CN207081726U - 一种土壤热修复可行性模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

一种土壤热修复可行性模拟实验装置，属于土壤污染修复领域。实验装置包括从上游到下游依次管道连接的进气预处理装置、加热装置、冷凝装置、尾气处理装置以及出气输送装置。通过设定温度、热修复时间、抽提速率等参数，可对不同程度的污染土壤进行热修复，尤其可以对高浓度、高沸点污染物等重度污染的土壤进行修复。并且可以通过分析实验过程中产生的冷凝污染物和吸附收集污染物，并测定实验前后的土壤中目标污染物的组分和含量，同时避免高沸点重度污染土壤热修复时，因冷凝产生较多固体物质致使管道或设备堵塞造成的安全隐患，考察优化污染土壤热修复的可行性，对实际污染场地热修复工程的技术和参数具有非常重要的指导意义。

Description

一种土壤热修复可行性模拟实验装置

技术领域

本实用新型属于土壤污染修复领域，具体涉及一种土壤热修复可行性模拟实验装置。

背景技术

为切实加强土壤污染防治，改善土壤环境质量，2016年《土壤污染防治行动计划》的出台，标志着我国土壤修复具有里程碑意义。当前，我国土壤环境总体状况堪忧，部分地区污染较为严重。与水体和大气污染相比，土壤污染具有相对隐蔽性、滞后性和难可逆性，土壤污染仅仅依靠切断污染源的方法很难修复。因此，土壤修复的成本高、周期长、难度大，并且目前土壤修复技术落后，技术应用不规范，给土壤修复都带来了诸多问题。

土壤原位热修复技术是我国刚引进的土壤修复技术，可去除多种有机污染物和加热蒸发形成的气态物质等优势。土壤原位热修复又称原位热强化气相抽提技术，利用加热设备加热土壤温度，将土壤中污染物转化为气态从土壤中抽提出来，将尾气收集后进行处理。原位热修复现场工程主要包括加热系统、抽提系统、冷凝系统和尾气处理系统，从而达到高效修复污染土壤目的。

由于土壤环境的非均质性和隐蔽性，对于不同区域的土壤，污染状况、程度和分布均有很大不同，导致土壤原位热修复工程的技术参数差异较大。因此在实际工程中技术参数的研究，就需要一种运行成本低、安全可靠的污染土壤热修复可行性模拟实验装置，对实际污染场地热修复工程的技术和参数具有非常重要指导意义。

实用新型内容

解决的技术问题：本实用新型的目的在于提供一种土壤热修复可行性模拟实验装置。通过设定温度、热修复时间、抽提速率等参数，可对不同程度的污染土壤进行热修复，尤其可以对高浓度、高沸点污染物等重度污染的土壤进行修复。并且可以通过分析实验过程中产生的冷凝污染物和吸附收集污染物，并测定实验前后的土壤中目标污染物的组分和含量，同时避免高沸点重度污染土壤热修复时，因冷凝产生较多固体物质致使管道或设备堵塞造成的安全隐患，考察优化污染土壤热修复的可行性，对实际污染场地热修复工程的技术和参数具有非常重要的指导意义。

技术方案：一种土壤热修复可行性模拟实验装置，所述装置包括从上游到下游依次管道连接的进气预处理装置、加热装置、冷凝装置、尾气处理装置以及出气输送装置；

所述进气预处理装置包括依次管道连接的空气压缩机、气体流量调节计a和气体控制阀门a；

所述加热装置包括加热设备、热反应器、热电偶温度计和气体控制阀门b，热反应器设于加热设备内部，热反应器的顶部与气体控制阀门a管道连接，热电偶温度计穿过加热设备的顶部伸入热反应器内，所述气体控制阀门b与热反应器的顶部管道连接；

所述冷凝装置包括依次管道连接的一级冷凝装置、冷凝管、泵、冰水浴恒温箱和二级冷凝装置，所述一级冷凝装置顶部与气体控制阀门b管道连接，所述冷凝管设于二级冷凝装置顶部，与一级冷凝装置顶部管道连接，所述冷凝管的外端连接有泵和冰水浴恒温箱，所述冰水浴恒温箱中装水并混有冰块、蓝冰和冰盐中的至少一种，泵从冰水浴恒温箱的底部抽出的冷凝水进入冷凝管的下端口，从冷凝管的上端口流出，最后进入冰水浴恒温箱形成循环冷凝体系；

所述尾气处理装置包括活性炭瓶，所述活性炭瓶下进口与二级冷凝装置的上出口管道连接；

所述出气输送装置包括气体流量计b和真空泵，所述气体流量计b进气口与活性炭瓶的上出口管道连接，出气口与真空泵管道连接。

作为优选，所述加热设备为干燥箱或者马弗炉。

作为优选，所述加热设备顶部设有进气孔、出气孔和热电偶插孔，所述热反应器包括热反应器槽和热反应器盖，热反应器槽和热反应器盖的边沿相对应的位置设有中心对称的螺纹孔，所述热反应器盖的顶端与加热设备对应的位置设有进气孔、出气孔和热电偶插孔。

作为优选，所述热电偶温度计为K型或J型热电偶。

作为优选，所述一级冷凝装置顶部与热反应器的顶部连接的管道外壁和一级冷凝装置的顶部与冷凝管上进口连接的管道外壁靠近一级冷凝装置1～20cm处包裹加热保温带，所述加热保温带为硅胶加热保温带或者玻璃纤维加热保温带。

作为优选，空气压缩机产生的气压范围为0～1400KPa，流速为0～300mL/min；泵抽水流速为0～150mL/min；真空泵绝对压力范围为10～150KPa，通气速率为0～150mL/min。

作为优选，所述泵为往复泵、隔膜泵、蠕动泵或者活塞泵。

作为优选，所述气体控制阀门a和气体控制阀门b为球阀或旋塞阀。

作为优选，所述一级冷凝装置为无色透明的双口瓶，瓶口竖直向上；所述二级冷凝装置为无色透明抽滤瓶或者双口瓶；所述冷凝管为直形冷凝管或者球形冷凝管。

作为优选，所述活性炭吸附瓶中活性炭为活性炭粉、颗粒活性炭、活性炭包和活性炭网中的一种或多种。

有益效果：1、通过加热装置，可将目标物质容易受热形成的蒸汽或挥发性气体，有利于土壤中目标物质的分离。

2、通过进气预处理装置和出气输送装置，有利于将分离的蒸汽或挥发性气体带入到冷凝装置和尾气处理装置中，另外可根据不同污染物需求将空气载体更换为其它惰性气体。

3、一级冷凝装置主要为室温下的冷凝缓冲瓶，大多数蒸汽在一级冷凝装置瓶降温，也可直接冷凝为液态或固态，部分沸点较低的物质在二级冷凝装置瓶进一步冷凝为液态，冷凝瓶的进出口均配有加热保温带。因此该冷凝系统有利于将蒸汽冷凝转化为固态或液态，方便收集和处理，并且避免设备或管道因固体冷凝而导致堵塞。

4、尾气处理装置通过配备一个或多个活性炭瓶，有利于将残余的挥发性气体完全进行收集和处理。

本实用新型所述实验装置将进气预处理装置、加热装置、冷凝装置、尾气处理装置和出气输送装置协同作用，实现了污染物分离、回收和处理，从而达到高效修复污染土壤的目的，适用于研究不同污染状况、程度和分布的不同区域的土壤。由于高沸点重度污染土壤热修复时，会因冷凝产生较多固体物质致使管道或设备堵塞，从而导致存在的设备损坏或爆炸的安全隐患，该土壤热修复可行性模拟实验装置可顺利解决相关隐患，污染土壤修复浓度范围为0-1000000mg/kg。相对于实际工程，该实验装置运行周期短，并可进行批量的实验。因此，在实际工程中技术参数的研究，该发明的实验装置是一种运行成本低、安全可靠的污染土壤热修复可行性模拟实验装置，对实际场地热修复工程技术和参数具有非常重要指导意义。

附图说明

图1为本实用新型所述装置结构示意图；

图2为土壤热修复前后的16种多环芳烃浓度(mg/kg)对照图。

图中：1.空气压缩机；2.气体流量调节计a；3.加热设备；4.热反应器；5.热电偶温度计；6.气体控制阀门a；7.气体控制阀门b；8.一级冷凝装置；9.二级冷凝装置；10.冷凝管；11.泵；12.冰水浴恒温箱；13.活性炭瓶；14.气体流量调节计b；15.真空泵；16.加热保温带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

实施例1

一种土壤热修复可行性模拟实验装置，参照图1，所述装置包括从上游到下游依次管道连接的进气预处理装置、加热装置、冷凝装置、尾气处理装置以及出气输送装置。

所述进气预处理装置包括依次管道连接的空气压缩机1、气体流量调节计a 2和气体控制阀门a 6。气体流量调节计a 2调节进气流速为30mL/min。

所述加热装置包括加热设备3、热反应器4、热电偶温度计5和气体控制阀门b 7，热反应器4设于加热设备3内部，热反应器4的顶部与气体控制阀门a 6管道连接，热电偶温度计5穿过加热设备3的顶部伸入热反应器4内，所述气体控制阀门b 7与热反应器4的顶部管道连接。

所述加热设备3选用马弗炉。马弗炉顶部中心需设有直径45mm的孔，提供进气管、出气管及热电偶等通入马弗炉内部与热反应器4连接。

热反应器4选择碳钢材质，厚度为5mm。热反应器4由热反应器槽和热反应器盖组成，放置于马弗炉内部，热反应器盖上需设有进气孔直径为6mm、出气孔直径为12mm和热电偶插孔直径为3mm。热反应器槽和热反应器盖的边沿需有对称的10-16个直径为6mm螺纹孔，用相对应的螺母密封反应器，热反应器4的密封圈选用石墨垫片。

热电偶温度计5使用K型热电偶，热电偶温度计1台，热电偶2根。其中1根热电偶接入热反应器内部与土壤接触，测定土壤实时温度；另1根热电偶测定马弗炉内部或热反应器外壁的实时温度。

所述冷凝装置包括依次管道连接的一级冷凝装置8、冷凝管10、泵11、冰水浴恒温箱12和二级冷凝装置9，所述一级冷凝装置8顶部与气体控制阀门b 7管道连接，所述冷凝管10设于二级冷凝装置9顶部，与一级冷凝装置8顶部管道连接，所述冷凝管10的外端连接有泵11和冰水浴恒温箱12，所述冰水浴恒温箱12中装水并混有冰块、蓝冰和冰盐中的至少一种，泵11从冰水浴恒温箱12的底部抽出的冷凝水进入冷凝管10的下端口，从冷凝管10的上端口流出，最后进入冰水浴恒温箱12形成循环冷凝体系。

一级冷凝装置8选用无色透明的双口瓶，瓶口竖直向上。二级冷凝装置9选用无色透明抽滤瓶，二级冷凝装置9所使用的冷凝管10为直形冷凝管管。冰水浴恒温箱12的冷凝水进入冷凝管10的下端口，然后从冷凝管10上端口流出，最后进入冰水浴恒温箱12，形成循环冷凝体系。连接冷凝装置各设备的导管外围用保温套包覆。所述一级冷凝装置8顶部与马弗炉顶部连接的管道外壁和一级冷凝装置8的顶部与冷凝管10上进口连接的管道外壁靠近一级冷凝装置8 1～20cm处包裹加热保温带，所述加热保温带选用硅胶加热保温带，用于对管道加热保温。所述空气压缩机1产生的气压范围为0～1400KPa，流速控制为30mL/min。泵11选择蠕动泵，抽水流速为100mL/min。真空泵15绝对压力范围为10～150KPa，通气流速控制为32mL/min。冰水浴恒温箱12的容量为50L，投放冰水和蓝冰。气体控制阀门a 6和气体控制阀门b 7选用球阀。

所述尾气处理装置包括活性炭瓶13，活性炭瓶13选用活性炭粉和活性炭网组装，串联安装3个活性炭瓶，相邻活性炭瓶上出口和下进口管道连接，左侧活性炭瓶下进口与二级冷凝装置9上出口连接。

所述出气输送装置包括气体流量调节计b 14和真空泵15，所述气体流量调节计b14进气口与右侧活性炭瓶的上出口管道连接，出气口与真空泵15管道连接。气体流量调节计b 14调节出气流速为32mL/min。

气体流量调节计a 2连接热反应器4进气孔的进气管和热反应器4出气孔连接一级冷凝装置8的出气管为不锈钢管，其它均为硅胶管。进气管不锈钢管外径为6mm，出气管不锈钢管外径为12mm，硅胶管外径为9mm。

将上述模拟实验设备搭建完成后，进行气密性检验，所有管道连接处和设备均无气体泄漏。取含有16种多环芳烃关注污染物的重度污染土壤进行可行性热修复研究实验，主要步骤如下：

(1)将污染土壤通过2目筛网混匀，混匀后取1000g装入热反应器4中，取少量土壤测定污染物浓度和含水率等理化性质。

(2)将热反应器4放入马弗炉内，连接进气管、出气管和热电偶温度计5，关闭球阀，打开气体流量调节计a 2检测气密性。

(3)气密性检查完好后，设定目标温度设定为400℃，进气流速为30mL/min，出气流速为32mL/min，开启实验。

(4)待热修复时间为60h后，停止实验，打开装置，取土壤样品，分析热修复后土壤中多环芳烃浓度。

该污染土壤的密度为1.52g/cm³，含水率为30.6％。土壤中多环芳烃的测定依据标准HJ784-2016《土壤和沉积物多环芳烃的测定高效液相色谱法》。

污染土壤热修复处理前后的16种多环芳烃各组分浓度对比见图2。热修复前土壤中16种多环芳烃总浓度173000mg/kg，热修复后16种多环芳烃总浓度7600mg/kg，去除效率96％。

土壤热修复前后冷凝瓶和活性炭瓶质量变化见表1。

表1土壤热修复前后冷凝瓶和活性炭瓶质量变化单位：g

16种多环芳烃由于熔沸点高，在室温下为固体。一级冷凝装置瓶中冷凝了所有的液体和固体，二级冷凝装置瓶中无冷凝物，有少量的气体被活性吸附。

Claims (10)

1.一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，所述装置包括从上游到下游依次管道连接的进气预处理装置、加热装置、冷凝装置、尾气处理装置以及出气输送装置；

所述进气预处理装置包括依次管道连接的空气压缩机（1）、气体流量调节计a（2）和气体控制阀门a（6）；

所述加热装置包括加热设备（3）、热反应器（4）、热电偶温度计（5）和气体控制阀门b（7），热反应器（4）设于加热设备（3）内部，热反应器（4）的顶部与气体控制阀门a（6）管道连接，热电偶温度计（5）穿过加热设备（3）的顶部伸入热反应器（4）内，所述气体控制阀门b（7）与热反应器（4）的顶部管道连接；

所述冷凝装置包括依次管道连接的一级冷凝装置（8）、冷凝管（10）、泵（11）、冰水浴恒温箱（12）和二级冷凝装置（9），所述一级冷凝装置（8）顶部与气体控制阀门b（7）管道连接，所述冷凝管（10）设于二级冷凝装置（9）顶部，与一级冷凝装置（8）顶部管道连接，所述冷凝管（10）的外端连接有泵（11）和冰水浴恒温箱（12），所述冰水浴恒温箱（12）中装水并混有冰块、蓝冰和冰盐中的至少一种，泵（11）从冰水浴恒温箱（12）的底部抽出的冷凝水进入冷凝管（10）的下端口，从冷凝管（10）的上端口流出，最后进入冰水浴恒温箱（12）形成循环冷凝体系；

所述尾气处理装置包括活性炭瓶（13），所述活性炭瓶（13）下进口与二级冷凝装置（9）的上出口管道连接；

所述出气输送装置包括气体流量计b（14）和真空泵（15），所述气体流量计b（14）进气口与活性炭瓶（13）的上出口管道连接，出气口与真空泵（15）管道连接。

2.根据权利要求1所述的一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，所述加热设备（3）为干燥箱或者马弗炉。

3.根据权利要求1所述的一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，所述加热设备（3）顶部设有进气孔、出气孔和热电偶插孔，所述热反应器（4）包括热反应器槽和热反应器盖，热反应器槽和热反应器盖的边沿相对应的位置设有中心对称的螺纹孔，所述热反应器盖的顶端与加热设备（3）对应的位置设有进气孔、出气孔和热电偶插孔。

4.根据权利要求1所述的一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，所述热电偶温度计（5）为K型或J型热电偶。

5.根据权利要求1所述的一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，所述一级冷凝装置（8）顶部与热反应器（4）的顶部连接的管道外壁和一级冷凝装置（8）的顶部与冷凝管（10）上进口连接的管道外壁靠近一级冷凝装置（8）1~20cm处包裹加热保温带，所述加热保温带为硅胶加热保温带或者玻璃纤维加热保温带。

6.根据权利要求1所述的一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，空气压缩机（1）产生的气压范围为0~1400 KPa，流速为0~300 mL/min；泵（11）抽水流速为0~150 mL/min；真空泵（15）绝对压力范围为10~150 KPa，通气速率为0~150 mL/min。

7.根据权利要求1或6所述的一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，所述泵（11）为往复泵、隔膜泵、蠕动泵或者活塞泵。

8.根据权利要求1所述的一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，所述气体控制阀门a（6）和气体控制阀门b（7）为球阀或旋塞阀。

9.根据权利要求1所述的一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，所述一级冷凝装置（8）为无色透明的双口瓶，瓶口竖直向上；所述二级冷凝装置（9）为无色透明抽滤瓶或者双口瓶；所述冷凝管（10）为直形冷凝管或者球形冷凝管。

10.根据权利要求1所述的一种土壤热修复可行性模拟实验装置，其特征在于，所述活性炭吸附瓶中活性炭为活性炭粉、颗粒活性炭、活性炭包和活性炭网中的至少一种。