CN114378111A - 基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置及方法，该装置包括脉冲电源、阳极电解槽、阴极电解槽、土样仓、阳极储液装置和阴极储液装置，土样仓设置于阳极电解槽和阴极电解槽之间，阳极储液装置与阳极电解槽连通，阴极储液装置与阴极电解槽连通；土样仓和阳极电解槽连通处设置有第一滤纸；土样仓和阴极电解槽连通处设置有第二滤纸和离子交换膜，阳极电解槽中设置有石墨电极，阴极电解槽内设置有碳纳米电极，石墨电极和碳纳米电极均与脉冲电源连接。本发明的该装置可有效实现含重金属污染黄土中重金属的有效去除，去除过程在中性条件下进行，减少处理过程过多H+和OH‑产生，避免重金属沉淀。
Description
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，具体涉及基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置及方法。
背景技术
在我国，西北黄土地区的污染问题越来越受到岩土工作者和环境工作者的关注，并逐渐成为西北地区快速发展的屏障。已有的黄土污染中以重金属污染危害最重，在生态环境中难以被自然降解，最终会通过食物链对人体造成危害。电动修复技术作为一项可以实现从污染土中分离污染物的技术，其原理是通过电场作用以电迁移或电渗流的方式将污染物从黄土中分离去除。电动技术作为一种新兴技术，其发展仍处于发展阶段，目前主要分为两大方面技术难题：一是电解过程中因极化作用而产生的pH突变导致重金属离子在向阴极迁移过程中产生沉淀而不利于迁移去除，二是电极的极化作用增加了电极上的分压，使电极消耗的能量增加，电动修复能量效率降低。
电动修复过程中电解水阳极区产生O2和H+，阴极区产生H2和OH-，其反应方程为：
阳极：2H2O-4e-→O2+4H+(E0＝-1.229V)
阴极：2H2O+24e-→H2+2OH-(E0＝-0.828V)
阳极产生的H+使得阳极区呈现酸性，阴极产生的OH-使得阴极区呈现碱性。带正电的H+向阴极迁移，带负电的OH-向阳极迁移，形成酸性迁移带，造成阳极pH快速降低，阴极短时间内升高。阴极区域的OH-运移会造成重金属污染物的沉淀，同时对污染物的赋存形态产生重大影响，进而影响污染物去除效率。阳极在在较低pH下易被腐蚀，金属离子在阴极表面沉积，电流效率和污染物去除效率也因此而大幅度降低。因此，在电动修复过程中控制OH-的迁移范围，减小污染物聚焦及电极的极化，是目前电动力学修复污染场地的“卡脖子”技术难题，亟需提出改进方法或手段从而提高污染去除效率。
近年来，为解决该电动修复过程中的“卡脖子”技术难题，众多工程师和科研人员从通电方式、工艺优化、电极材料改善、电解液调节等方面做了很多工作。目前，国内外公开发现了一些重金属污染土壤的电动修复装置及方法。公开号为CN109731905A的专利公开了一种自主可控土壤或底部污泥污染物电动酸化解离装置，能够在阻止阴极的OH-的迁移，并且在不添加淋洗化学试剂的条件下，利用电动修复过程中阳极产生的H+向阴极逐步迁移，并不酸化污染土壤/底泥，提高土壤/底泥污染物的解离程度。公开号CN203875110U的专利公开了一种土壤pH可控的电动修复装置，该装置通过分别向阴、阳极加入缓冲溶液来调节附近pH。公开号为 CN102527707A的专利公开了一种对重金属污染土壤的强化电动修复方法，该方法通过在阴阳两极的石墨或金属电极的表面层附着活性材料层，从而形成具有可渗透性反应性能的一体式复合电极，通过阴极可渗透反应层中和吸附电极产生的OH-，避免阴极土壤pH升高，同时提高修复效率。然而以上已有技术存在着以下问题：(1)电动过程中阴极OH-迁移会使重金属沉淀的问题依然显著，严重影响电动修复效率；(2)电极的极化作用增加电极上的分压，使电极消耗的能量增加，降低电动修复的能量效率。
提供一种针对在电动修复过程中本身产生的H+和OH-，采取有效措施实现中性条件下高效率的去除重金属污染且操作简单的装置，是解决上述问题的关键之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置及方法。本发明的该装置通过设置脉冲电源、阳极电解槽、阴极电解槽、土样仓、阳极储液装置和阴极储液装置实现含重金属污染黄土中重金属的有效去除，去除过程在中性条件下进行，减少处理过程过多H+和OH-产生，避免重金属沉淀。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，包括：
脉冲电源、阳极电解槽、阴极电解槽、土样仓、阳极储液装置和阴极储液装置，所述土样仓设置于阳极电解槽和阴极电解槽之间且与阳极电解槽和阴极电解槽分别连通，所述阳极储液装置与阳极电解槽连通，所述阴极储液装置与阴极电解槽连通；
所述土样仓和阳极电解槽连通处设置有第一滤纸；所述土样仓和阴极电解槽连通处设置有第二滤纸和离子交换膜，所述第二滤纸靠近土样仓，所述离子交换膜靠近阴极电解槽；
所述阳极电解槽中设置有石墨电极，所述阴极电解槽内设置有碳纳米电极，所述石墨电极和碳纳米电极均与脉冲电源连接。
上述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述阳极储液装置包括阳极电解液储罐，所述阳极电解液储罐上连接有第一管线和第二管线，所述第一管线另一端和第二管线另一端均连接于阳极电解槽上，所述第一管线上设置有第一循环泵，所述第二管线上设置有第二循环泵；
所述阴极储液装置包括阴极电解液储罐，所述阴极电解液储罐上连接有第三管线和第四管线，所述第三管线另一端和第四管线另一端均连接于阴极电解槽上，所述第三管线上设置有第三循环泵，所述第四管线上设置有第四循环泵。
上述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述阳极储液装置还包括自动滴定装置，所述自动滴定装置与阳极电解液储罐连通。
上述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述脉冲电源的电压梯度为0.5V/cm～1.5V/cm，脉冲周期为0.5s～2.0 s。
上述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述阳极电解液储罐中的阳极电解液pH为6～8，所述阳极电解液为硝酸钠溶液，所述硝酸钠溶液的浓度为8mol/m3～30mol/m3；所述自动滴定装置中的液体为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为1.0 mol/L～2.0mol/L；所述阴极电解液储罐中的阴极电解液为(S S)-乙二胺 -N,N-二琥珀酸三钠盐、氢氧化钠和硝酸的混合溶液，所述混合溶液中，(S S)-乙二胺-N,N-二琥珀酸三钠盐的浓度为5mg/L～60mg/L，氢氧化钠的浓度为1.5mol/L～2.0mol/L，硝酸的浓度为1.5mol/L～2.0mol/L。
上述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述第一滤纸的层数和第二滤纸的层数均为n，所述土样仓内径长度为a，所述0.01a≤n≤0.03a，其中层数n单位为层，取整数，土样仓内径长度单位为cm；
所述土样仓高度与阴极电解槽高度和阳极电解槽高度均相等，均为e cm，土样仓内部宽度为c cm，土样仓外部宽度为d cm，土样仓、阴极电解槽和阳极电解槽总长度为bcm，40≤a≤100；60≤b≤120；40≤c≤60； 45≤d≤65；20≤e≤50。
此外，本发明还提供一种采用上述基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置处理重金属污染黄土的方法，其特征在于，包括：
步骤一、将土样装入土样仓，压实；
步骤二、向阴极电解槽中输入阴极电解液，向阳极电解槽中输入阳极电解液，在脉冲直流电场作用下，阴极电解槽中H+向碳纳米电极移动，同时，土样中的重金属离子、金属离子和NH+向阴极电解槽中的碳纳米电极移动，带负电离子向阳极电解槽中的石墨电极移动；
步骤三、启动第二循环泵和第四循环泵，阳极电解槽中的含污染物流体进入阳极电解液储罐，阴极电解槽的含污染物流体进入阴极电解液储罐；
步骤四、保持阳极电解槽中pH为6～8且阴极电解槽内pH为5.0～6.8，当阳极电解槽和阴极电解槽内电导率变化幅度小于0.1％/h时，完成处理。
上述的方法，其特征在于，所述土样为待处理土和纳米伊/蒙黏土的混合物，所述混合物中纳米伊/蒙黏土的质量百分含量为0.5％～5％。
上述的方法，其特征在于，所述纳米伊/蒙黏土的制备方法包括：
步骤一、将块状伊/蒙黏土置于水中浸泡6h～10h，加入六偏磷酸钠，搅拌混合，得到体系A；所述体系A中六偏磷酸钠的质量百分含量为 0.8％～1％；
步骤二、将步骤一所述体系A置于捣浆机中捣浆25min～45min，得到体系B；所述捣浆机转速为600r/min～1000r/min；
步骤三、筛分步骤二所述体系B，取筛下物，向筛下物中加入氢氧化钠溶液，得到体系C；所述体系C中的颗粒粒径均小于45μm，所述体系 C的pH为10.5～11.5；
步骤四、研磨步骤三所述体系C，得到体系D；所述研磨的研磨介质为ZrO2陶瓷微珠，研磨速率为100r/min～200r/min，研磨时间为3h～5h；
步骤五、去除步骤四所述体系D中水分，粉碎分散，得到纳米伊/蒙黏土。
上述的方法，其特征在于，步骤三所述阳极电解槽中的所述含污染物流体为步骤二中带负电离子迁移过程引入的流体，阴极电解槽的含污染物流体为步骤二中重金属离子、金属离子和NH+迁移过程引入的流体。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明提供一种基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，该装置通过设置脉冲电源、阳极电解槽、阴极电解槽、土样仓、阳极储液装置和阴极储液装置实现含重金属污染黄土中重金属的有效去除，去除过程在中性条件下进行，减少处理过程过多H+和OH-产生，避免重金属沉淀。
2、作为优选，本发明阳极电解液为硝酸钠溶液，阴极电解液为(S S)- 乙二胺-N,N-二琥珀酸三钠盐、氢氧化钠和硝酸的混合溶液，同时具有加入氢氧化钠溶液的自动滴定装置，可进行酸碱度控制，避免处理过程中土样酸化，同时阴极电解出来的-EDDS、NO3 -等在电场作用下运移到土样， -EDDS可与重金属离子结合形成复合物，NO3 -可避免土样水解产生的OH-与重金属离子反应形成沉淀，重金属复合物向阳极迁移，具有脱除效率高的特点。
3、作为优选，本发明包括将待处理土和纳米伊/蒙黏土混合，得到土样，充分利用纳米伊/蒙黏土可分裂成带电胶体的特性吸附K+、Na+、Mg2+、 Ca2+、Al3+和Li+等阳离子，经较高价态重金属离子置换，实现重金属离子被吸附迁移至脱除的目的。
4、本发明的处理方法具有能耗低、效率高的特点，可有效避免常规技术中容易发生电极极化的缺陷。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置的结构示意图。
图2为第一滤纸、第二滤纸和离子交换膜在土样仓中位置关系示意图。
图3为采用本发明装置处理重金属污染黄土的处理效果。
图4为采用本发明装置处理重金属污染黄土的能耗结果。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，如图1和2所示，包括：
脉冲电源1、阳极电解槽2、阴极电解槽3、土样仓9、阳极储液装置和阴极储液装置，所述土样仓9设置于阳极电解槽2和阴极电解槽3之间且与阳极电解槽2和阴极电解槽3分别连通，所述阳极储液装置与阳极电解槽2连通，所述阴极储液装置与阴极电解槽3连通；
所述土样仓9和阳极电解槽2连通处设置有第一滤纸8-1；所述土样仓9和阴极电解槽3连通处设置有第二滤纸8-2和离子交换膜10，所述第二滤纸8-2靠近土样仓9，所述离子交换膜10靠近阴极电解槽3；离子交换膜10可供透过阳离子，同时阻止阴离子透过；
所述阳极电解槽2中设置有石墨电极6，所述阴极电解槽3内设置有碳纳米电极7，所述石墨电极6和碳纳米电极7均与脉冲电源1连接；
所述阳极电解槽2和阴极电解槽3上均开设有排气孔4；
本实施例的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置中，所述阳极储液装置包括阳极电解液储罐15，所述阳极电解液储罐15上连接有第一管线22和第二管线21，所述第一管线22另一端和第二管线21另一端均连接于阳极电解槽2上，所述第一管线22上设置有第一循环泵11，所述第二管线21上设置有第二循环泵12；
本实施例的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置中，所述阳极储液装置还包括自动滴定装置，所述自动滴定装置与阳极电解液储罐15连通；自动滴定装置用于调节阳极电解液储罐15内容物pH；
所述阴极储液装置包括阴极电解液储罐16，所述阴极电解液储罐16 上连接有第三管线24和第四管线23，所述第三管线24另一端和第四管线23另一端均连接于阴极电解槽3上，所述第三管线24上设置有第三循环泵13，所述第四管线23上设置有第四循环泵14。
本实施例的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置中，所述脉冲电源的电压梯度为0.5V/cm～1.5V/cm，脉冲周期为0.5s～2.0s。
本实施例的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置中，所述阳极电解液储罐15中的阳极电解液pH为6～8，所述阳极电解液为硝酸钠溶液，所述硝酸钠溶液的浓度为15mol/m3～20mol/m3；所述自动滴定装置中的液体为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为1.0mol/L～1.5 mol/L。
所述阴极电解液储罐16中的阴极电解液为(S S)-乙二胺-N,N-二琥珀酸三钠盐、氢氧化钠和硝酸的混合溶液，所述混合溶液中，(S S)-乙二胺 -N,N-二琥珀酸三钠盐的浓度为20mg/L～40mg/L，氢氧化钠的浓度为1.5 mol/L～2.0mol/L，硝酸的浓度为1.5mol/L～2.0mol/L。
本实施例的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置中，所述第一滤纸8-1的层数和第二滤纸8-2的层数均为n，所述土样仓9内径长度为a，所述n＝0.02a，其中层数n单位为层，取整数，土样仓9内径长度单位为cm。
土样仓9内径长度为50cm，土样仓9高度与阴极电解槽3高度和阳极电解槽2高度均相等，均为40cm，土样仓9内部宽度为50cm，土样仓 9外部宽度为55cm，土样仓9、阴极电解槽3和阳极电解槽2总长度为80 cm。
进一步的，本实施例中，土样仓9材质为丙烯醛基材。
实施例2
本实施例与实施例1相同，其中不同之处在于，
本实施例的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置中，所述阳极电解液储罐15中的阳极电解液pH为6～8，所述阳极电解液为硝酸钠溶液，所述硝酸钠溶液的浓度为8mol/m3～15mol/m3；所述自动滴定装置中的液体为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为1.0mol/L～1.5 mol/L。
所述阴极电解液储罐16中的阴极电解液为(S S)-乙二胺-N,N-二琥珀酸三钠盐、氢氧化钠和硝酸的混合溶液，所述混合溶液中，(S S)-乙二胺 -N,N-二琥珀酸三钠盐的浓度为5mg/L～20mg/L，氢氧化钠的浓度为1.5 mol/L～2.0mol/L，硝酸的浓度为1.5mol/L～2.0mol/L。
本实施例的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置中，所述第一滤纸8-1的层数和第二滤纸8-2的层数均为n，所述土样仓9内径长度为a，所述n＝0.01a，其中层数n单位为层，取整数，土样仓9内径长度单位为cm。
土样仓9内径长度为100cm，土样仓9高度与阴极电解槽3高度和阳极电解槽2高度均相等，均为50cm，土样仓9内部宽度为60cm，土样仓9外部宽度为65cm，土样仓9、阴极电解槽3和阳极电解槽2总长度为120cm。
进一步的，本实施例中，土样仓9材质为丙烯醛基材。
实施例3
本实施例与实施例1相同，其中不同之处在于，
本实施例的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置中，所述阳极电解液储罐15中的阳极电解液pH为6～8，所述阳极电解液为硝酸钠溶液，所述硝酸钠溶液的浓度为20mol/m3～30mol/m3；所述自动滴定装置中的液体为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为1.5mol/L～2.0 mol/L。
所述阴极电解液储罐16中的阴极电解液为(S S)-乙二胺-N,N-二琥珀酸三钠盐、氢氧化钠和硝酸的混合溶液，所述混合溶液中，(S S)-乙二胺 -N,N-二琥珀酸三钠盐的浓度为40mg/L～60mg/L，氢氧化钠的浓度为1.5 mol/L～2.0mol/L，硝酸的浓度为1.5mol/L～2.0mol/L。
本实施例的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置中，所述第一滤纸8-1的层数和第二滤纸8-2的层数均为n，所述土样仓9内径长度为a，所述n＝0.03a，其中层数n单位为层，取整数，土样仓9内径长度单位为cm。
土样仓9内径长度为40cm，土样仓9高度与阴极电解槽3高度和阳极电解槽2高度均相等，均为20cm，土样仓9内部宽度为40cm，土样仓9外部宽度为45cm，土样仓9、阴极电解槽3和阳极电解槽2总长度为60cm。
进一步的，本实施例中，土样仓9材质为丙烯醛基材。
实施例4
本实施例提供一种土样的制备方法，包括：将待处理土和纳米伊/蒙黏土混合，得到土样，所述土样中，纳米伊/蒙黏土的质量百分含量为3％。
所述纳米伊/蒙黏土的制备方法包括：
步骤一、将块状伊/蒙黏土置于水中浸泡8h，加入六偏磷酸钠，搅拌使混合，得到体系A；水的加入量以水能浸没块状伊/蒙黏土为准；所述体系A中六偏磷酸钠的质量百分含量为0.9％；所述伊/蒙黏土为颗粒粒径＜ 100nm颗粒占比为50％左右的伊/蒙黏土，比表面积＞55.0m2/g，原矿采自广西壮族自治区上思县；
步骤二、将步骤一所述体系A置于捣浆机中捣浆30min，得到体系B；所述捣浆机转速为800r/min；
步骤三、筛分步骤二所述体系B，取筛下物，向筛下物中加入氢氧化钠溶液，得到体系C；所述筛分为先用100目筛后用350目筛；二次筛分后，筛下物体系C中颗粒粒径小于45μm；所述体系C的pH为10.5～11.5；
步骤四、研磨步骤三所述体系C，得到体系D；所述研磨的研磨介质为ZrO2陶瓷微珠，研磨速率为150r/min，研磨时间为4h，体系C在搅拌磨中的填充率为85％；
步骤五、将步骤四所述体系D进行共沸蒸馏以去除水分，粉碎分散，得到纳米伊/蒙黏土；所述共沸蒸馏为常压煮沸；所述粉碎分散为在粉碎机中进行。
实施例5
本实施例提供一种土样的制备方法，包括：将待处理土和纳米伊/蒙黏土混合，得到土样，所述土样中，纳米伊/蒙黏土的质量百分含量为5％。
所述纳米伊/蒙黏土的制备方法包括：
步骤一、将块状伊/蒙黏土置于水中浸泡10h，加入六偏磷酸钠，搅拌使混合，得到体系A；水的加入量以水能浸没块状伊/蒙黏土为准；所述体系A中六偏磷酸钠的质量百分含量为0.8％；所述伊/蒙黏土为颗粒粒径＜ 100nm颗粒占比为50％左右的伊/蒙黏土，比表面积＞55.0m2/g，原矿采自广西壮族自治区上思县；
步骤二、将步骤一所述体系A置于捣浆机中捣浆25min，得到体系B；所述捣浆机转速为1000r/min；
步骤三、筛分步骤二所述体系B，取筛下物，向筛下物中加入氢氧化钠溶液，得到体系C；所述筛分为先用100目筛后用300目；二次筛分后，筛下物体系C中颗粒粒径小于45μm；所述体系C的pH为10.5～11.5；
步骤四、研磨步骤三所述体系C，得到体系D；所述研磨的研磨介质为ZrO2陶瓷微珠，研磨速率为100r/min，研磨时间为3h，体系C在搅拌磨中的填充率为90％；
步骤五、将步骤四所述体系D进行共沸蒸馏以去除水分，粉碎分散，得到纳米伊/蒙黏土；所述共沸蒸馏为常压煮沸；所述粉碎分散为在粉碎机中进行。
实施例6
本实施例提供一种土样的制备方法，包括：将待处理土和纳米伊/蒙黏土混合，得到土样，所述土样中，纳米伊/蒙黏土的质量百分含量为0.5％。
所述纳米伊/蒙黏土的制备方法包括：
步骤一、将块状伊/蒙黏土置于水中浸泡6h，加入六偏磷酸钠，搅拌使混合，得到体系A；水的加入量以水能浸没块状伊/蒙黏土为准；所述体系A中六偏磷酸钠的质量百分含量为1％；所述伊/蒙黏土为颗粒粒径＜ 100nm颗粒占比为50％左右的伊/蒙黏土，比表面积＞55.0m2/g，原矿采自广西壮族自治区上思县；
步骤二、将步骤一所述体系A置于捣浆机中捣浆45min，得到体系B；所述捣浆机转速为600r/min；
步骤三、筛分步骤二所述体系B，取筛下物，向筛下物中加入氢氧化钠溶液，得到体系C；所述筛分为先用100目筛后用400目筛；二次筛分后，筛下物体系C中颗粒粒径小于45μm；所述体系C的pH为10.5～11.5；
步骤四、研磨步骤三所述体系C，得到体系D；所述研磨的研磨介质为ZrO2陶瓷微珠，研磨速率为200r/min，研磨时间为5h，体系C在搅拌磨中的填充率为80％；
步骤五、将步骤四所述体系D进行共沸蒸馏以去除水分，粉碎分散，得到纳米伊/蒙黏土；所述共沸蒸馏为常压煮沸；所述粉碎分散为在粉碎机中进行。
实施例7
本实施例提供一种将实施例4～6中的土样经实施例1～3任一装置进行处理的方法，包括：
步骤一、将所述土样装入土样仓9，压实，所述土样的高度为土样仓 9高度的80％以上；压实度D满足：0.75≤D≤0.90；
步骤二、启动脉冲电源1，向阴极电解槽3中输入阴极电解液，向阳极电解槽2中输入阳极电解液，电解液经电解产生H+和OH-，在脉冲直流电场作用下，阴极电解槽3中H+向碳纳米电极7移动；
同时，土样中的重金属离子、金属离子和NH+向阴极电解槽3中的碳纳米电极7移动，带负电离子向阳极电解槽2中的石墨电极6移动；重金属从土样中有效分离；离子交换膜10阻止OH-向阳极电解槽2中的石墨电极6移动，可有效避免土样仓中，因OH-增加pH突变造成重金属在土样中发生沉淀；所述带负电离子包括带负电的-EDDS和/或吸附重金属离子的-EDDS；其中吸附重金属离子的-EDDS过程如下：
Mn++EDDS4-→MEDDS(4-n)-
步骤三、在第二循环泵12作用下，阳极电解槽2中的含污染物流体进入阳极电解液储罐15，在第四循环泵14作用下，阴极电解槽3的含污染物流体进入阴极电解液储罐16；阳极电解槽2中的所述含污染物流体为步骤二中带负电离子迁移过程引入的流体；阴极电解槽3的含污染物流体为步骤二中重金属离子、金属离子和NH+迁移过程引入的流体；
步骤四、保持阳极电解槽2中pH为6～8且阴极电解槽3内pH为 5.0～6.8，当阳极电解槽2和阴极电解槽3内电导率变化幅度小于0.1％/h 时，完成处理；
处理过程中若阳极电解槽2中pH＞8和/或阴极电解槽3内pH＜5.0 时，通过增加对应相应电解槽的循环泵速率使对应pH恢复，所述速率调控区间为20mL/min～40mL/min；当阳极电解槽2中pH＜6和/或阴极电解槽3内pH＞6.8时，通过更换或补充对应电解槽中溶液使对应pH恢复。
对比例1
本对比例与实施例7相同，其中不同之处在于，将脉冲电源1替换为直流稳压电源；所述直流稳压电源的电场强度为1V/cm。
对比例1和实施例7的处理效果如图3所示，根据图3可知，本发明对Zn2+的脱除率在92％左右，远高于对比例1的52％，本发明对Pb2+的脱除率在95.6％左右，远高于对比例1的80.5％，本发明对Cu2+的脱除率在 94.5％左右，远高于对比例1的74％，本发明对Mn2+的脱除率在97.8％左右，高于对比例1的97.2％，对Cd2+的脱除率在84％左右，远高于对比例 1的78％，对Cr2+的脱除率在96％左右，高于对比例1的93％，对Ni2+的脱除率在84％左右，远高于对比例1的72％，对Co2+的脱除率在92％左右，远高于对比例1的83％，的脱除率均高于对比例1，表明本发明脉冲电场对金属去除效率明显高于直流稳压电源。
对比例1与实施例7的能耗结果如图4所示，根据图4可知，本发明电能消耗显著降低。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，包括：
脉冲电源(1)、阳极电解槽(2)、阴极电解槽(3)、土样仓(9)、阳极储液装置和阴极储液装置，所述土样仓(9)设置于阳极电解槽(2)和阴极电解槽(3)之间且与阳极电解槽(2)和阴极电解槽(3)分别连通，所述阳极储液装置与阳极电解槽(2)连通，所述阴极储液装置与阴极电解槽(3)连通；
所述土样仓(9)和阳极电解槽(2)连通处设置有第一滤纸(8-1)；所述土样仓(9)和阴极电解槽(3)连通处设置有第二滤纸(8-2)和离子交换膜(10)，所述第二滤纸(8-2)靠近土样仓(9)，所述离子交换膜(10)靠近阴极电解槽(3)；
所述阳极电解槽(2)中设置有石墨电极(6)，所述阴极电解槽(3)内设置有碳纳米电极(7)，所述石墨电极(6)和碳纳米电极(7)均与脉冲电源(1)连接。
2.根据权利要求1所述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述阳极储液装置包括阳极电解液储罐(15)，所述阳极电解液储罐(15)上连接有第一管线(22)和第二管线(21)，所述第一管线(22)另一端和第二管线(21)另一端均连接于阳极电解槽(2)上，所述第一管线(22)上设置有第一循环泵(11)，所述第二管线(21)上设置有第二循环泵(12)；
所述阴极储液装置包括阴极电解液储罐(16)，所述阴极电解液储罐(16)上连接有第三管线(24)和第四管线(23)，所述第三管线(24)另一端和第四管线(23)另一端均连接于阴极电解槽(3)上，所述第三管线(24)上设置有第三循环泵(13)，所述第四管线(23)上设置有第四循环泵(14)。
3.根据权利要求2所述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述阳极储液装置还包括自动滴定装置，所述自动滴定装置与阳极电解液储罐(15)连通。
4.根据权利要求1所述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述脉冲电源的电压梯度为0.5V/cm～1.5V/cm，脉冲周期为0.5s～2.0s。
5.根据权利要求2所述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述阳极电解液储罐(15)中的阳极电解液pH为6～8，所述阳极电解液为硝酸钠溶液，所述硝酸钠溶液的浓度为8mol/m3～30mol/m3；所述自动滴定装置中的液体为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为1.0mol/L～2.0mol/L；所述阴极电解液储罐(16)中的阴极电解液为(S S)-乙二胺-N,N-二琥珀酸三钠盐、氢氧化钠和硝酸的混合溶液，所述混合溶液中，(S S)-乙二胺-N,N-二琥珀酸三钠盐的浓度为5mg/L～60mg/L，氢氧化钠的浓度为1.5mol/L～2.0mol/L，硝酸的浓度为1.5mol/L～2.0mol/L。
6.根据权利要求1所述的基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置，其特征在于，所述第一滤纸(8-1)的层数和第二滤纸(8-2)的层数均为n，所述土样仓(9)内径长度为a，所述0.01a≤n≤0.03a，其中层数n单位为层，取整数，土样仓(9)内径长度单位为cm；
所述土样仓(9)高度与阴极电解槽(3)高度和阳极电解槽(2)高度均相等，均为e cm，土样仓(9)内部宽度为c cm，土样仓(9)外部宽度为d cm，土样仓(9)、阴极电解槽(3)和阳极电解槽(2)总长度为b cm，40≤a≤100；60≤b≤120；40≤c≤60；45≤d≤65；20≤e≤50。
7.一种采用权利要求2所述基于电动力学和矿物学的黄土重金属污染去除装置处理重金属污染黄土的方法，其特征在于，包括：
步骤一、将土样装入土样仓(9)，压实；
步骤二、向阴极电解槽(3)中输入阴极电解液，向阳极电解槽(2)中输入阳极电解液，在脉冲直流电场作用下，阴极电解槽(3)中H+向碳纳米电极(7)移动，同时，土样中的重金属离子、金属离子和NH+向阴极电解槽(3)中的碳纳米电极(7)移动，带负电离子向阳极电解槽(2)中的石墨电极(6)移动；
步骤三、启动第二循环泵(12)和第四循环泵(14)，阳极电解槽(2)中的含污染物流体进入阳极电解液储罐(15)，阴极电解槽(3)的含污染物流体进入阴极电解液储罐(16)；
步骤四、保持阳极电解槽(2)中pH为6～8且阴极电解槽(3)内pH为5.0～6.8，当阳极电解槽(2)和阴极电解槽(3)内电导率变化幅度小于0.1％/h时，完成处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述土样为待处理土和纳米伊/蒙黏土的混合物，所述混合物中纳米伊/蒙黏土的质量百分含量为0.5％～5％。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述纳米伊/蒙黏土的制备方法包括：
步骤一、将块状伊/蒙黏土置于水中浸泡6h～10h，加入六偏磷酸钠，搅拌混合，得到体系A；所述体系A中六偏磷酸钠的质量百分含量为0.8％～1％；
步骤二、将步骤一所述体系A置于捣浆机中捣浆25min～45min，得到体系B；所述捣浆机转速为600r/min～1000r/min；
步骤三、筛分步骤二所述体系B，取筛下物，向筛下物中加入氢氧化钠溶液，得到体系C；所述体系C中的颗粒粒径均小于45μm，所述体系C的pH为10.5～11.5；
步骤四、研磨步骤三所述体系C，得到体系D；所述研磨的研磨介质为ZrO2陶瓷微珠，研磨速率为100r/min～200r/min，研磨时间为3h～5h；
步骤五、去除步骤四所述体系D中水分，粉碎分散，得到纳米伊/蒙黏土。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤三所述阳极电解槽(2)中的所述含污染物流体为步骤二中带负电离子迁移过程引入的流体，阴极电解槽(3)的含污染物流体为步骤二中重金属离子、金属离子和NH+迁移过程引入的流体。
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