入阳极室。

作为进一步的实现方式，将阴极电极板连接自动升降装置。

作为进一步的实现方式，将阴极电极板、阳极电极板连接电源，并设置脉冲电流模式、自动升降模式。

作为进一步的实现方式，所述脉冲电流系统循环次数大于30次/天，每次循环中通电时间为不通电时间的1～2倍。

作为进一步的实现方式，修复过程开始后，在计划时间点取出少量土壤悬液，离心分离抽滤干燥后保存。

第二方面，本发明实施例还提供了一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的装置，包括：

电解槽，由阳离子交换膜分割成用于填充土壤悬液的阴极室、用于填充电解液的阳极室；阴极室内设置阴极电解板，阳极室内设置阳极电解板；阴极电解板和阳极电解板之间连接用于提供脉冲电流的电源；

自动升降装置，连接阴极电解板，用于在脉冲电流系统中不通电的时间内将阴极电解板抬升。

作为进一步的实现方式，所述阴极室设有电磁搅拌器。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式采用自动升降与脉冲电流联用的方式，不通电的条件下，利用自动升降装置将阴极电解板抬高，使其脱离土壤悬液的环境，避免在阴极强还原性的条件下已经沉积在阴极电极板上的重金属重新被悬液中的EDTA解吸附下来；同时由于阴极的还原性条件使得阴极土壤悬液中保有着大量游离的EDTA，在不通电的情况下，仍然能与土壤颗粒表面的重金属发生螯合作用，进一步地提高重金属从土壤介质中转移的效率。

(2)本发明的一个或多个实施方式通过设置不同实验条件，对比分析，找到了缓解电极极化现象的最优化脉冲频率；结合自动升降装置后，土壤最终重金属的去除效率有较大的提升，且阴极电极板上的镀层也更加均匀。

附图说明

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

图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的装置示意图；

图3(a)是本发明根据一个或多个实施方式的通电状态示意图

图3(b)是本发明根据一个或多个实施方式的不通电状态示意图

图3(c)是本发明根据一个或多个实施方式的电极抬升状态示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的各组实验最终镉去除率比较图；

其中，1、电解槽，2、阴极电极板，3、阳极电极板，4、电源，5、阳离子交换膜，6、电磁搅拌器，7、自动升降装置。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，使用脉冲电流系统从受污染的土壤中去除重金属；在脉冲电流系统处于不通电状态时，将阴极电解板移动至脱离土壤悬液，阻隔土壤悬液中的EDTA重新解吸沉积在阴极电极板的重金属。

进一步的，所述脉冲电流系统循环次数大于30次/天，每次循环中通电时间为不通电时间的1～2倍，以避免长时间通电造成的电极板极化现象。

具体的，如图1所示，包括以下步骤：

(1)配备电解液：

在本实施例中，阴极电解液由设定比例的EDTA(乙二胺四乙酸)和NaNO₃构成。例如，采用10mmolEDTA、0.85g/LNaNO₃。阳极电解液由NaNO₃构成(0.85g/L)。

(2)土壤预处理

采集土壤，并研磨备用。按照设定水土比，搅拌设定时间得到土壤悬液。在本实施例中，水土比5：1，搅拌3h。可以理解的，在其他实施例中，水土比、搅拌时间也可根据实际要求调整。

(3)在阴极室中加入设定量土壤悬液，阳极室加入设定量电解液。

在本实施例中，阴极室加入200ml土壤悬液，阳极室加入100mlNaNO₃溶液。

(4)将阴极电极板插入阴极室，阳极电极板插入阳极室。

在本实施例中，阴极电极板采用不锈钢电极，阳极电解板采用石墨电极。

(5)将阴极电极板连接自动升降装置，确保阴极电极板可从阴极室中分离。

进一步的，所述自动升降装置采用现有结构，只要能够实现在既定的时间范围内升降阴极板即可。在不通电时，启动自动升降装置，带动阴极电极板上升以脱离土壤悬液，避免已经沉积在阴极电极板上的重金属重新被土壤悬液中的EDTA 解吸附下来。

同时由于阴极电极板的还原性条件使得土壤悬液中保有着大量游离的EDTA，在不通电的情况下，仍然能与土壤颗粒表面的重金属发生螯合作用，进一步地提高重金属从土壤介质中移除的效率。

(6)将阴极电极板、阳极电极板与电源连接，设置脉冲电流通电模式、自动升降模式。

(7)启动电源，开始修复实验。

(8)设定通电时间后在设计时间内取土壤悬液，离心分离，抽滤土壤保存用于后续检测土壤中的重金属含量。在本实施例中，设定取样时间分别在有效通电6、12、24、36、48小时处。

进一步的，为了对比本实施例修复方法的效果，进行了多次EDR实验，如表 1所示：

表1各组实验参数

表1中，PC16/16表示通电16分钟，停电16分钟。

在表1列出的条件下进行了9次EDR实验，修复时间为48h。对照实验(EDR1-3) 没有使用脉冲电流系统，即采用连续直接通电的方式，施加电流的时间为48h。使用PC系统(EDR4-9)进行的实验将PC时间比率(即当前“开”的时间段/当前“关”的时间段)分别设置为1、2和3。在实验的6、12、24、36和48小时 (有效电源“接通”时间)后，从土壤室中取出5mL悬浮液，离心分离，抽滤干燥后保存，供以后测定和分析。

表2各组实验最终镉去除率比较

如表1和表2所示，采用脉冲电流系统的EDR4-EDR6三组实验的重金属去除效率(65.7％，67.2％和62.7％)明显高于采用直接连续通电系统的EDR2(56.7％)。并且当脉冲电流系统与自动升降装置结合之后的EDR7-EDR9，去除效率(67.5％， 71.9％和66.2％)又有一定的提升，在不同的通电时间比例下提升的幅度不同。综上可见，当采用脉冲电流配合自动升降装置的方法来处理污染土壤悬液时，重金属镉(Cd)的去除效率最高可以提高15.2％。

实施例二：

本实施例提供了一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的装置，如图2 所示，包括电解槽1、阴极电极板2、阳极电极板3、电源4、阳离子交换膜5、电磁搅拌器6，电解槽1由阳离子交换膜5分隔成阳极室和阴极室，其中，阴极电极板2设置于阴极室，阳极电极板3设置于阳极室。

所述阴极电极板2和阳极电极板3之间连接电源4，通过控制电源4启停实现脉冲电流供电；通电状态下如图3(a)所示。

进一步的，阴极室内填充土壤悬液，阳极室内填充电解液；其中，所述阴极室设有电磁搅拌器6，通过电磁搅拌器6保持悬浮的土壤在阴极室中的分散性。

在本实施例中，电解槽1采用亚克力板制成长方体形状。例如：电解槽1尺寸为180毫米(长)×60毫米(宽)×60毫米(高)，电解槽1分为两部分，其中一部分长120毫米，用作土壤隔室(阴极室)，另一部分用作电解室(阳极室)。当然，在其他实施例中，阴极室的空间也可以等于或小于阳极室，具体根据试验要求而定。

进一步的，阴极电解板连接自动升降装置7，如图3(b)和图3(c)所示，在不通脉冲电流时通过自动升降装置7将阴极电解板2抬升以脱离土壤悬液。自动升降装置7采用现有结构实现，例如，自动升降装置7包括气缸和夹爪，夹爪用于夹持阴极电解板2，通过气缸伸缩实现阴极电解板2的升降。当然，自动升降装置7也可以采用其他结构。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，其特征在于，首先配备电解液，并对土壤预处理形成土壤悬液；将设定量土壤悬液加入阴极室，设定量电解液加入阳极室。

3.根据权利要求2所述的一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，其特征在于，所述阴极室与阳极室之间通过阳离子交换膜分隔开。

4.根据权利要求2所述的一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，其特征在于，将阴极电极板插入阴极室，阳极电极板插入阳极室。

5.根据权利要求1或4所述的一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，其特征在于，将阴极电极板连接自动升降装置。

6.根据权利要求5所述的一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，其特征在于，将阴极电极板、阳极电极板连接电源，并设置脉冲电流模式、自动升降模式。

7.根据权利要求1所述的一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，其特征在于，所述脉冲电流系统循环次数大于30次/天，每次循环中通电时间为不通电时间的1～2倍。

8.根据权利要求1所述的一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的方法，其特征在于，修复过程开始后，在计划时间点取出少量土壤悬液，离心分离抽滤干燥后保存。

9.一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的装置，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的一种采用脉冲电流修复重金属污染土壤悬液的装置，其特征在于，所述阴极室设有电磁搅拌器。