CN113976617B - 一种模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置及方法，属于土壤修复技术领域。本发明提供的装置，包括不透光箱体(1)；位于所述不透光箱体(1)内腔顶部的模拟太阳光光源(2)，所述光源与变压器(3)电连接；嵌套于所述模拟太阳光光源(2)外部的冷凝套管(4)，所述冷凝套管(4)与进水系统连通；水平设置于所述不透光箱体(1)内部的反应台板(5)，所述反应台板(5)在不透光箱体(1)内的高度可调。本发明提供的试验装置能够在室内条件下模拟太阳光光照条件，结构简单，成本低廉，且能够提供不同光照距离、不同光照强度、不同间隔时间接受光照等环境条件，可操作性能强，易于控制反应条件。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，特别涉及一种模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置及方法。
背景技术
石油烃是难降解的疏水性污染物，由脂肪族、芳香族、树脂和沥青质的复杂混合物组成。由于石油勘探和炼油活动、石油泄漏、地下储罐泄漏和工业径流排放，石油烃污染的场地在世界各地都很常见。石油烃污染物因为其难溶于水，化学性质稳定并且在自然界中难以降解等特质，进入土壤环境后，可形成长期污染。石油烃进入土壤后造成土壤孔隙堵塞，土壤透水、透气性降低并且改变土壤有机质的碳氮比和碳磷比；引起土壤微生物群落、区系的变化破坏土壤生态环境，会对土壤造成持久的污染和破坏，影响自然生态系统的稳定和平衡。此外，土壤中的石油烃有害物质或其分解产物逐渐积累通过“土壤-植物-人体”，或通过“土壤-水-人体”间接被人体吸收，进而也对人体健康构成潜在威胁。
石油进入土壤后一般经历挥发、迁移、光化学降解和微生物降解等自然过程，其中光化学降解是土壤表层的石油污染物转变和归趋的重要方式之一，另外光化学降解转化可以提高石油的生物降解性。目前，关于石油的降解转化主要为生物转化，对于石油的光化学降解过程研究的相对较少。而且在现有研究中，石油的光化学降解大部分是在非自然光条件下进行的，例如选择紫外光作为光源进行研究，然而研究石油在太阳光条件下的光化学降解转化规律更具实际意义，但是，直接在太阳光条件下进行光化学过程研究，受到的干扰因素过多，如温度、湿度或风力的干扰。
目前，需要研究模拟太阳光对土壤石油烃发生光降解的影响的具体情况，然而，现有的模拟太阳光光照实验设备需要固定相体系，光源，磁力搅拌等装置结构复杂，价格昂贵，实际使用受限。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置及方法。本发明提供的装置结构简单，成本低廉。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置，包括不透光箱体1；
位于所述不透光箱体1内腔顶部的模拟太阳光光源2，所述模拟太阳光光源2与变压器3电连接；
嵌套于所述模拟太阳光光源2外部的冷凝套管4，所述冷凝套管4与进水系统连通；
水平设置于所述不透光箱体1内部的反应台板5，所述反应台板5在不透光箱体1内的高度可调。
优选的，所述模拟太阳光光源2为氙灯。
优选的，所述不透光箱体1的内腔两侧壁上设有多对不同高度的卡槽6。
优选的，所述模拟太阳光光源2距离反应台板5的垂直距离为5～10cm。
优选的，所述不透光反应箱体的侧壁设置有排风扇7。
优选的，所述不透光反应箱内壁的材质为不锈钢；
所述冷凝套管4的材质为透明高硼硅。
本发明提供了基于上述装置模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的方法，包括以下步骤：
将石油烃污染土壤试样置于反应台板5上，开启模拟太阳光光源2，进行光降解反应。
优选的，所述模拟太阳光光源2的功率为100～1000W，波长为300～900nm；所述模拟太阳光光源2的光强约为20～900w/cm2。
优选的，所述石油烃污染土壤试样的厚度为0.2～0.5mm。
优选的，所述光降解反应的温度为20～25℃，时间为3～56天。
本发明提供了一种模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置，包括不透光箱体1；位于所述不透光箱体1内腔顶部的模拟太阳光光源2，所述光源与变压器3电连接；嵌套于所述模拟太阳光光源2外部的冷凝套管4，所述冷凝套管4与进水系统连通；水平设置于所述不透光箱体1内部的反应台板5，所述反应台板5在不透光箱体1内的高度可调。本发明提供的试验装置能够在室内条件下模拟太阳光光照条件，结构简单，成本低廉，且能够提供不同光照距离、不同光照强度、不同间隔时间接受光照等环境条件，可操作性能强，易于控制反应条件。
附图说明
图1为本发明模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置的结构示意图，其中，1-不透光箱体，2-模拟太阳光光源，3-变压器，4-冷凝套管，5-反应台板，6-卡槽，7-排风扇，8-冷凝套管进水口，9-冷凝套管出水口，10-不锈钢夹塞。
具体实施方式
本发明提供了一种模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置，包括不透光箱体1；
位于所述不透光箱体1内腔顶部的模拟太阳光光源2，所述光源与变压器3电连接；
嵌套于所述模拟太阳光光源2外部的冷凝套管4，所述冷凝套管4与进水系统连通；
水平设置于所述不透光箱体1内部的反应台板5，所述反应台板5在不透光箱体1内的高度可调。
本发明提供的模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置包括不透光箱体1。在本发明中，所述不透光箱体1内壁的材质优选为不锈钢，更优选为不锈钢拉丝板材料。在本发明中，不锈钢拉丝板材料具有镜面效果，可起到增强主体反应箱内部光照效果的作用，能够使光源均匀聚集在反应区。
在本发明中，所述不透光箱体1的形状优选为立方体形；本发明对所述不透光箱体1的具体尺寸没有特殊的要求，根据实际情况进行相应设置即可。作为本发明的一个具体实施例，所述不透光箱体1的尺寸为30×30×20cm。
在本发明中，所述不透光箱体1的前端可开盖，作为样品投放口用于向主体反应箱中加入土壤样品。
在本发明中，所述不透光箱体1开有进水孔和出水孔，以便冷凝套管4的进出水。
在本发明中，所述不透光反应箱的侧壁优选设置有排风扇7。本发明对所述排风扇7的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的排风扇7即可。在本发明中，所述排风扇7用于加速空气流通，进一步带走光照产生的热量，降低温度对光照实验的影响。
在本发明中，所述不透光箱体1的内腔两侧壁上优选设有多对不同高度的卡槽6，用于调节反应台板5的高度。在本发明中，所述卡槽6的设置对数优选为2～5对，相邻卡槽6的高度间隔优选为2～5cm。
本发明提供的模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置包括位于所述不透光箱体1内腔顶部的模拟太阳光光源2。在本发明中，所述模拟太阳光光源2优选为氙灯。在本发明中，氙灯发射的光谱是平坦的，在整个紫外和可见光范围内，所有波长的强度几乎相等，接近太阳光。在本发明中，所述模拟太阳光光源2与变压器3电连接。本发明对所述变压器3的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的变压器3种类即可。
本发明提供的模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置包括嵌套于所述模拟太阳光光源2外部的冷凝套管4，所述冷凝套管4与进水系统连通。在本发明中，所述冷凝套管4通过循环水对模拟太阳光光源2进行冷却，能够带走光源工作时产生的热量，避免温度对光照实验的影响。
在本发明中，所述冷凝套管4设有进水口与出水口。在本发明中，所述冷凝套管4的进水口8通过进水管与进水系统的出口连通，所述进水管穿过不透光箱体1的进水孔；所述冷凝套管4的出水口9通过出水管与进水系统的入口连通，所述出水管穿过不透光箱体1的出水孔。
在本发明中，所述冷凝套管4材质优选为透明高硼硅。在本发明中，所述透明高硼硅可有效对光源起到保护作用且透光性好。
在本发明中，所述模拟太阳光光源2优选通过不锈钢夹塞10固定于冷凝套管4内部。
本发明提供的模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置包括水平设置于所述不透光箱体1内部的反应台板5，所述反应台板5在不透光箱体1内的高度可调。在本发明中，所述反应台板5优选放置于不透光箱体1的内腔两侧壁间的卡槽6上。在本发明中，所述模拟太阳光光源2距离反应台板5的垂直距离优选为5～10cm。本发明对所述反应台板5的材质没有特殊的要求，根据实际情况进行相应设计即可。
作为本发明的具体实施例，所述模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置的结构示意图如图1所示，图1中，1-不透光箱体，2-模拟太阳光光源，3-变压器，4-冷凝套管，5-反应台板，6-卡槽，7-排风扇，8-冷凝套管进水口，9-冷凝套管出水口，10-不锈钢夹塞。
本发明提供了基于上述装置模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的方法，包括以下步骤：
将石油烃污染土壤试样置于反应台板5上，开启模拟太阳光光源2，进行光降解反应。
在本发明中，所述石油烃污染土壤中，石油烃的含量优选为6000～11000mg/kg。在本发明中，所述石油烃污染土壤试样的厚度优选为0.3mm。
在本发明中，所述模拟太阳光光源2的功率优选为100～1000W，更优选为300W；波长优选为300～900nm，更优选为500～700nm；所述模拟太阳光光源2的光强优选为20～900w/cm2，更优选为400～875w/cm2。
在本发明中，所述光降解反应的温度优选为20～25℃，更优选为22℃；时间优选为3～56天，更优选为15～30天。
在本发明中，受到石油烃污染土壤接受太阳光照射时，其中的石油烃污染物分子通过光照获得能量跃迁到激发态，从而发生光化学降解。光化学降解是有机物吸收光子后发生化学键的断裂或者分子结构的重排，或者由反应体系中另外的化合物分子吸收光子，然后传递给发生光解反应的分子而发生的间接光降解反应。光化学降解受到土壤对光线的屏蔽作用，局限于在土壤表层发生。
下面结合实施例对本发明提供的模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置及方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
使用图1所示的装置模拟太阳光照射降解土壤中石油烃。此实施例是对延长油田不同浓度的污染土壤模拟太阳光照射对土壤石油烃中C10～C40的非生物降解情况：
在30×30×20cm长方体的光照反应箱中，以300W氙灯为光源，波长为300～900nm，距离光源以下5cm为反应区，平均光强为875w/cm2。利用冷凝套管4的循环水形成水冷和空气流通扇的风冷带走灯泡照射时产生的热量，光照条件下温度为22℃左右。
将3g延长油田灭菌后的污染土壤平铺在直径为90cm的培养皿中，土壤平铺0.3mm的薄层，设置黑暗处理为对照组(CK)，以研究光照对土壤中石油烃C10～C40发生光降解的影响的具体情况。按照实验周期取样，通过气相质谱Agilent 6980，HP-5柱检测土壤中正构烃C10～C40的浓度含量变化。
延长油田污染土(5983.45mg/kg)照射7天后，C17～C34均降低，与CK相比总含量降低了29.48％；其中C16、C17、C18的降解率分别为CK的42.58％，80.05％，64.63％。光照20天，C16～C30均显著降低，与CK相比总含量降低了31.35％，其中C17、C18、C19的降解率分别为CK的93.37％、88.58％、68.79％。
延长油田污染土(10692.52mg/kg)照射7天后，C15～C19均降低，与CK相比总含量降低了5.55％；其中C15、C16、C17的降解率分别为CK的63.13％，82.18％，61.97％。光照20天，C15～C31均显著降低，与CK相比总含量降低了29.31％，其中C16、C17、C18的降解率分别为CK的95.82％，95.12％，69.97％。
实施例2
使用图1所示的装置模拟太阳光照射降解土壤中石油烃。
此实施例是对南阳油田原油添加设置不同浓度的污染土壤模拟太阳光照射对土壤石油烃中C10～C40的非生物降解情况：
在30×30×20cm长方体的光照反应箱中，以300W氙灯为光源，波长为300～900nm，距离光源以下5cm为反应区，平均光强为875w/cm2。利用冷凝套管4的循环水形成水冷和空气流通扇的风冷带走灯泡照射时产生的热量，光照条件下温度为22℃左右。
将3g添加不同浓度南阳油田原油的污染土壤(1％，2％，3％)浓度分别为：2135.19,3625.73,6580.81mg/kg,灭菌后平铺在直径为90cm的培养皿中，土壤平铺0.3mm的薄层，设置黑暗处理为对照组(CK)，以研究光照对土壤中石油烃C10～C40发生光降解的影响的具体情况。按照实验周期取样，通过气相质谱Agilent 6980，HP-5柱检测土壤中正构烃C10～C40的浓度含量变化。
不同时间下正构烃的去除百分比见表1。
表1 300W光照条件下不同时间下正构烃的去除百分比
由表1可以看出，本发明提供的模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置剂方法在300W照射条件下能够有效降低石油烃污染土壤中正构烃C10～C40的含量。
实施例3
使用图1所示的装置模拟太阳光照射降解土壤中石油烃。
此实施例是对南阳油田原油添加设置不同浓度的污染土壤模拟太阳光照射对土壤石油烃中正构烃C10～C40的非生物降解情况：
在30×30×20cm长方体的光照反应箱中，以150W氙灯为光源，波长为300～900nm，距离光源以下5cm为反应区，平均光强为400w/cm2。利用冷凝套管4的循环水形成水冷和空气流通扇的风冷带走灯泡照射时产生的热量，光照条件下温度为22℃左右。
将3g添加不同浓度南阳油田原油的污染土壤(1％，2％，3％)浓度分别为：2135.19,3625.73,6580.81mg/kg,灭菌后平铺在直径为90cm的培养皿中，土壤平铺0.3mm的薄层，设置黑暗处理为对照组(CK)，以研究光照对土壤中石油烃C10～C40发生光降解的影响的具体情况。按照实验周期取样，通过气相质谱Agilent 6980，HP-5柱检测土壤中正构烃C10～C40的浓度含量变化。
不同时间下正构烃的去除百分比见表2。
表2 150W照射条件下不同时间下正构烃的去除百分比
由表2可以看出，本发明提供的模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置剂方法在150W光源照射条件下能够有效降低石油烃污染土壤中正构烃C10～C40的含量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的方法，包括以下步骤：
将石油烃污染土壤试样置于反应台板（5）上，开启模拟太阳光光源（2），进行光降解反应；
所述模拟太阳光光源（2）的功率为100~300 W，波长为300~900 nm；所述模拟太阳光光源（2）的光强为20~900 w/cm2；
所述石油烃污染土壤试样的厚度为0.2~0.5 mm；
所述光降解反应的温度为20~25℃，时间为3~56天；
所述模拟太阳光照射降解土壤中石油烃的装置，包括不透光箱体（1）；
位于所述不透光箱体（1）内腔顶部的模拟太阳光光源（2），所述模拟太阳光光源（2）与变压器（3）电连接；
嵌套于所述模拟太阳光光源（2）外部的冷凝套管（4），所述冷凝套管（4）与进水系统连通；
水平设置于所述不透光箱体（1）内部的反应台板（5），所述反应台板（5）在不透光箱体（1）内的高度可调。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟太阳光光源（2）为氙灯。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不透光箱体（1）的内腔两侧壁上设有多对不同高度的卡槽（6）。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述模拟太阳光光源（2）距离反应台板（5）的垂直距离为5~10 cm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不透光箱体的侧壁设置有排风扇（7）。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不透光箱体内壁的材质为不锈钢；
所述冷凝套管（4）的材质为透明高硼硅。
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