CN115010301A - 模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置，包括：容器，容器内部设有修复区；地下管井系统，包括设置于修复区的多个电极管；供气系统，包括多个供气单元；以及电解系统，包括多个电解单元。其中，每个电解单元包括：膜阴极，在第二通孔处包覆在导气管的外部；阳极，在电极管的内部环绕膜阴极设置，阳极与膜阴极协作对通过导气管传输的原始气体进行膜接触电催化并生成氧化剂，氧化剂通过第一通孔输送到地下水中，以对地下水中的有机污染物进行降解。本公开提供的实验装置，通过电催化过程中在膜阴极的表面连续微量地产生强氧化剂，避免了局部氧化剂浓度过高，缓解了氧化剂自分解问题。

Description

模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置

技术领域

本公开涉及地下水修复技术领域，尤其涉及一种模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置。

背景技术

地下水修复技术可以分为异位修复技术和原位修复技术。地下水异位修复技术以抽出处理技术(Pump and Treat)技术为主。抽出处理技术是将地下水从污染区域的抽出井中抽出，在异地修复之后再灌回原来的位置。由于毛细张力的作用，部分有机污染物几乎无法从泵中抽出，导致异位修复不能去除全部的地下水污染物。此外，异位修复技术存在对土壤结构破坏大，修复成本高，“回弹”“反扩散”和“拖尾”效应严重等不足。地下水原位修复技术基本不破坏土壤介质和地下水的自然环境，对各种污染物，包括氯代烃类溶剂、石油烃、多环芳烃等都具有良好的修复效果。

地下水原位修复技术中的原位化学氧化技术具有修复周期短、成本适中、可同时处理多种污染物、处理效率较高和处理效果彻底等优点，在污染地下水的修复中具有广阔的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种模拟有机物污染的地下水原位修复的实验装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本公开的一个方面的实施例，提供了一种模拟有机物污染的地下水原位修复的实验装置，其特征在于，包括：容器，上述容器的内部设有修复区，上述修复区包括模拟实际土壤介质和模拟地下水；地下管井系统，包括设置于上述修复区的多个电极管，每个电极管位于模拟地下水位以下的部位设有多个第一通孔；供气系统，包括多个供气单元，每个供气单元包括：导气管，插入到上述电极管中，上述导气管与上述电极管的第一通孔平齐的部位设有多个第二通孔；以及电解系统，包括多个电解单元，每个电解单元包括：膜阴极，在上述第二通孔处包覆在上述导气管的外部；以及阳极，在上述电极管的内部环绕上述膜阴极设置，上述阳极与膜阴极协作对通过上述导气管传输的原始气体进行膜接触电催化并生成氧化剂，上述氧化剂通过上述第一通孔输送到上述地下水中，以对上述地下水中的有机污染物进行降解。

根据本公开的实施例，上述容器的内部设有位于上述修复区两侧的进水区和出水区，上述进水区适用于向上述修复区布水，上述出水区适用于排出被修复的地下水，上述地下水从上述进水区经上述修复区流动到上述出水区。

根据本公开的实施例，上述地下管井系统还包括：多个抽水管，分别设置于上述电极管的下游，以抽取由上述电极管修复的地下水；多个注水管，分别设置于上述电极管的上游；位于至少一个电极管下游的多个上述抽水管抽出的地下水混合后注入位于上述至少一个电极管上游的多个上述注水管，使得上述地下水在上述至少一个电极管的上游和下游之间循环流动。

根据本公开的实施例，上述地下管井系统还包括：多个监测管，分别设置于上述地下水的不同流动截面上，以监测上述修复区中的地下水的水质变化。

根据本公开的实施例，上述每个供气单元还包括：曝气针，插入到上述导气管中，以向上述导气管中输送原始气体。

根据本公开的实施例，还包括：进水隔板，设置于上述进水区和上述修复区之间，上述进水隔板上设置有多个第三通孔，上述进水隔板靠近上述修复区的一侧设置有第一尼龙筛网；以及出水隔板，设置于上述出水区和上述修复区之间，上述出水隔板上设置有多个第四通，上述出水隔板靠近上述修复区的一侧设置有第二尼龙筛网。

根据本公开的实施例，上述电极管、上述抽水管、上述注水管和上述监测管中的每一个由上到下依次分别包括伸出上述砂层的伸出端、穿过上述砂层并部分地延伸到上述模拟地下水水位以下的给水管段、设置有通孔并位于上述模拟地下水水位以下的筛管段和适用于聚积沉沙的沉沙管段。

根据本公开的实施例，上述筛管段的长度是上述电极管、上述抽水管、上述注水管或上述监测管任意之一的总长度的0.1～0.4倍；上述沉沙管段的长度是上述电极管、上述抽水管、上述注水管或上述监测管任意之一的总长度的0.0～0.2倍。

根据本公开的实施例，上述膜阴极由含碳导电材料和多孔疏水层组成，其中，上述含碳的导电材料包括碳布、碳毡、碳纤维中的任意一种，上述多孔疏水层为聚四氟乙烯。

根据本公开的实施例，上述阳极的材料包括钛板、含钌或铱镀层的钛板中的任意一种。

本公开上述实施例提供的模拟有机物污染的地下水原位修复的实验装置，通过电催化过程中在膜阴极的表面连续微量地产生强氧化剂，避免了局部氧化剂浓度过高，缓解了氧化剂自分解问题。

附图说明

图1为根据本公开的一种示例性实施例的模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置的剖面示意图；

图2为根据本公开的一种示例性实施例的模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置的地下管井系统的布置方式示意图；

图3为根据本公开的一种示例性实施例的模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置的地下管井系统的电极管、抽水管、注水管或监测管任意之一的示意图；以及

图4为根据本公开的一种示例性实施例的模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置的电解单元的剖视图。

附图标记：

1-容器；2-修复区；3-电极管；4-第一通孔；5-导气管；6-第二通孔；7-膜阴极；8-阳极；9-进水区；10-出水区；11-抽水管；12-注水管；13-监测管；14-曝气针；15-进水隔板；16-第三通孔；17-第一尼龙筛网；18-出水隔板；19-第四通孔；20-第二尼龙筛网；21-给水管段；22-筛管段；23-沉沙管段。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

申请人首先在此说明，在整篇说明书中，包括以下介绍的实施例以及权利要求书的权利要求中，有关方向性的名词均以图式中的方向为基准。其次，在以下将要介绍的实施例以及图式中，相同的间标号，代表相同或近似的组件或其结构特征。

原位化学氧化技术通过向地下水输送化学氧化剂，利用氧化剂与污染物的反应有效地破坏污染物，降低其对环境的危害。传统原位化学氧化通常以注射液体或投加固体商用氧化剂来去除污染物。由于土壤介质不均匀、地下水流速缓慢、氧化剂活性高、反应快，传统原位化学氧化技术中氧化剂迁移距离受限，需设置密集的氧化剂投加点，反复多次投加。此外，传统原位化学氧化修复过程中氧化剂投加量大，引起剧烈反应而释放大量的气体和热量，导致大量氧化剂自分解。

根据本公开一方面总体上的发明构思，提供了一种模拟有机物污染的地下水原位修复的实验装置。所述实验装置包括：容器，容器内部设有修复区，修复区包括模拟土壤介质和模拟地下水；地下管井系统，包括设置于修复区的多个电极管，每个电极管插入到地下水位以下的部位设有多个第一通孔；供气系统，包括多个供气单元，每个供气单元包括：导气管，导气管插入电极管中，导气管与电极管的第一通孔平齐的部位设有多个第二通孔；以及电解系统，包括多个电解单元，每个电解单元包括：膜阴极，在第二通孔处包覆在导气管外部；以及阳极，在电极管的内部环绕膜阴极设置，导气管传输的原始气体在膜阴极进行膜接触电催化并生成强氧化剂，氧化剂通过第一通孔输送到地下水中，以降解地下水中的有机污染物。

本公开上述实施例提供的模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置，通过电催化过程中在膜阴极表面连续微量地产生强氧化剂，避免了局部氧化剂浓度过高，缓解了氧化剂自分解问题。此外，气体的传质速率与传质界面的大小以及该气体在到达侧的反应速率成正比，而膜接触电催化过程中电还原过程快速还原到达侧的气体，同时多孔疏水膜又为原始气体提供较大的气液传质界面，极大地提高了原始气体的传质效率，进而达到提高气体利用率和修复效率的目的。

图1示意性地示出了根据本公开的一种示例性实施例的模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置的剖面示意图；图2为根据本公开的一种示例性实施例的模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置的地下管井系统的布置方式示意图；图4为根据本公开的一种示例性实施例的模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置的电解单元的剖视图。

请参照图1、2和4所示，根据本公开的一些示例性实施例的模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置包括容器1、地下管系统、供气系统和电解系统。容器1的内部设有修复区2，修复区2包括模拟土壤介质和模拟地下水。地下管井系统包括设置于修复区2的多个电极管3，每个电极管3插入到模拟地下水水位以下的部分部位设有多个第一通孔4。供气系统包括多个供气单元，每个供气单元包括插入到电极管3中的导气管5，导气管5的与电极管3的第一通孔4平齐的部位设有多个第二通孔6。电解系统包括多个电解单元，每个电解单元包括：在第二通孔6处包覆在导气管5外部的膜阴极7；以及在电极管3的内部环绕膜阴极7设置的阳极8，阳极8与膜阴极7协作对通过导气管5传输的原始气体进行膜接触电催化并生成氧化剂，氧化剂通过第一通孔4输送到地下水，以降解地下水中有机物。通过膜接触电催化过程在膜阴极的表面连续微量地产生强氧化剂，避免了局部氧化剂浓度过高，有效缓解了氧化剂自分解问题。此外，气体的传质速率与传质界面的大小以及该气体在到达侧的反应。速率成正比，而膜接触电催化过程中电还原过程快速还原到达侧的气体，同时多孔疏水膜又为原始气体提供较大的气液传质界面，极大地提高了原始气体的传质效率，进而提高气体利用率和污染修复效率。

在本公开的一些实施例中，容器1中有修复区2、进水区9和出水区10。进水区9适用于向修复区提供模拟地下水，出水区10适用于排出已修复的地下水。进水区9和出水区10分别各自通过管路连接一个马氏瓶，以控制修复区2内上下游水位。所述进水区2的长为74.8cm，宽为45cm；进水区9的长为12cm，宽为45cm；出水区10的长为12cm，宽为45cm。

在本公开的一些实施例中，模拟有机物污染地下水原位修复的实验装置还包括：进水隔板15，设置于进水区9和修复区2之间，进水隔板15上设置有多个第三通孔16(孔直径为1mm)。进水隔板15在修复区2的一侧设置有第一尼龙筛网17；出水隔板18，设置于出水区10和修复区2之间，出水隔板18上设置有多个第四通孔19(孔直径为1mm)，出水隔板18在修复区2的一侧设置有第二尼龙筛网20。进水隔板15和出水隔板18的设置分别是为了实现均匀布水和均匀出水。第一尼龙筛网17(200目)和第二尼龙筛网20(200目)的设置是为了防止模拟土壤介质堵塞进水隔板15和出水隔板18中的任意一个。

在本公开的一些实施例中，供气系统还包括鼓风机、臭氧发生器中的任意一种。其中，鼓风机提供的原始气体为空气，空气中的氧气在膜阴极7被还原为H₂O₂；臭氧发生器提供的原始气体为O₂和O₃的混合气体，混合气体中的O₂在膜阴极7被还原为H₂O₂，在O₃催化下，转化为自由基。

在本公开的一些实施例中，参照图4所示，每个供气单元还包括：曝气针14，插入到导气管5中，以向导气管5中输送原始气体。原始气体通过曝气针14进入导气管5，通过导气管5的第二通孔6到达膜阴极7，经过膜接触电催化氧化过程生成强氧化剂。其中，导气管5的直径为1cm。

在本公开的一些实施例中，地下管井系统还包括：多个抽水管11，设置于电极管3的下游；多个注水管12，设置于电极管3的上游；位于至少一个电极管3下游的多个抽水管11抽出的地下水混合后注入位于至少一个电极管3上游的多个注水管12，使得地下水在至少一个电极管3的上游和下游之间循环流动。所述循环流动可以加快地下水的流速，增加地下水的循环扰动和膜接触电催化氧化技术产生的氧化剂的迁移距离，以缓解由土壤介质不均匀导致的氧化剂难迁移的问题。

在本公开的一些实施例中，监测管13能够作为抽水管11或注水管12，抽水管11能够作为监测管13和注水管12，注水管12能够作为监测管13和抽水管11，电极管3能够作为注水管12。其中，注水管12设置于抽水管11的上游。电极管3、抽水管11、注水管12和监测管13的制备材料为聚氯乙烯(PVC)材质，且在电极管3、抽水管11、注水管12和监测管13的外侧包覆有200目的高密度尼龙筛网。

在本公开的一些实施例中，参见图2，电极管3采用正三角形的形式布置，均分布于边长为18cm的正三角形的顶点，抽水管11位于距离该抽水管11最近的3个电极管3构成的同一平面内的正三角形的面心；注水管12位于距离该主水管12最近的3个电极管3构成的同一平面内的正三角形的面心。参照图2所示，地下管井系统包括8个标号依次为3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h的电极管3、20个标号依次为13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g、13h、13i、13j、13k、13l、13m、13n、13o、13p、13q、13r、13t的监测管13、4个标号依次为11a、11b、11c和11d的抽水管11和6个标号依次为12a、12b、12c、12d、12e、12f的注水管12。其中，标号为11a和11b的抽水管11抽出的水混合后注入标号为12a、12b和12c的注水管12，构成一个循环流动；标号为11c和11d的抽水管11抽出的水混合后注入标号为12d、12e和12f的注水管12，构成一个循环流动。以设计场地左下角为坐标(0，0)点，地下管井系统中的标号依次为3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h的电极管3，20个标号依次为13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g、13h、13i、13j、13k、13l、13m、13n、13o、13p、13q、13r、13t的监测管13，4个标号依次为11a、11b、11c和11d的抽水管11和6个标号依次为12a、12b、12c、12d、12e、12f的注水管12的平面坐标(x，y)列于表1中。

表1

在本公开的一些实施例中，电极管3的直径包括0.05～5m；抽水管11、注水管12或监测管13任意之一的直径包括10mm～160mm。

在本公开的一些实施例中，电极管3的直径为5cm；抽水管11、注水管12和监测管13的直径为12mm。电极管3、抽水管11、注水管12和监测管13的长度为50cm。

在本公开的一些实施例中，参照图3所示，电极管、抽水管、注水管和监测管中的每一个由上到下依次分别包括伸出砂层的伸出端、穿过砂层并部分地延伸到地下水以下的给水管段21、设有通孔并位于模拟地下水水位以下适用于取水的筛管段22和适用于聚积沉沙的沉沙管段23。其中，筛管段22的长度是电极管3、抽水管11、注水管12或监测管13任意之一的总长度的0.1～0.4倍；沉沙管段23的长度是电极管3、抽水管11、注水管12或监测管13任意之一的总长度的0.0～0.2倍。

根据本公开的实施例，伸出砂层的伸出端长为5cm、穿过砂层并部分地延伸到地下水位以下的给水管段21的长为24cm、设置有通孔并位于地下水位以下中筛管段22的长为17cm、适用于聚积沉沙的沉沙管段23的长度为4cm。电极管3、抽水管11、注水管12和监测管13的顶角斜度接近0°。

在本公开的一些实施例中，通过原位测定监测管13中水样的pH值、氧化还原电位、溶解氧、导电率和温度，监测修复过程中修复区2中的地下水的水质变化。通过定期采取监测管13中的水样，评估膜接触电催化原位修复地下水的修复效率。

在本公开的一些实施例中，膜阴极7电催化过程产生的氧化剂包括H₂O₂、自由基等中的至少一种。

根据本公开的实施例，膜阴极7由含碳导电材料和多孔疏水层组成，其中，含碳的导电材料包括碳布、碳毡、碳纤维中的任意一种，多孔疏水层为聚四氟乙烯。以及，阳极8的材料包括钛板、含钌或铱镀层的钛板中的任意一种。

在本公开的一些实施例中，膜阴极7由碳毡和聚四氟乙烯(PTFE)疏水膜组成。其中，碳毡的尺寸规格为：长为15cm，宽为3.64cm；聚四氟乙烯(PTFE)疏水膜的尺寸规格为：长为15cm，宽为3.64cm。阳极8由镀钌铱钛网组成的筒状电极，该筒状电极直径为3cm，长为17cm；组成该筒状电极的镀钌铱钛网的网孔长节距和短节距分别为3mm、6mm。其中膜阴极7和阳极8之间的距离为1cm。

本公开实施例提供的模拟有机物污染的地下水原位修复的实验装置在地下水处理的过程中以高级氧化过程为主，反应速率快、无选择性和矿化程度高；只需要供气提供的原始气体，不需要提供其它化学试剂，修复成本低，无二次污染；能够膜块化，便于根据实际污染物场地面积大小设计出合适的修复规模。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟有机物污染的地下水原位修复的实验装置，其特征在于，包括：

容器(1)，所述容器的内部设有修复区(2)，所述修复区包括模拟土壤介质和模拟地下水；

地下管井系统，包括设置于所述修复区的多个电极管(3)，每个电极管在地下水位以下的部分部位设有多个第一通孔(4)；

供气系统，包括多个供气单元，每个供气单元包括：导气管(5)，插入到所述电极管中，所述导气管与所述电极管的第一通孔平齐的部位设有多个第二通孔(6)；以及

电解系统，包括多个电解单元，每个电解单元包括：

膜阴极(7)，在所述第二通孔处包覆在所述导气管的外部；以及

阳极(8)，在所述电极管的内部环绕所述膜阴极设置，所述阳极与膜阴极协作对通过所述导气管传输的原始气体进行膜接触电催化并生成氧化剂，所述氧化剂通过所述第一通孔输送到所述地下水中，以对所述地下水中的有机污染物进行降解。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述容器内部设有位于所述修复区两侧的进水区(9)和出水区(10)，所述进水区适用于向所述修复区提供模拟地下水，所述出水区适用于排出已修复的地下水，所述地下水从所述进水区经所述修复区修复后通过出水区流出装置。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述地下管井系统还包括：

多个抽水管(11)，分别设置于所述电极管的下游，以抽取由所述电极管修复的地下水；

多个注水管(12)，分别设置于所述电极管的上游；

位于至少一个电极管下游的多个所述抽水管抽出的地下水混合后注入位于所述至少一个电极管上游的多个所述注水管，使得所述地下水在所述至少一个电极管的上游和下游之间循环流动。

4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述地下管井系统还包括：

多个监测管(13)，分别设置于所述地下水的不同流动截面上，以监测所述修复区中的地下水的水质变化。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述每个供气单元还包括：曝气针(14)，插入到所述导气管中，以向所述导气管中输送原始气体。

6.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，还包括：

进水隔板(15)，设置于所述进水区和所述修复区之间，所述进水隔板上设置有多个第三通孔(16)，所述进水隔板靠近所述修复区的一侧设置有第一尼龙筛网(17)；以及

出水隔板(18)，设置于所述出水区和所述修复区之间，所述出水隔板上设置有多个第四通孔(19)，所述出水隔板靠近所述修复区的一侧设置有第二尼龙筛网(20)。

7.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，

所述电极管、所述抽水管、所述注水管和所述监测管中的每一个由上到下依次分别包括伸出所述砂层的伸出端、穿过所述砂层并部分地延伸到所述地下水位以下的给水管段(21)、设置有通孔并位于所述地下水位以下适用于取水的筛管段(22)和适用于聚积沉沙的沉沙管段(23)。

8.根据权利要求7所述的实验装置，其特征在于，

所述筛管段的长度是所述电极管、所述抽水管、所述注水管或所述监测管任意之一的总长度的0.1～0.4倍；

所述沉沙管段的长度是所述电极管、所述抽水管、所述注水管或所述监测管任意之一的总长度的0.0～0.2倍。

9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述膜阴极由含碳导电材料和多孔疏水层组成，其中，所述含碳的导电材料包括碳布、碳毡、碳纤维中的任意一种，所述多孔疏水层为聚四氟乙烯。

10.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，

所述阳极材料包括钛板、含钌或铱镀层的钛板中的任意一种。

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