CN113702623A - 微波淋滤式土壤修复评价装置及评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波淋滤式土壤修复评价装置及评价方法，属于污染物去除设备技术领域，评价装置包括用于容纳土壤并能够控制土壤温度的控温筒，控温筒内设有微波加热单元及紫外光源，且其顶部设有用于向土壤喷淋氧化剂或对照用液体的淋滤口，控温筒还设有能够与气体检测系统相连的排气口及与液相检测仪相连的液相出口；通过微波加热土壤，微波激发紫外光源发出紫外光对土壤挥发气体进行消解处理，利用喷淋的氧化剂进一步氧化有机污染物，通过气体检测系统及液相检测仪来检测气相及液相中的污染物成分和浓度。本发明通过分析有机污染物在固液气的多尺度环境下的迁移转化，得到污染物从土壤迁移转化到气相以及在土壤与液相之间的迁移转化规律。
Description
技术领域
本发明属于污染物去除设备技术领域，尤其涉及一种微波淋滤式土壤修复评价装置及评价方法。
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固相，液相以及气相的多尺度界面移动的规律的研究是不能忽视的。而现有实验装置不能准确研究污染物在土壤中的迁移转化问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波淋滤式土壤修复评价装置及评价方法，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迁移转化问题，包括多尺度的界面运动，氧化剂对土壤中的有机污染物的氧化效果评价，微波非热效应对土壤污染物的作用等问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种微波淋滤式土壤修复评价装置，包括用于容纳土壤并能够控制土壤温度的控温筒，所述控温筒内设有微波加热单元及紫外光源，用于对土壤加热及照射紫外光；所述控温筒的顶部设有淋滤口，用于分别向土壤喷淋氧化剂及对照用液体；所述控温筒还设有能够与气体检测系统相连的排气口及与液相检测仪相连的液相出口。
优选的，所述微波加热单元包括设置于控温筒上部的磁控管，通过磁控管控制微波的功率，通过磁控管的微波波导端口对控温筒内的土壤辐射微波进行加热。
优选的，所述紫外光源为无极紫外灯管，所述磁控管的微波波导端口设置于控温筒的侧壁上部，从微波波导端口发出的微波能够激发无极紫外灯管发出紫外光。
优选的，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。
优选的，所述控温筒的侧壁内设有控温夹层，所述控温夹层内填充导热介质；所述控温筒内设有插入土壤的测温元件，用于测量土壤温度；所述测温元件采用热电偶温度传感器。
优选的，所述控温筒的侧壁上设有与控温夹层连通的导热介质进口及导热介质出口。
优选的，所述氧化剂为过氧化氢，所述对照用液体为去离子水。
优选的，所述控温筒内设有液相泵送组件，所述液相泵送组件包括蠕动泵和液相管路，所述蠕动泵置于土壤底部，所述液相管路连接蠕动泵和液相出口。
优选的，所述控温筒的顶部设有顶盖，所述排气口、液相出口、测温元件及紫外光源均设置于顶盖上。
一种微波淋滤式土壤修复评价方法，应用上述微波淋滤式土壤修复评价装置，通过微波发生器发射的微波对控温筒内土壤加热，同时微波激发紫外光源发出紫外光，利用紫外光对土壤挥发出的气体进行消解处理；向控温筒内土壤先后喷淋氧化剂及对照用液体，并在控温筒的排气口及液相出口分别连接气体检测系统及液相检测仪，用于检测气相及液相中的污染物成分和浓度。
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，本发明通过微波加热有机物污染的土壤、紫外光照射并淋滤氧化剂液体，可使有机污染物在固液气的多尺度环境下进行迁移转化，部分有机污染物会自主挥发，被氧化的污染物也会挥发到气相中，部分污染物会互溶于氧化剂还原后生成的水相中，以及一部分污染物在土壤中发生迁移转化；最后对排出气体成分及液相成分进行定性检测分析，进而得到污染物从土壤迁移转化到气相的规律，以及有机污染物在土壤与液相之间的迁移转化规律。
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微波淋滤式土壤修复评价装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种微波淋滤式土壤修复评价装置的内部结构示意图；
图3是图1中一种微波淋滤式土壤修复评价装置的主视图；
图4是图1中一种微波淋滤式土壤修复评价装置的俯视图；
图中：1-控温筒，2-顶盖，3-无极紫外灯管，4-导热介质进口，5-导热介质出口，6-微波波导端口，7-测温元件，8-淋滤口，9-排气口，10-液相出口。
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所示的一种微波淋滤式土壤修复评价装置，包括用于容纳土壤并能够控制土壤温度的控温筒1，所述控温筒1内设有微波加热单元及紫外光源，用于对土壤加热及照射紫外光；所述控温筒1的顶部设有淋滤口8，用于分别向土壤喷淋氧化剂及对照用液体；所述控温筒1还设有能够与气体检测系统相连的排气口9及与液相检测仪相连的液相出口10。其中，所述微波加热单元包括设置于控温筒上部的磁控管，通过磁控管控制微波的功率，用于对土壤进行加热；采用过氧化氢作为氧化剂，或者使用去离子水作为对照实验液体，提供对照试验来研究氧化剂对土壤中有机污染物的氧化特性。
在本发明的一个具体实施例中，所述紫外光源为无极紫外灯管3，所述磁控管的微波波导端口6设置于控温筒1的侧壁上部，从微波波导端口6发出的微波能够激发无极紫外灯管3发出紫外光。其中，无极紫外灯管为多根，垂直插入控温筒内，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，最后从排气口排出的气体进入气体检测系统进行分析。
其中，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。通过气体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。
具体制作时，在控温筒1的侧壁内设置控温夹层，所述控温夹层内填充导热介质，并在控温筒1的侧壁上设有与控温夹层连通的导热介质进口4及导热介质出口5；所述控温筒1内设有插入土壤的测温元件7，测温元件7采用热电偶温度传感器，用于测量土壤温度。可将热电偶温度传感器插入土壤层内，用于配合微波加热系统以及控温系统，以保证土壤层内温度情况，温度条件是研究污染物在土壤迁移转化规律，以及氧化剂(可采用过氧化氢)与有机物发生氧化还原反应的关键，因此需要严格把控温度条件。
其中，导热介质选用普通硅油(甲基硅油)作为液体控温材料，硅油具有良好的化学稳定性、绝缘性，疏水性能，最重要的是不会吸收微波能而被微波加热，不仅能吸收装置内土壤的热量使其降温，也可以通过热传导将导热介质的热量传递给内部土壤中，以达到控温的目的，同时该控温筒能将微波对土壤的热效应抑制，将土壤吸收微波产生的热量吸收，使土壤层在微波的作用下保持恒定的温度，此时可以研究微波在无热效应作用下对土壤的作用，可研究微波的非热效应。
鉴于微波热效应体现在能使有介电特性的材料或介质产生介电损耗而产生热量，而非热效应则是将微波的热效应抑制住，在打开微波的情况下，能够保持材料温度不变，研究微波对材料活性的影响。本发明中依靠硅油控温系统中的硅油作为冷却液，硅油不会吸收微波而升温，将硅油填充在控温夹层内包裹在控温筒周围能吸收冷却微波加热的土壤，起到抑制热效应的效果。
在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，所述控温筒1的顶部设有顶盖2，所述排气口9、液相出口10、测温元件7及紫外光源均设置于顶盖2上。采用该结构方便装卸，采用可拆卸的控温筒，方便盛装与取出修复后的土壤进行后续研究。
另外，所述控温筒1内设有液相泵送组件，所述液相泵送组件包括蠕动泵和液相管路，所述蠕动泵置于土壤底部，所述液相管路连接蠕动泵和液相出口10。具体操作时，通过淋滤装置将过氧化氢氧化剂经淋滤口8淋入控温筒内土壤中，渗入到土壤层的过氧化氢大部分被还原为水，水中含有互溶的有机污染物，最终都渗入到土壤层底部，通过蠕动泵的作用，将液体抽出，使用液相色谱仪检测成分，可得出有机污染物在土壤与液相之间的迁移转化规律。
在控温筒内的土壤层可宏观看做为水相、气相、固相三相并存的多孔介质，相互连通的孔隙可以让流体自由运动，孔隙的多少为孔隙率，孔隙率计算公式：
式中，φ为总孔隙率；△V为以某点为中心的多孔介质体积；△V为以某点为中心的多孔介质中孔隙体积。设比面是在单位多孔介质体积内所有土壤颗粒的总表面积，计算公式为：
式中，α为比面；△Ar为体积内所有土壤颗粒的总表面积。而土壤颗粒层传导淋滤流体的渗透性能主要受介质的性质(如土壤成分，粒径分布、大小、比面、弯曲度、孔隙度等)和流体的性质(如密度，粘滞性等)的共同影响，整体表征为多孔介质输送流体的能力，流体的渗透系数计算公式：
式中，K为液体渗透系数；k为内在渗透率；ρ为液体的密度；g为重力加速度；μ为液体动力粘滞系数。渗透系数K的表征计算，淋滤液体在土壤层中的流动的难易程度，渗透系数常以张量形式表示，渗透系数K越大，表征土壤颗粒渗水性越强。
具体制作时，淋滤装置包括外部的泵送组件及控温筒内部的喷淋组件，储罐内液体经输送泵及输送管输送至控温筒内，在顶盖上布置喷淋管及多个喷淋头，输送管经淋滤口进入喷淋管，再经多个喷淋头喷出，均匀喷至下方土壤上。
本发明还提供一种微波淋滤式土壤修复评价方法，通过微波发生器发射的微波对控温筒内土壤加热，同时微波激发紫外光源发出紫外光，利用紫外光对土壤挥发出的气体进行消解处理；向控温筒内土壤先后喷淋氧化剂及对照用液体作为淋滤液，并在控温筒的排气口及液相出口分别连接气体检测系统及液相检测仪，用于检测气相及液相中的污染物成分和浓度。
采用过氧化氢作为淋滤液，用水作为对照用液体进行空白对照，用于评价过氧化氢对土壤的氧化修复效果。土壤中的有机物多为还原性有机物，过氧化氢具有很强的氧化性，淋滤进入土壤能将有机污染物氧化为水和二氧化碳或者一些稳定无毒性小分子有机物，具体评价：
1.通过对土壤有机物残留量进行评价，取出修复后土壤进行取样检测，检测残留污染物浓度。
2.通过对排气口中排出气体成分检测进行修复效果评价，有机物被氧化为气体二氧化碳和水蒸气或者小分子有机物等，同时也可能会有自然挥发的部分有机污染物，可分三个时间段检测从排气口排出气体成分，放入土壤关闭控温筒入口，对微波加热时、淋滤滴入氧化剂修复过程中以及修复结束时三个阶段排气口出气成分以及浓度进行检测，可评价效果。
3.通过对控温筒底部的液体成分检测分为两个时间段，淋滤液中的过氧化氢与有机污染物反应后生成水，渗透以及重力作用下会集中在底部，液体中大部分为水分，也会存在被氧化后生成的小分子有机物，或者未氧化相溶于水中的有机污染物，通过抽出底部液体，将滴入淋滤液后最先抽出的液体成分检测作为第一个时间段，修复结束后的液体处成分检测作为第二个时间段，通过对比成分与浓度，可评价效果。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用微波诱导无极紫外灯管，通过微波对无极紫外灯管的作用，与微波同步产生UV波，高能量的UV波可打断挥发出来的有机物的分子键，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，再将处理后的尾气排放到气体检测系统进行检测分析排出气体成分与浓度数据进行拟合处理(利用计算机模拟仿真软件)后可研究污染物在土壤和气相中的界面移动情况。
2、本发明通过淋滤装置来引入液相的方法，从控温筒顶端淋滤口落下液相过氧化氢，液体在重力作用下落到土壤表层后能够迅速渗入到土壤内部，不需要对土壤层进行摇晃搅拌等操作来加速液体的渗入作用。
3、本发明通过控温筒夹层内的导热介质对内部土壤层起到控温作用，该导热介质具有低介电特性，难以被微波加热，在微波加热土壤的同时，可对土壤有很好的控温效果。作为冷却液的导热介质通过控温系统能抑制微波对土壤的加热，抑制其热效应，可研究微波的非热效应对土壤的作用。
4、本发明采用过氧化氢作为氧化剂，使用去离子水作为对照实验液体，过氧化氢具有很强的氧化性，能将具有还原性的有机污染物氧化成小分子化合物，进而起到对土壤的修复效果，过程中也不会出现二次污染，过氧化氢经过氧化还原反应后会水和氧气，且水可作为有机物的液相溶剂，通过抽滤出来的液相经由液相色谱仪检测成分，便能研究出有机污染物在固相与液相的迁移转化规律。
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 (10)
1.一种微波淋滤式土壤修复评价装置，其特征在于：包括用于容纳土壤并能够控制土壤温度的控温筒，所述控温筒内设有微波加热单元及紫外光源，用于对土壤加热及照射紫外光；所述控温筒的顶部设有淋滤口 ，用于分别向土壤喷淋氧化剂及对照用液体；所述控温筒还设有能够与气体检测系统相连的排气口及与液相检测仪相连的液相出口。
2.根据权利要求1所述的微波淋滤式土壤修复评价装置，其特征在于：所述微波加热单元包括设置于控温筒上部的磁控管，通过磁控管控制微波的功率，通过磁控管的微波波导端口对控温筒内的土壤辐射微波进行加热。
3.根据权利要求2所述的微波淋滤式土壤修复评价装置，其特征在于：所述紫外光源为无极紫外灯管，所述磁控管的微波波导端口设置于控温筒的侧壁上部，从微波波导端口发出的微波能够激发无极紫外灯管发出紫外光。
4.根据权利要求3所述的微波淋滤式土壤修复评价装置，其特征在于：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。
5.根据权利要求1所述的微波淋滤式土壤修复评价装置，其特征在于：所述控温筒的侧壁内设有控温夹层，所述控温夹层内填充导热介质；所述控温筒内设有插入土壤的测温元件，用于测量土壤温度。
6.根据权利要求5所述的微波淋滤式土壤修复评价装置，其特征在于：所述控温筒的侧壁上设有与控温夹层连通的导热介质进口及导热介质出口。
7.根据权利要求1所述的微波淋滤式土壤修复评价装置，其特征在于：所述氧化剂为过氧化氢，所述对照用液体为去离子水。
8.根据权利要求1所述的微波淋滤式土壤修复评价装置，其特征在于：所述控温筒内设有液相泵送组件，所述液相泵送组件包括蠕动泵和液相管路，所述蠕动泵置于土壤底部，所述液相管路连接蠕动泵和液相出口。
9.根据权利要求5所述的微波淋滤式土壤修复评价装置，其特征在于：所述控温筒的顶部设有顶盖，所述排气口、液相出口、测温元件及紫外光源均设置于顶盖上。
10.一种微波淋滤式土壤修复评价方法，其特征在于：应用权利要求1-9任一项所述的微波淋滤式土壤修复评价装置，通过微波加热单元发射的微波对控温筒内土壤加热，同时微波激发紫外光源发出紫外光，利用紫外光对土壤挥发出的气体进行消解处理；向控温筒内土壤先后喷淋氧化剂及对照用液体，并在控温筒的排气口及液相出口分别连接气体检测系统及液相检测仪，用于检测气相及液相中的污染物成分和浓度。
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