CN208772137U - 基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极、基于复合塑料导电电极的电动修复系统以及脱水固结系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极、基于复合塑料导电电极的电动修复系统以及脱水固结系统，包括1根或多根碳纤维导线和导电塑料电极主体；所述碳纤维导线镶嵌于所述导电塑料电极主体内，并贯穿所述导电塑料电极主体。本实用新型以碳纤维导线作为集流体，碳材料的相容性使碳纤维导线与导电塑料电极主体紧密结合；碳纤维的存在增加了复合塑料导电电极的机械强度，并且不会对环境造成二次污染。另外，本实用新型应用广泛，可用做电动修复的电极，用来对重金属污染的土壤、底泥进行修复；也可用作脱水固结的电极，用来对底泥进行脱水。

Description

基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极、基于复合塑料导电 电极的电动修复系统以及脱水固结系统

技术领域

本实用新型属于环境修复材料领域，具体为基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极、基于复合塑料导电电极的电动修复系统以及脱水固结系统。

背景技术

软土、泥浆、污泥和尾矿等高含水量、低渗透性的细颗粒介质，其排水固结比较困难，当被重金属污染时，更难以修复。电动力学修复是一种很有潜力的方法，1993年Acar和Alshawabkeh首次较为系统地解释了电动修复的原理，为该技术的发展起到了重要的推动作用。电动修复是对污染土壤施加直流电场，污染物通过电渗、电迁移、电泳等机制在电极区富集，再将污染物进行集中处理或分离。将电极插入污染土壤中,施加直流电后，电极之间形成直流电场，以土壤孔隙中的游离水或者外加电解质溶液作为导电介质，在电场作用下带电离子向相应的电极方向迁移，土壤孔隙中的溶液通过电渗向阴极迁移，污染物主要通过电迁移和电渗方式离开处理区，从而达到修复的目的。电动修复适用于低渗透性土壤、泥浆和疏浚污泥，可用于泥浆脱水固结，并可原位修复多种重金属污染土壤，如镉、汞、锌、铅、铜、砷、铬和放射性核素(镭、铯)等。

传统的电极体系中，阳极材料常用的有贵金属电极以及石墨电极，然而贵金属的材料成本较高，难以大规模应用于土壤重金属污染修复。而石墨的可加工性能差、机械强度低，作用深度有限。因此，电极材料的局限性使得电动修复技术一直未能广泛地应用于软土地基处理。

导电塑料是一种新兴的电极材料，它由塑料和导电的碳材料组成，具有成本低、耐腐蚀、可塑性强等优势，因此具有较好的应用价值和发展潜力。现有技术中，存在以铜线作为导线的导电塑料电极，然而该电极仍存在不足之处。一方面，由于金属材料与塑料、碳材料的性质不同，成型过程中铜线和导电塑料结合不够紧密，导致电极内阻升高，增大了电能损耗。另一方面，铜质导线应用于电动修复时，可能向环境中带入金属铜的二次污染。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极、基于复合塑料导电电极的电动修复系统以及脱水固结系统，该导电电极具有耐腐蚀、可塑性强、不会产生二次污染的优点。

本实用新型提供的基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极，包括1根或多根碳纤维导线和导电塑料电极主体；所述碳纤维导线镶嵌于所述导电塑料电极主体内，并贯穿所述导电塑料电极主体。

本实用新型中，导电塑料电极主体采用导电塑料制作，导电塑料指将塑料和碳材料混合后用塑料加工方式加工获得的复合材料；碳纤维导线是由碳纤维制成的导电芯体，具有质轻、抗拉强度大、电导率高、载流量大、耐腐蚀等特性。

为保证复合塑料导电电极的导电性和拉伸强度，碳纤维导线的直径优选为 2mm～5mm，电阻率优选为不高于2Ω·m。

作为优选，导电塑料电极主体为管状或板状。

当导电塑料电极主体为管状时，其外径为30mm～100mm，内径为20mm～80mm。

当导电塑料电极主体为管状时，导电塑料电极主体管壁上设有排水孔；排水孔孔径优选为4mm～10mm。

当导电塑料电极主体为管状时，碳纤维导线沿管状导电塑料电极主体的轴向贯穿导电塑料电极主体的管壁。

当导电塑料电极主体为板状时，其厚度为4mm～10mm。

当导电塑料电极主体为板状时，碳纤维导线沿板状导电塑料电极主体的长或宽的方向贯穿导电塑料电极主体。

基于上述复合塑料导电电极，本实用新型又提供了一种用于土壤重金属污染修复的电动修复系统，包括插入待修复土壤中的阳极和阴极、以及直流电源、真空泵；所述阳极和所述阴极均采用上述复合塑料导电电极；所述直流电源通过导线连接阳极和阴极的碳纤维导线；所述阳极和所述阴极分别连接一真空泵；连接阳极的真空泵，用来向阳极区域注水或重金属离子淋洗液；连接阴极的真空泵，用来抽出阴极区域的溶液。

基于上述复合塑料导电电极，本实用新型还提供了一种用于底泥脱水固结的脱水固结系统，包括插入待修复土壤中的阳极和阴极、以及直流电源、真空泵；所述阳极和所述阴极均采用上述复合塑料导电电极；所述直流电源通过导线连接阳极和阴极的碳纤维导线；所述阴极连接一真空泵，所述真空泵用来抽出阴极区域的溶液。

和现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)结构简单、质轻、导电性好、耐腐蚀、成本低，并且可塑性强，便于加工。

(2)以碳纤维导线作为集流体，碳材料的相容性使碳纤维导线与导电塑料电极主体紧密结合；碳纤维的存在增加了复合塑料导电电极的机械强度，并且不会对环境造成二次污染。

(3)应用广泛，可用做电动修复的电极，用来对重金属污染的土壤、底泥进行修复；也可用作脱水固结的电极，用来对底泥进行脱水。

(4)对重金属污染土壤的修复效果优异，对重金属Zn、Ni严重超标的土壤进行修复，去除率最高可达90％。

(5)对底泥的脱水效果优异，可将底泥含水量降低至30％以下。

附图说明

图1为实施例1中管状复合塑料导电电极的结构示意图；

图2为实施例1中管状复合塑料导电电极的排布俯视示意图；

图3为实施例2中板状复合塑料导电电极的结构示意图；

图4为实施例2中板状复合塑料导电电极脱水的排布俯视示意图；

图5为实施例3中管状复合塑料导电电极原位修复底泥的排布俯视示意图。

图中，1-管状导电塑料电极主体，2-碳纤维导线，3-排水孔，4-阳极，5-阴极，6- 板状导电塑料电极主体，7-土壤或底泥。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

下面将结合实施例进一步说明本实用新型的具体实施方式。

实施例1

本实施例拟在实验室用电动修复技术修复土壤重金属污染，待修复土壤中重金属Zn、Ni严重超标，Zn、Ni含量分别为525mg/kg、264mg/kg(以干重计)，待修复土壤的体积为0.5m²，修复区域长1m、宽1m、高0.5m。

本实施例采用图1所示的管状复合塑料导电电极作为电动修复的电极，来进行电动修复。该管状复合塑料导电电极包括2根直径为2mm的碳纤维导线2和一管状导电塑料电极主体1，管状导电塑料电极主体1的外径为40mm，内径为20mm。2根碳纤维导线2均匀分布于管状导电塑料电极主体1管壁内，并沿轴向贯穿管状导电塑料电极主体1的管壁。管状导电塑料电极主体1的管壁上沿管壁圆周方向和轴向均匀设置有若干直径为3mm的排水孔3，沿轴向的相邻排水孔3的间距为20mm。本实施例中，管状导电塑料电极主体1由包含聚乙烯、碳纤维、炭黑和石墨的复合材料制成。

取6根前述管状复合塑料导电电极，3根作为阴极，另3根作为阳极。用土工织物包裹管状复合塑料导电电极，以隔绝土壤颗粒进入管内。按照图2所示，将阳极4和阴极5进行排布，即，将阳极4和阴极5插入土壤，3个阳极4排出一列，3个阴极5也排出一列，相邻的阳极4间隔0.5m，相邻的阴极5间隔0.5m，相对的阳极4和阴极5 间的距离为1m。通过导线，将直流电源连接各阳极4和各阴极5的碳纤维导线2，并将阳极4和阴极5裸露在土壤外部的部分密封。另，阳极4和阴极5分别连接一真空泵，连接阳极4的真空泵，用来向阳极4的管状导电塑料电极主体1管内注水；连接阴极5 的真空泵，用来抽出通过电渗作用进入到阴极5的管状导电塑料电极主体1管内的溶液。

开始修复时，接通直流电源，打开真空泵，在阳极4和阴极5间施加200V/m的电压。修复过程中，重金属Zn、Ni从土壤中解离，以离子态形式随电渗流迁移到阴极5 的管状导电塑料电极主体1管内，并由真空泵抽出。修复进行10天～15天，之后，关闭直流电源和真空泵，检测土壤重金属含量。测定结果显示，经电动修复后，重金属污染土壤中的Zn、Ni的去除率分别为89％和81％，达到土壤环境质量二级标准。

实施例2

本实施例采用图3所示的板状复合塑料导电电极，将其应用于湖泊底泥的脱水固结。该板状复合塑料导电电极包括3根直径为2mm的碳纤维导线2和一板状导电塑料电极主体6，板状导电塑料电极主体6的边长100mm、厚6mm。3根碳纤维导线2均匀分布于板状导电塑料电极主体6内，并沿边长方向贯穿板状导电塑料电极主体6。本实施例中，板状导电塑料电极主体6由包含聚乙烯、碳纤维、炭黑和石墨的复合材料制成。

用土工织物包裹板状复合塑料导电电极，取若干前述板状复合塑料导电电极分别作为阳极4和阴极5，按照图4所示排布方式进行排布。将阳极4和阴极5插入湖泊底泥，排布成由一列阳极4、一列阴极5交替排列形成的电极阵列，同一阳极列中，相邻的阳极4间隔1m；同一阴极列中，相邻的阴极5也间隔1m；同一行中，相邻的阴极和阳极同样间隔1m。通过导线，将直流电源连接各阳极4和各阴极5的碳纤维导线2，并将阴极5裸露在土壤外部的部分密封，阴极5连接一真空泵，用来抽出阴极5区域的溶液。

开始脱水时，接通直流电源，打开真空泵，在阳极4和阴极5间施加100V/m的电压。脱水过程中，湖泊底泥孔隙中溶液因电渗作用，向阴极5迁移，并由真空泵抽出。脱水4天，湖泊底泥基本固结，其含水量降低至30％。

实施例3

本实施例采用管状复合塑料导电电极来原位修复河道底泥的重金属污染，待修复河道底泥中重金属包括Zn和Ni，含量分别为510mg/kg、125mg/kg(以干重计)，修复区域长100m、宽5m、深2m。

本实施例管状复合塑料导电电极，其结构可参见图1，包括4根直径为4mm的碳纤维导线2和一管状导电塑料电极主体1，管状导电塑料电极主体1的外径为60mm，内径为40mm。4根碳纤维导线2均匀分布于管状导电塑料电极主体1管壁内，并沿轴向贯穿管状导电塑料电极主体1的管壁。管状导电塑料电极主体1的管壁上沿管壁圆周方向和轴向均匀设置有若干直径为5mm的排水孔3，沿轴向的相邻排水孔3的间距为 50mm。本实施例中，管状导电塑料电极主体1由包含聚乙烯、碳纤维、炭黑和石墨的复合材料制成。

用土工织物包裹管状复合塑料导电电极，以隔绝土壤颗粒。取若干管状复合塑料导电电极分别作为阳极4和阴极5，按照图5所示排布方式进行排布。将阳极4和阴极5 插入河道底泥，排布成由一列阳极4、一列阴极5交替排列形成的电极阵列，同一阳极列中，相邻的阳极4间隔1m；同一阴极列中，相邻的阴极5也间隔1m；同一行中，相邻的阴极和阳极同样间隔1m。通过导线，将直流电源连接各阳极4和各阴极5的碳纤维导线2，并将阳极4和阴极5裸露在土壤外部的部分密封，阳极4和阴极5分别连接一真空泵。连接阳极4的真空泵，用来向阳极4的管状导电塑料电极主体1管内注水；连接阴极5的真空泵，用来抽出通过电渗作用进入到阴极5的管状导电塑料电极主体1 管内的溶液。

开始修复时，接通直流电源，打开真空泵，在阳极4和阴极5间施加200V/m的电压。修复过程中，重金属Zn、Ni从土壤中解离，以离子态形式随电渗流迁移到阴极5 的管状导电塑料电极主体1管内，并由真空泵抽出。修复过程进行15天，修复结束，关闭直流电源和真空泵，检测河道底泥重金属含量。测定结果显示，经修复后，河道底泥中Zn、Ni的含量分别降至122mg/kg、39mg/kg，去除率分别达到89％和81％。

上述实施例所述是用以具体说明本实用新型，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本实用新型的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本实用新型的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (10)

1.基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极，其特征是：

包括1根或多根碳纤维导线和导电塑料电极主体；

所述碳纤维导线镶嵌于所述导电塑料电极主体内，并贯穿所述导电塑料电极主体。

2.如权利要求1所述的基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极，其特征是：

所述碳纤维导线的直径为2mm～5mm，电阻率不高于2Ω·m。

3.如权利要求1所述的基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极，其特征是：

所述导电塑料电极主体为管状或板状。

4.如权利要求3所述的基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极，其特征是：

当导电塑料电极主体为管状时，其外径为30mm～100mm，内径为20mm～80mm。

5.如权利要求3所述的基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极，其特征是：

当导电塑料电极主体为管状时，导电塑料电极主体管壁上设有排水孔。

6.如权利要求3所述的基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极，其特征是：

当导电塑料电极主体为管状时，碳纤维导线沿管状导电塑料电极主体的轴向贯穿导电塑料电极主体的管壁。

7.如权利要求3所述的基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极，其特征是：

当导电塑料电极主体为板状时，其厚度为4mm～10mm。

8.如权利要求3所述的基于碳纤维集流体的复合塑料导电电极，其特征是：

当导电塑料电极主体为板状时，碳纤维导线沿板状导电塑料电极主体的长或宽的方向贯穿导电塑料电极主体。

9.基于复合塑料导电电极的电动修复系统，用于土壤重金属污染修复，其特征是：

包括插入待修复土壤中的阳极和阴极、以及直流电源、真空泵；

所述阳极和所述阴极均采用权利要求1～8中任一项所述的复合塑料导电电极；

所述直流电源通过导线连接阳极和阴极的碳纤维导线；

所述阳极和所述阴极分别连接一真空泵；

连接阳极的真空泵，用来向阳极区域注水或重金属离子淋洗液；

连接阴极的真空泵，用来抽出阴极区域的溶液。

10.基于复合塑料导电电极的脱水固结系统，用于底泥脱水固结，其特征是：

包括插入待修复土壤中的阳极和阴极、以及直流电源、真空泵；

所述阳极和所述阴极均采用权利要求1～8中任一项所述的复合塑料导电电极；

所述直流电源通过导线连接阳极和阴极的碳纤维导线；

所述阴极连接一真空泵；

所述真空泵用来抽出阴极区域的溶液。