CN114160565B - 一种电化学土壤改良系统 - Google Patents

Abstract

本案涉及一种电化学土壤改良系统，包括：筒状桩A、筒状桩B，所述筒状桩A包括筒状电极A、中心电极A，所述筒状电极A为所述筒状桩A的外壁，所述中心电极设置在筒状电极A内，所述中心电极A为柱状结构，所述柱状结构插入所述筒状电极A内，所述筒状电极A和所述中心电极A之间形成环形空间A，所述中心电极通过端部A固定在所述筒状电极A上；所述筒状桩B包括筒状电极B、中心电极B、环形空间B和端部B，所述筒状桩B与所述筒状桩A结构相同；所述中心电极A与所述筒状电极B电连接，所述筒状电极A和中心电极B电连接。

Description

一种电化学土壤改良系统

技术领域

本发明属于土壤改良领域，具体涉及一种电化学土壤改良系统。

背景技术

土壤酸碱度是土壤重要的化学性质，直接对土壤养分含量、养分有效性和土壤微生物活性造成影响，进而对作物的生长发育进程产生影响，而由于施肥过量和不平衡，在大多数耕地中，存在着不同程度的土壤酸化， 从而降低了耕地的土壤肥力，不利于农业生产的可持续发展。

土壤酸化会导致质子平衡被打破，从而影响土壤元素形态的转变。大多数农作物种植的适宜土壤酸碱度范围在微酸性到中性之间。不同作物对土壤 pH 的适应性不同，但土壤酸化仍然严重影响作物根系的正常生长和发育。土壤低 pH 值对植物的正常生长和发育产生的影响是由直接影响土壤理化性质和微生物活性引起的。土壤酸化会使土壤中的含铝矿物释放出大量铝离子， 导致植物铝中毒。有研究表明，铝胁迫下的植物根系伸长生长受到抑制，根系吸收和运输功能及根系的酶活性迅速下降。

化肥的施用对土壤酸化影响很大，尤其是铵态氮肥的施用。我国氮肥的施用量高居不下，已成为土壤酸化的一个重要因素，特别是铵态氮肥的投入是最主要的酸化来源，铵态氮肥的酸化效用主要来源于硝化反应。酸化程度取决于氮源形态、硝态氮淋洗的比例以及植物吸收的氮数量。硫酸按的酸化程度要高于尿素和硝酸铵。其中，硝态氮成为酸化土壤中重要的影响因素，另外，硝态氮还会在微生物作用下形成氧化亚氮，严重造成生态破坏。

另外土壤酸化过程中，土壤中的部分重金属活性会受到影响，使其从土壤中溶出，重金属离子的溶出会影响作物生长。CN109127718A公开了一种土壤电动修复装置，其在电极板之间设置多个桩体，所述桩体分别为药剂桩和催化桩，所述药剂桩中添加有药剂，所述催化桩中添加有多孔铁催化剂，所述桩体采用导电桩体，显著提高极板间的电场作用，同时降低重金属在迁移过程中与土壤中的氢氧根发生反应降低重金属的去除效率，而其在重金属处理的过程中，并不能显著影响酸化土壤中的硝态氮进而实现酸化土壤的改良。

如何在实现酸化土壤改良及提高重金属去除效率成了目前需要解决的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术存在的缺陷，提供有一种电化学土壤改良系统。

一种电化学土壤改良系统，包括：筒状桩A1、筒状桩B2，所述筒状桩A1包括筒状电极A11、中心电极A12，所述筒状电极A11为所述筒状桩A1的外壁，所述中心电极设置在筒状电极A11内，所述中心电极A12为柱状结构，所述柱状结构插入所述筒状电极A11内，所述筒状电极A11和所述中心电极A12之间形成环形空间A13，所述中心电极通过端部A14固定在所述筒状电极A11上；所述筒状桩B2包括筒状电极B21、中心电极B22、环形空间B23和端部B24，所述筒状桩B2与所述筒状桩A1结构相同；所述中心电极A12与所述筒状电极B21电连接，所述筒状电极A11和中心电极B22电连接。

进一步地，所述中心电极A12与所述筒状电极B21之间设置电源A15，所述筒状电极A11和中心电极B22之间设置电源B25；

进一步地，所述电源A15和电源B25交替供电；

进一步地，所述环形空间A13和/或环形空间B23内填充活性炭；

进一步地，所述活性炭为改性活性炭；

进一步地，所述端部A14与所述中心电极A12绝缘连接；

进一步地，所述端部A14设置有加液口；

进一步地，所述改性活性炭为将所述活性炭加入盐酸溶液中浸泡12-24h所得；

进一步地，所述环形空间A13和/或环形空间B23内填充多孔铁催化剂，所述多孔铁催化剂由以下步骤制得：将磁铁矿、黄铁矿、磁黄铁矿粉碎，并称取2-3重量份；称取碳粉5-9重量份；铁粉1-2重量份；超高分子聚乙烯0.5-1重量份，将上述配料混合均匀后，放入加热箱中进行程序加温，所述加热箱通入氮气；所述程序加温为：以5℃/min的升温速率升温至150℃，保温90-120min，再采用2-3℃/min的升温速率升温至200℃，保温80-120min，然后关闭加热箱的加温供能，继续通入氮气进行降温处理，待温度降至100℃时，取出配料，即得多孔铁催化剂；

进一步地，所述改性活性炭与所述多孔铁催化剂质量比为10:1-5；

进一步地，所述加液口加入双氧水溶液；

进一步地，所述筒状桩A1、筒状桩B2设置多组；

进一步地，所述筒状电极为不锈钢筒，所述不锈钢筒的设置催化镀层，所述催化镀层为钯、铂、银、铜、金、锡、锌中的一种或多种；

进一步地，所述筒状电极设置透水孔；

进一步地，所述中心电极为氧化铅、石墨电极；

进一步地，所述筒状桩A1、筒状桩B2之间间距小于等于1m；

本发明的一种电化学土壤改良系统，具有诸多优点：

1.所述中心电极A12与所述筒状电极B21电连接，中心电极A12及筒状电极B21分别作为阳极和阴极，阴离子被吸引进入环形空间A13并进入活性炭中，此时，断电处理，然后所述筒状电极A11和中心电极B22电连接，此时，环形空间A13中的硝酸根在筒状电极A11的阴极作用下，在电极和活性炭内发生如下反应：

NO₃ ^-+H₂O+2e^-→NO₂ ^-+2OH^-(1)

NO₂ ^-+4H₂O+4e^-→NH₂OH+5OH^-(2)

NH₂OH+H₂O+2e^-→NH₃+2OH^-(3)

NO₂ ^-+5H₂O+6e^-→NH₃+7OH^-(4)

NO₂ ^-+2H₂O+3e^-→(1/2)N₂+4OH^-(5)

同时，由于活性炭经过改性，其中中心电极通电过程中，氯离子在阳极作用下，在活性炭层中形成微量的Cl₂。在Cl₂作用下，阴极作用形成的NH₃阴极会被氧化形成N₂释放到大气中；同时，硝酸根反应过程中，产生了氢氧根会与土壤中的氢离子发生中和反应，从而降低土壤酸性；

2.在环形空间内填充了多孔铁催化剂，在还原过程中，筒状电极会对土壤中重金属进行聚集，进入多孔铁催化剂过程中，会被S捕获，在解决土壤酸化问题过程中，将由于土壤酸化过程解析出来的活性重金属捕获去除；

3.电化学土壤改良系统运行结束后，留下的坑洞可以采用有机物的堆肥产物或生物炭进行填充，提高土壤有机物含量，提高土壤活性；

4.通过电化学土壤改良，将多余硝态氮去除，防止微生物将其转化为氧化亚氮，减少土壤温室气体排放；

5.土壤改良过程中，降低了硝酸根及氢离子含量，降低土壤酸性的同时，降低了地下水硝酸盐污染的风险。

附图说明

图1为一种电化学土壤改良系统示意图；

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

某酸化地块

0-15cm土壤硝态氮124.3mg/kg，pH=5，在地块中设置电化学土壤改良系统，筒状桩A1、筒状桩B2，所述筒状桩A1包括筒状电极A11、中心电极A12，所述筒状电极A11为所述筒状桩A1的外壁，所述中心电极设置在筒状电极A11内，所述中心电极A12为柱状结构，所述柱状结构插入所述筒状电极A11内，所述筒状电极A11和所述中心电极A12之间形成环形空间A13，所述中心电极通过端部A14固定在所述筒状电极A11上；所述筒状桩B2包括筒状电极B21、中心电极B22、环形空间B23和端部B24，所述筒状桩B2与所述筒状桩A1结构相同；所述中心电极A12与所述筒状电极B21电连接，所述筒状电极A11和中心电极B22电连接，所述中心电极A12与所述筒状电极B21之间设置电源A15，所述筒状电极A11和中心电极B22之间设置电源B25，所述电源A15和电源B25交替供电，所述环形空间A13和/或环形空间B23内填充活性炭，所述改性活性炭为将所述活性炭加入盐酸溶液中浸泡12-24h所得，所述筒状桩A1、筒状桩B2设置多组，所述筒状电极为不锈钢筒，所述不锈钢筒的设置催化镀层，所述催化镀层为锡中，所述筒状电极设置透水孔，所述中心电极为石墨电极；所述筒状桩A1、筒状桩B2之间间距为30cm，所述筒状桩插入所述酸化地块中，所述筒状桩设置密度为4根/m²，所述电源为直流稳压电源，电流为0.1安，电压为30伏。

经过12h处理，测量酸化地块土壤pH=5.9，硝态氮90.1mg/kg；

经过24h处理，测量酸化地块土壤pH=6.1，硝态氮为78mg/kg。

实施例2

该地块土壤中含有重金属：铬含量为96mg/kg。

在实施例1的基础上，在环形空间中添加多孔铁催化剂。

经过12h处理后，测得土壤pH=5.2，硝态氮91mg/kg,铬含量为45mg/kg;

经过24h处理后，测得土壤pH=5.4，硝态氮81mg/kg,铬含量为32mg/kg。

由于多孔铁催化剂的加入，在中心电极作用时硫化物可能被部分氧化形成了硫酸类物质，部分中和了还原过程中产生的氢氧根，造成了pH的降低，是的土壤pH升高不明显。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (8)

1.一种电化学土壤改良系统，其特征在于，包括：筒状桩A(1)、筒状桩B(2)，所述筒状桩A(1)包括筒状电极A(11)、中心电极A(12)，所述筒状电极A(11)为所述筒状桩A(1)的外壁，所述中心电极A(12)设置在筒状电极A(11)内，所述中心电极A(12)为柱状结构，所述柱状结构插入所述筒状电极A(11)内，所述筒状电极A(11)和所述中心电极A(12)之间形成环形空间A(13)，所述中心电极A(12)通过端部A(14)固定在所述筒状电极A(11)上；所述筒状桩B(2)包括筒状电极B(21)、中心电极B(22)、环形空间B(23)和端部B(24)，所述筒状桩B(2)与所述筒状桩A(1)结构相同；所述中心电极A(12)与所述筒状电极B(21)电连接，所述筒状电极A(11)和中心电极B(22)电连接，筒状电极设置透水孔，所述筒状电极A(11)和/或筒状电极B(21)为不锈钢筒，所述不锈钢筒设置催化镀层，所述催化镀层为钯、铂、银、铜、金、锡、锌中的一种或多种，所述环形空间A(13)和/或环形空间B(23)内填充活性炭，所述活性炭为改性活性炭，所述改性活性炭为将所述活性炭加入盐酸溶液中浸泡12-24h所得。

2.如权利要求1所述的一种电化学土壤改良系统，其特征在于，所述中心电极A(12)与所述筒状电极B(21)之间设置电源A(15)，所述筒状电极A(11)和中心电极B(22)之间设置电源B(25)。

3.如权利要求2所述的一种电化学土壤改良系统，其特征在于，所述电源A(15)和电源B(25)交替供电。

4.如权利要求1所述的一种电化学土壤改良系统，其特征在于，所述环形空间A(13)和/或环形空间B(23)内还填充有多孔铁催化剂。

5.如权利要求4所述的一种电化学土壤改良系统，其特征在于，所述多孔铁催化剂由以下步骤制得：将磁铁矿、黄铁矿、磁黄铁矿粉碎，并称取2-3重量份；称取碳粉5-9重量份；铁粉1-2重量份；超高分子聚乙烯0.5-1重量份，将配料混合均匀后，放入加热箱中进行程序加温，所述加热箱通入氮气；所述程序加温为：以5℃/min的升温速率升温至150℃，保温90-120min，再采用2-3℃/min的升温速率升温至200℃，保温80-120min，然后关闭加热箱的加温供能，继续通入氮气进行降温处理，待温度降至100℃时，取出配料，即得多孔铁催化剂。

6.如权利要求4所述的一种电化学土壤改良系统，其特征在于，所述改性活性炭与所述多孔铁催化剂质量比为10:1-5。

7.如权利要求1所述的一种电化学土壤改良系统，其特征在于，所述中心电极A和/或中心电极B为氧化铅电极或石墨电极。

8.如权利要求1所述的一种电化学土壤改良系统，其特征在于，所述筒状桩A(1)、筒状桩B(2)设置多组。

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