CN113702622A - 土壤热修复装置及评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤热修复装置及评价方法，属于污染物去除设备技术领域，修复装置包括内部放置土壤及电加热元件的箱体，电加热元件的上方依次放置常规土壤及污染土壤，且污染土壤的顶部覆盖常规土壤，箱体的底部设有进风口，电加热元件下方设有风机，箱体顶部设有排气孔；箱体设有微波单元及紫外消解单元，加热土壤加热并对脱附出来的有机污染物进行消解，防止污染气体逸出。通过微波、电加热及热风三种热脱附技术修复土壤，研究土壤的温度分布以及脱附效果并评价；将污染土壤放在常规土壤顶部进行加热时，能对比存在于污染土壤中的污染物在土壤中的界面运动情况；本发明装置轻便灵活可对土壤进行原位或者异位热修复评价。
Description
技术领域
本发明属于污染物去除设备技术领域，尤其涉及一种土壤热修复装置及评价方法。
背景技术
随着土壤有机污染的日益加剧，有机污染固废的修复是土壤有机污染恢复的关键手段之一。
有机污染物进入环境系统后会驻留相当长的时间,不仅能够长距离迁移,而且由于系统中复杂的物理、化学和生物过程的联合作用,在传输过程中还可以在诸如土壤、水体、空气、沉积物等环境介质之间迁移和分配,最终形成以一定时空分布形式存在的浓度场从而使得环境中的生物包括人类通过不同的途径暴露于污染物面前,对人类的身体健康产生严重威胁。
因此，对于污染物在土壤中的界面运动(指污染物在两相之间的越面运动)的研究是不能忽视的。而传统的土壤热修复评价装置只能针对于对土壤的原位修复，而对于土壤的异位热修复的评价一直碍于运输成本等问题没有进行。
发明内容
本发明的目的是提供一种土壤热修复装置及评价方法，旨在解决上述现有技术中不能准确研究污染物在土壤中的界面运动，以及不能对土壤进行多种异位热修复和原位热修复评价多功能使用等问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种土壤热修复装置，包括用于放置土壤的箱体，所述箱体的下部设有电加热元件，所述电加热元件的上方放置未受污染的常规土壤，所述常规土壤的上方放置受挥发性有机污染物污染的污染土壤，所述污染土壤的顶部覆盖常规土壤，所述污染土壤及常规土壤的顶部均设有测温元件；所述箱体的底部设有进风口，所述电加热元件的下方设有用于向箱体内腔吹热风的风机，所述箱体的顶部设有能够与检测系统相连的排气孔；所述箱体设有微波单元及紫外消解单元，通过微波单元加热污染土壤及常规土壤，通过紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物。
优选的，所述常规土壤设置于土壤隔板上，所述污染土壤容纳于土壤盒内，所述土壤盒由透波材料制作。
优选的，所述微波单元包括多个磁控管及波导，所述磁控管通过波导与箱体的侧壁相连；所述磁控管与控制器相连，通过磁控管控制微波的功率，微波的功率范围为1-4kw，步长为1kw。
优选的，所述紫外消解单元为多根无极紫外灯管，多根无极紫外灯管水平并列设置于箱体的顶部，所述波导对称设置于箱体的两侧，两侧波导上下交错布置，所述波导发射的微波能够激发无极紫外灯管发出紫外光。
优选的，所述箱体为抽拉式结构，包括滑动配合的外箱体和内箱体，所述内箱体相对外箱体能够抽出，所述外箱体由不透波金属制作，所述内箱体由可透波耐高温材料制作而成；所述电加热元件及风机依次设置于内箱体的下方，所述内箱体的底部设有若干个极细微孔，能够将热风吹向内箱体；所述外箱体的底部及顶部分别设有进风口及排气孔。
优选的，所述电加热元件为电加热棒，所述风机为小型吹风机；所述测温元件包括污染土壤用热电偶及常规土壤用热电偶，所述污染土壤用热电偶延伸至土壤盒内，用于检测污染土壤的温度，所述常规土壤用热电偶延伸至常规土壤内，用于检测常规土壤的温度。
优选的，所述土壤盒由聚四氟乙烯材料制作而成。
一种土壤热修复评价方法，应用上述土壤热修复装置修复土壤分为以下三种方式：
(一)启动电加热元件加热常规土壤及污染土壤，此时关闭微波单元，利用检测系统检测污染土壤中有机物的挥发情况，利用紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物，通过测温元件检测常规土壤及污染土壤的温度，并对修复后的土壤成分进行测定，得出电加热元件作为唯一热源加热对污染土壤的热修复效果；
(二)启动微波单元，利用微波加热常规土壤及污染土壤，利用微波激发紫外光源，对土壤照射；此时关闭电加热元件，利用检测系统检测污染土壤中有机物的挥发情况，利用紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物，通过测温元件检测常规土壤及污染土壤的温度，并对修复后的土壤成分进行测定，得出微波作为唯一热源加热对污染土壤的热修复效果；
(三)关闭微波单元，启动风机及电加热元件，此时产生自下而上的热风，利用热风对污染土壤进行热修复，用检测系统检测污染土壤中有机物的挥发情况；
将电加热元件、微波单元、紫外消解单元、风机及测温元件均与控制器相连；
通过单独开启上述任一种热修复方式，使用检测系统检测从排气孔排出的气体情况，检测过程分为修复前、修复中以及修复完三个时段，检测三个时间段所排出气体情况；
利用检测系统对受到污染的污染土壤和未受污染的常规土壤在热修复前后进行定量、定性分析后所得出的土壤有机污染物的成分与含量，用来评价此修复技术对污染物迁移的影响。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过微波、电加热及热风三种热脱附技术修复土壤，通过三种热修复对比，研究三种热修复方法对土壤的加热温度分布以及脱附效果，可对热修复的效果进行评价；通过紫外消解单元发出的紫外线对脱附出来的有机污染物进行消解，防止污染气体逸出；将污染土壤放置在常规土壤上方，且污染土壤顶部覆盖常规土壤，当对整个土壤区进行加热时，能对比存在于污染土壤中的污染物在土壤中的界面运动情况；通过三种土壤热修复方式进行评价，装置轻便灵活可对土壤进行原位或者异位热修复评价。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例提供的一种土壤热修复装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种土壤热修复装置的内部结构示意图；
图3是图2的主视图；
图4是图2的俯视图；
图中：1-箱体，2-排气孔，3-磁控管，4-波导，5-电加热元件，6-污染土壤用热电偶，7-常规土壤用热电偶，8-无极紫外灯管，9-土壤隔板，10-安装盒，11-土壤盒。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示的一种土壤热修复装置，包括用于放置土壤的箱体1，所述箱体1的下部设有电加热元件5，所述电加热元件5的上方放置未受污染的常规土壤，所述常规土壤的上方放置受挥发性有机污染物污染的污染土壤，所述污染土壤的顶部覆盖常规土壤，所述污染土壤及常规土壤的顶部均设有测温元件；所述箱体1的底部设有进风口(图中未画出)，所述电加热元件5的下方设有用于向箱体1内腔吹热风的风机(图中未画出)，所述箱体1的顶部设有能够与检测系统相连的排气孔2；所述箱体1设有微波单元及紫外消解单元，通过微波单元加热污染土壤及常规土壤，通过紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物。该方案能够利用电加热、微波及热风加热土壤，通过三种土壤加热方式的对比，评价不同热修复方法对土壤的修复情况。
其中，在污染土壤的顶部覆盖常规土壤目的有二，其一：覆盖在污染土壤上的常规土壤能起到抑制污染土壤中有机污染物自然挥发的作用，避免影响评价效果。其二：对污染土壤营造一个封闭环境，在研究污染物的迁移转化情况时，被热脱附的污染气体可能会向常规土壤发生迁移这体现了固相与固相之间的迁移，若没有表层常规土壤，则污染气体直接被热脱附到了气体环境中，只有固相与气相的迁移情况，对整个实验研究完整性有影响。
在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述常规土壤设置于土壤隔板9上，所述污染土壤容纳于土壤盒11内，所述土壤盒11由透波材料制作，确保微波对其中放置的污染土壤进行加热。
具体制作时，土壤盒可采用聚四氟乙烯材料制作；电加热元件5采用电加热棒，风机选用小型吹风机，小型吹风机可将经电加热棒加热后的热风吹向上方土壤；测温元件包括污染土壤用热电偶6及常规土壤用热电偶7，两个热电偶均安装在箱体1的顶部，且污染土壤用热电偶6延伸至土壤盒11内，用于检测污染土壤加热后的温度，常规土壤用热电偶7延伸至常规土壤内，用于检测常规土壤加热后的温度，用于研究观察污染土壤中挥发性有机物挥发时候的温度情况，并且便于研究后续常规土壤层中污染物的温度分布情况。
在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述微波单元包括多个磁控管3及波导4，图中磁控管3及波导4为四组，所述磁控管3通过波导4与箱体1的侧壁相连；所述磁控管3与控制器相连，通过磁控管3控制微波的功率，微波的功率范围为1-4kw，步长为1kw。其中，控制磁控管的控制器设置于箱体正面，根据实际需要控制微波的功率。
在本发明的一个具体实施例中，如图2-4所示，所述紫外消解单元为多根无极紫外灯管8，多根无极紫外灯管8并列设置于箱体1的顶部，所述波导4对称设置于箱体1的两侧，图中四组磁控管3及波导4在箱体两侧上下左右交错布置，使用四个磁控管3，总功率可控，步长为1kW，最高为4kW；所述波导4发射的微波能够激发无极紫外灯管8发出紫外光。通过微波诱导无极紫外灯管，激发灯管内的汞氩蒸汽，使其发生电离，同时辐射UV波，UV波具有很强的能量，能够打断有机物的共价键，其作用是用于消解挥发出来的有机污染物，最后从排气孔排出的气体进入气体检测系统进行分析。
进一步优化上述技术方案，所述箱体1为抽拉式结构，包括滑动配合的外箱体和内箱体(图中未画出)，所述内箱体相对外箱体能够抽出，所述外箱体由不透波金属制作，防止微波泄漏，所述内箱体由可透波耐高温材料制作而成，确保微波充分辐射土壤；所述电加热元件5及风机依次设置于内箱体的下方，所述内箱体的底部设有若干个极细微孔，能够将热风吹向内箱体；所述外箱体的底部及顶部分别设有进风口及排气孔。其中，箱体可设计为长方体，采用抽拉式结构方便抽出内箱体放置或倾倒土壤；内箱体顶部安装分体式盖板，方便打开取放污染土壤。
取出的土壤盛装入称量瓶中，通过测得称量瓶前后的重量差即为从土壤中提取的污染物质量，可通过该设备中不同热修复后对污染物提取率的影响。计算公式为：
式中：W为污染物提取率(％)；m1为修复后污染土壤与称量瓶的总质量(g)；m2为称量瓶的质量(g)；m为土壤的质量(g)；
在本发明的一个具体实施例中，所述气体检测系统包括红外分析仪、气相质谱联用仪及臭氧分析仪，所述红外分析仪用于检测排出气体的分子结构与化学组成进行分析，所述气相质谱联用仪对排出气体进行定性检测分析，所述臭氧分析仪用于分析无极紫外灯管产生的臭氧情况。通过检测系统对排出气体进行检测分析可得到污染物从土壤迁移转化到气相的规律。
利用气相质谱联用仪检测结束后可根据色谱曲线上得到的每个峰的保留时间，可以进行定性分析，根据峰面积或峰高的大小可以进行定量分析。特定组分在相同色谱条件下有不变的保留值(时间、体积等)，将检测色谱图与已知色谱图的相应保留值进行对比，得出检测样品的定性分析。当进样量不易测准，样品中的所有组分又能全部流出，并在检测器上产生信号，得到相应的色谱峰时，采用归一法进行样品的定量分析。计算公式如下：
式中：Pi为试样中组分的百分含量；Ai为组分i的峰面积；fi为组分i的校正因子。
如果检测成分中存在有机污染物的同分异构体或同系物，若已知校正因子近似相等，就可以不用校正因子，将面积直接归一化。否则就需要计算校正因子。校正因子与该物质的物理化学性质和检测器的性质有关，计算公式见
式中：Ai为组分i的峰面积；hi为组分i的峰高；mi为组分i的质量；ci为组分i的浓度。
本发明的具体应用过程如下：
控制器采用PLC控制，通过控制箱体最底部的小型吹风机工作，同时开启电加热棒，此时会产生从底部吹往土壤底的热风，可作为热风土壤热修复的控制方法；反之，关闭小型吹风机工作，此时单独电加热棒工作，此时可作为传统电加热土壤热修复的控制方法，最后通过控制磁控管的开启与功率使用情况，可以研究不同功率下微波对土壤的热修复情况。箱体顶部设置了多根无极紫外灯管，对挥发出来的有机污染物进行消解处理，无极紫外灯管发出的UV波由于波长短，能量强，可打断有机物当中的共价键，使复杂型有机物被消解为简单型有机物水与二氧化碳等。
本发明还提供一种土壤热修复评价方法，应用上述土壤热修复装置修复土壤分为以下三种方式：
(一)启动电加热元件加热常规土壤及污染土壤，此时关闭微波单元，利用检测系统检测污染土壤中有机物的挥发情况，利用紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物，通过测温元件检测常规土壤及污染土壤的温度，并对修复后的土壤成分进行测定，得出电加热元件作为唯一热源加热对污染土壤的热修复效果；
(二)启动微波单元，利用微波加热常规土壤及污染土壤，利用微波激发紫外光源，对土壤照射；此时关闭电加热元件，利用检测系统检测污染土壤中有机物的挥发情况，利用紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物，通过测温元件检测常规土壤及污染土壤的温度，并对修复后的土壤成分进行测定，得出微波作为唯一热源加热对污染土壤的热修复效果；
(三)关闭微波单元，启动风机及电加热元件，此时产生自下而上的热风，利用热风对污染土壤进行热修复，用检测系统检测污染土壤中有机物的挥发情况，利用紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物，通过测温元件检测常规土壤及污染土壤的温度，并对修复后的土壤成分进行测定，得出热风加热污染土壤的热修复效果；
将电加热元件、微波单元、紫外消解单元、风机及测温元件均与控制器相连，方便实现自动化控制；
通过单独开启上述任一种热修复方式，使用检测系统检测从排气孔排出的气体情况，检测过程分为修复前、修复中以及修复完三个时段，检测三个时间段所排出气体情况；
利用检测系统对受到污染的污染土壤和未受污染的常规土壤在热修复前后进行定量、定性分析后所得出的土壤有机污染物的成分与含量，用来评价此修复技术对污染物迁移的影响。
同时可较准确的确定此评价方法的可行性和有效性。
三种热修复方式共用一种污染土壤环境，再评价对比修复效果，更有说服力。比如可在修复之前确定污染物中的甲苯的含量，在分别经过微波和热修复之后，再对原受污染土壤中和原洁净的甲苯进行测定，通过测定结果可推测甲苯的物理迁移和化学反应特点，更直观的体现出三修复方法的修复效率。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用微波，电加热，热风三种热脱附技术，在相同客观条件下对同一性质的污染土壤采用不同的修复方法，对下方修复后的土壤进行污染物测定，可较准确的对比出三种热修复方法对土壤的加热温度分布以及脱附效果，对热修复的效果进行评价。
2、本发明采用热脱附与UV联用装置，高能量的UV波可打断挥发出来的有机污染物之分子键，可将复杂大分子有机物消解为简单的小分子有机物或者水和二氧化碳，UV波将土壤热修复中脱附出来的挥发性有机物进行消解处理防止污染气体逸出。
3、本发明通过在箱体内部上下分层放置污染土壤及常规土壤，并在污染土壤上覆盖常规土壤，当对整个土壤区加热完成后，通过对常规土壤中污染物的检测确定污染物在土壤中的迁移路线和规律，可以与污染土壤的垂直距离为参考，在不同位置进行特征污染物的测定，由此可较准确的模拟出修复过程中存在的物理迁移过程和化学反应程度，从而更好的为相关的技术研究和设备改进提供有力的理论支撑。
4、本发明能够对三种土壤热修复方式进行评价，装置整体轻巧灵活，便于移动，根据此特点可将其用于对土壤进行原位和异位热修复对比的评价实验，在实验过程中，可将污染土壤从实地按正确的方法取出并封存，运输到实验室用此设备进行修复实验研究，也可将设备合理的运送到实地进行现场修复，对修复土壤的污染物结果进行测定可对比原位修复和异位修复的差异性与统一性。
在上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，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。
Claims (9)
1.一种土壤热修复装置，其特征在于：包括用于放置土壤的箱体，所述箱体的下部设有电加热元件，所述电加热元件的上方放置未受污染的常规土壤，所述常规土壤的上方放置受挥发性有机污染物污染的污染土壤，所述污染土壤的顶部覆盖常规土壤，所述污染土壤及常规土壤的顶部均设有测温元件；所述箱体的底部设有进风口，所述电加热元件的下方设有用于向箱体内腔吹热风的风机，所述箱体的顶部设有能够与检测系统相连的排气孔；所述箱体设有微波单元及紫外消解单元，通过微波单元加热污染土壤及常规土壤，通过紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物。
2.根据权利要求1所述的土壤热修复装置，其特征在于：所述常规土壤设置于土壤隔板上，所述污染土壤容纳于土壤盒内，所述土壤盒由透波材料制作。
3.根据权利要求1所述的土壤热修复装置，其特征在于：所述微波单元包括多个磁控管及波导，所述磁控管通过波导与箱体的侧壁相连；所述磁控管与控制器相连，通过磁控管控制微波的功率，微波的功率范围为1-4kw，步长为1kw。
4.根据权利要求3所述的土壤热修复装置，其特征在于：所述紫外消解单元为多根无极紫外灯管，多根无极紫外灯管水平并列设置于箱体的顶部，所述波导对称设置于箱体的两侧，两侧波导上下交错布置，所述波导发射的微波能够激发无极紫外灯管发出紫外光。
5.根据权利要求1所述的土壤热修复装置，其特征在于：所述箱体为抽拉式结构，包括滑动配合的外箱体和内箱体，所述内箱体相对外箱体能够抽出，所述外箱体由不透波金属制作，所述内箱体由可透波耐高温材料制作而成；所述电加热元件及风机依次设置于内箱体的下方，所述内箱体的底部设有若干个极细微孔，能够将热风吹向内箱体；所述外箱体的底部及顶部分别设有进风口及排气孔。
6.根据权利要求1所述的土壤热修复装置，其特征在于：所述电加热元件为电加热棒，所述风机为小型吹风机；所述测温元件包括污染土壤用热电偶及常规土壤用热电偶，所述污染土壤用热电偶延伸至土壤盒内，用于检测污染土壤的温度，所述常规土壤用热电偶延伸至常规土壤内，用于检测常规土壤的温度。
7.根据权利要求2所述的土壤热修复装置，其特征在于：所述土壤盒由聚四氟乙烯材料制作而成。
8.根据权利要求1所述的土壤热修复装置，其特征在于：所述检测系统包括红外分析仪、气相质谱联用仪及臭氧分析仪，所述红外分析仪用于检测排出气体的分子结构与化学组成进行分析，所述气相质谱联用仪对排出气体进行定性检测分析，所述臭氧分析仪用于分析紫外消解单元产生的臭氧情况。
9.一种土壤热修复评价方法，其特征在于：应用权利要求1-9任一项所述的土壤热修复装置修复土壤分为以下三种方式：
（一）启动电加热元件加热常规土壤及污染土壤，此时关闭微波单元，利用检测系统检测污染土壤中有机物的挥发情况，利用紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物，通过测温元件检测常规土壤及污染土壤的温度，并对修复后的土壤成分进行测定，得出电加热元件作为唯一热源加热对污染土壤的热修复效果；
（二）启动微波单元，利用微波加热常规土壤及污染土壤，利用微波激发紫外光源，对土壤照射；此时关闭电加热元件，利用检测系统检测污染土壤中有机物的挥发情况，利用紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物，通过测温元件检测常规土壤及污染土壤的温度，并对修复后的土壤成分进行测定，得出微波作为唯一热源加热对污染土壤的热修复效果；
（三）关闭微波单元，启动风机及电加热元件，此时产生自下而上的热风，利用热风对污染土壤进行热修复，用检测系统检测污染土壤中有机物的挥发情况，利用紫外消解单元发出的紫外线来消解挥发出来的有机污染物，通过测温元件检测常规土壤及污染土壤的温度，并对修复后的土壤成分进行测定，得出热风加热污染土壤的热修复效果；
将电加热元件、微波单元、紫外消解单元、风机及测温元件均与控制器相连；
通过单独开启上述任一种热修复方式，使用检测系统检测从排气孔排出的气体情况，检测过程分为修复前、修复中以及修复完三个时段，检测三个时间段所排出气体情况；
利用检测系统对受到污染的污染土壤和未受污染的常规土壤在热修复前后进行定量、定性分析后所得出的土壤有机污染物的成分与含量，用来评价此修复技术对污染物迁移的影响。
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