CN213701217U - 一种处理铬污染土壤的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于铬污染土壤处置技术领域，公开了一种处理铬污染土壤的装置。该装置包括：阳极室、阴极室、质子交换膜、导电材料和外接电阻，所述阴极室设置于所述阳极室的上部，所述阴极室的上部和下部均设置有开口，所述阳极室上部设置有开口，所述阳极室的下部为密封；所述阴极室的下部开口和所述阳极室的上部开口间设置有质子交换膜；所述阴极室包括阴极和过滤隔板；所述过滤隔板用于盛放六价铬污染土壤，所述阴极的下表面与盛放的六价铬污染土壤相接触；所述阳极室包括天然吸附材料层、厌氧消化污泥层和阳极。本实用新型在不需要额外的能量供应的条件下即可达到处理受六价铬污染土壤的目的。
Description
技术领域
本实用新型属于铬污染土壤处置技术领域，更具体地，涉及一种处理铬污染土壤的装置。
背景技术
六价铬由于其高毒性以及在土壤和地下水中的迁移性，对环境和人类健康构成巨大风险，六价铬污染已成为主要的环境污染问题。六价铬污染主要来自于电镀，水泥厂，钢铁生产厂，染料、油漆和颜料的制造，皮革和木材的防腐，金属涂饰和金属电镀，木材加工，造纸生产，氧化性染色以及垃圾填埋场废水的浸出。与惰性的三价铬相比，六价铬具有更高的溶解度和较高的氧化还原电位，在地表和地下水中的停留时间更长。六价铬是一种诱变剂、致癌物和致畸物，可以通过被污染的土壤和饮用水进入食物链，对人体的危害很大。如果人类长期暴露在六价铬环境中会导致胃部肿瘤、皮炎、肝肾损害。因此，六价铬污染对人类和生态系统构成了严重威胁。美国环境保护局已将六价铬确定为对人类健康造成最大威胁的17种化学物质之一，国际癌症研究机构(IARC)将六价铬化合物归类为人类致癌物。
在各种六价铬水溶液修复方法中，吸附法是最有前景的技术。决定吸附效率的关键参数包括吸附剂的性质和合成条件。之前的研究多集中在具有高吸附能力的吸附剂的合成上。例如，利用壳聚糖修饰的合成磁性颗粒吸附六价铬。尽管这些材料具有优异的六价铬吸附性能，但价格昂贵且合成过程复杂，更重要的是，吸附后的残留吸附剂通常会造成二次污染。
对于受六价铬污染的土壤，修复方法包括固化稳定化、化学还原、化学清洗、电修复、植物修复和微生物修复，然而这些修复方法普遍会造成不同程度的二次污染，且修复率不高。
因此，有必要提供一种经济环保且有效的处理铬污染土壤的装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种利用天然吸附材料和微生物燃料电池联合处理铬污染土壤的装置。六价铬在土壤和水体中具有很强的迁移性，本实用新型是结合天然吸附材料和微生物燃料电池的新型反应装置，在不需要额外的能量供应的条件下，达到处理受六价铬污染土壤的目的。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种处理铬污染土壤的装置，该装置包括：阳极室、阴极室、质子交换膜、导电材料和外接电阻，其中，
所述阴极室设置于所述阳极室的上部，所述阴极室的上部和下部均设置有开口，所述阳极室上部设置有开口，所述阳极室的下部为密封；所述阴极室的下部开口和所述阳极室的上部开口间设置有质子交换膜；
所述阴极室包括阴极和过滤隔板；所述过滤隔板设置于所述阴极室的下部开口上方，所述过滤隔板用于盛放六价铬污染土壤，所述阴极设置于所述阴极室的上部，所述阴极的下表面与盛放的六价铬污染土壤相接触；
所述阳极室包括天然吸附材料层、厌氧消化污泥层和阳极；所述阳极室的底部设置有所述厌氧消化污泥层，所述厌氧消化污泥层上部设置有所述天然吸附材料层，所述阳极浸没于所述厌氧消化污泥层内；
所述阴极与所述阳极通过所述导电材料连接，所述导电材料上设置有所述外接电阻。
优选地，所述厌氧消化污泥层和所述天然吸附材料层的厚度相同。进一步优选为，所述厌氧消化污泥层和所述天然吸附材料层的厚度均为1-5cm。
优选地，所述阴极为碳纤维布阴极，所述碳纤维布阴极的尺寸为(3.5～4.5cm)×(3.5～4.5cm)，碳纤维布的比表面积为200-300g/m2。
优选地，所述阳极为碳纤维毡阳极，所述碳纤维毡阳极的尺寸为(3.5～ 4.5cm)×(3.5～4.5cm)，碳纤维毡的比表面积为20-30g/m2。
优选地：
所述阴极室的材质为有机玻璃；
所述阴极室的横切面为正方形，所述阴极室的横切面尺寸为(8～10cm) ×(8～10cm)；
所述阴极室的高度为9.5-10.5cm；
所述阴极室的上部开口的横切面为正方形，所述阴极室的上部开口的横切面尺寸为(8～10cm)×(8～10cm)；
所述阴极室的有效容积为950-1050mL。
优选地：
所述阳极室的材质为有机玻璃；
所述阳极室的横切面为正方形，所述阳极室的横切面尺寸为(8～10cm) ×(8～10cm)；
所述阳极室的高度为9.5-10.5cm；
所述阳极室的上部开口的横切面为正方形，所述阳极室的上部开口的横切面尺寸为(8～10cm)×(8～10cm)；
所述阳极室的有效容积为950-1050mL。
优选地：
所述质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜，所述质子交换膜的尺寸为 (8～10cm)×(8～10cm)×(2.5-3.5cm)，孔径为0.2-0.3mm；
所述导电材料为钛丝；
所述外接电阻的电阻值为950Ω-1050Ω。
优选地，所述天然吸附材料层所用的天然吸附材料为梧桐叶。
优选地，所述阳极室的上部开口的侧壁上设置有导线管，所述导电材料通过所述导线管进入所述阳极室与所述阳极连接。
本实用新型的技术方案具有如下有益效果：
(1)本实用新型的装置与一般的微生物燃料电池装置相比，本实用新型的装置具有更好的产电性能，电压输出值提高了50％左右，使用过程中所形成的水体中六价铬去除率最大达到98％，土壤中六价铬去除率最高可达80％，且本实用新型的装置具有更高的六价铬耐受性，并且未产生有毒废渣。
(2)本实用新型的装置利用天然吸附材料的吸附作用和微生物电化学作用联合处理可同时去除土壤中的六价铬，与污染土壤直接浸出处理六价铬相比，土壤中六价铬去除率增加了35％，本实用新型的装置从土壤中去除六价铬的能力显著增强，大大提高了去除效果。
(3)本实用新型的装置有效地利用落叶来去除重金属污染物，实现了废弃物的资源化利用。
(4)本实用新型的装置可以在去除六价铬的同时产生生物电，且产电量高，在整个处理过程中都不需要额外的能量供应。
本实用新型的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本实用新型示例性实施方式进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本实用新型示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本实用新型提供的一种利用天然吸附材料和微生物燃料电池联合处理六价铬污染土壤的装置示意图。
其中，1为去离子水，2为阴极，3为六价铬污染土壤，4为过滤隔板， 5为质子交换膜，6为天然吸附材料层，7为厌氧消化污泥层，8为阳极，9 为导电材料，10为外接电阻，11为导线管。
具体实施方式
下面将更详细地描述本实用新型的优选实施方式。虽然以下描述了本实用新型的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本实用新型提供了一种处理铬污染土壤的装置，该装置包括：阳极室、阴极室、质子交换膜、导电材料和外接电阻，其中，
所述阴极室设置于所述阳极室的上部，所述阴极室的上部和下部均设置有开口，所述阳极室上部设置有开口，所述阳极室的下部为密封；所述阴极室的下部开口和所述阳极室的上部开口间设置有质子交换膜；
所述阴极室包括阴极和过滤隔板；所述过滤隔板设置于所述阴极室的下部开口上方，所述过滤隔板用于盛放六价铬污染土壤，所述阴极设置于所述阴极室的上部，所述阴极的下表面与盛放的六价铬污染土壤相接触；
所述阳极室包括天然吸附材料层、厌氧消化污泥层和阳极；所述阳极室的底部设置有所述厌氧消化污泥层，所述厌氧消化污泥层上部设置有所述天然吸附材料层，所述阳极浸没于所述厌氧消化污泥层内；
所述阴极与所述阳极通过所述导电材料连接，所述导电材料上设置有所述外接电阻。
在一个示例中，所述厌氧消化污泥层和所述天然吸附材料层的厚度相同。进一步优选为，所述厌氧消化污泥层和所述天然吸附材料层的厚度均为1-5cm。
在一个示例中，所述阴极为碳纤维布阴极，所述碳纤维布阴极的尺寸为(3.5～4.5cm)×(3.5～4.5cm)，碳纤维布的比表面积为200-300g/m2。
在一个示例中，所述阳极为碳纤维毡阳极，所述碳纤维毡阳极的尺寸为(3.5～4.5cm)×(3.5～4.5cm)，碳纤维毡的比表面积为20-30m2/g。
在一个示例中：
所述阴极室的材质为有机玻璃；
所述阴极室的横切面为正方形，所述阴极室的横切面尺寸为(8～10cm) ×(8～10cm)；
所述阴极室的高度为9.5-10.5cm；
所述阴极室的上部开口的横切面为正方形，所述阴极室的上部开口的横切面尺寸为(8～10cm)×(8～10cm)；
所述阴极室的有效容积为950-1050mL。
在一个示例中：
所述阳极室的材质为有机玻璃；
所述阳极室的横切面为正方形，所述阳极室的横切面尺寸为(8～10cm) ×(8～10cm)；
所述阳极室的高度为9.5-10.5cm；
所述阳极室的上部开口的横切面为正方形，所述阳极室的上部开口的横切面尺寸为(8～10cm)×(8～10cm)；
所述阳极室的有效容积为950-1050mL。
在一个示例中：
所述质子交换膜为全氟磺酸型质子交换膜，所述质子交换膜是尺寸为 (8～10cm)×(8～10cm)×(2.5-3.5cm)，孔径为0.2-0.3mm；
所述导电材料为钛丝；
所述外接电阻的电阻值为950Ω-1050Ω。
在一个示例中，所述天然吸附材料层所用的天然吸附材料为梧桐叶。
在一个示例中，所述阳极室的上部开口的侧壁上设置有导线管，所述导电材料通过所述导线管进入所述阳极室与所述阳极连接。在本实用新型中，具体为，所述导电材料的一端通过所述导线管进入所述阳极室并连接到所述阳极，所述导电材料的另一端穿过阴极室上部开口进入所述阴极室并连接到所述阴极。
本实用新型中，微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，可以通过电作用消耗有机底物并产生生物电。产电微生物在阳极表面生长，氧化有机物并产生质子和电子，然后这些质子和电子分别通过质子交换膜和外部电路转移到阴极。最后，质子和电子与阴极室中的电子受体结合，产生化学作用。
本实用新型中，利用天然材料作为吸附剂，成本低、合成简单且环境友好。在所有天然吸附材料中，树叶易于获得并且具有较好的六价铬吸附效果。落叶的数量多，是花园废物的重要组成部分。与锯末和树皮粉等其他生物材料相比，树叶更易于降解，替代用途更少。本实用新型中所用的梧桐叶除了有被阳极中的厌氧消化污泥消耗，产生大量电子和质子释放到溶液中的作用外，还作为天然吸附材料，对六价铬污染水中的六价铬污染进行吸附。
本实用新型中，所述厌氧消化污泥从污水处理厂收集，经浓缩和厌氧消化污泥中混合的厌氧细菌被驯化后，添加到阳极室中，在阳极室中氧化天然吸附材料中的有机物，并利用厌氧细菌对天然吸附材料中的有机物的氧化作用自动产生生物电。
本实用新型中，利用本实用新型装置处理土壤中六价铬过程中包含的氧化还原反应包括：将六价铬还原为三价铬的还原反应；厌氧细菌对梧桐叶天然吸附材料中的有机物的氧化反应。氧化反应与还原反应相互促进，显着提高了本实用新型装置的产电性能。
本实用新型中，通过天然吸附材料与微生物燃料电池的电化学复合作用还原六价铬产生的大量三价铬沉淀沉积在碳纤维布阳极中。碳纤维毡阳极比表面积大，耐热性能好，耐酸碱，具有良好的导电性能和化学稳定性，有利于污泥中微生物的栖息与繁殖。
本实用新型中，具体为，使用本实用新型装置时，去离子水通过阴极室上部开口进入阴极室，对阴极室中的六价铬污染土壤中的六价铬进行浸出，形成六价铬浸出水体，然后六价铬浸出水体通过质子交换膜流到阳极室。所述去离子水以150-250mL/s的速度通过阴极室上部连续添加到装置中，直到满足所述阴极室内的六价铬污染土壤与所述去离子水的质量比为 0.0015-0.0025，停止加水，进行铬污染土壤的处理。
本实用新型中，所述阴极室的下部开口和所述阳极室的上部开口为固定连接，所述固定连接可以通过任何方式实现，优选地，所述阴极室的下部开口和所述阳极室的上部开口通过夹紧装置固定连接。
下面结合图1，对本实用新型的一种处理铬污染土壤的装置作以详细说明。
所述碳纤维布阴极购自威海光威复合材料股份有限公司，型号为 GW046；
所述碳纤维毡阳极购自北京晶龙特碳石墨厂，型号为12-10012；
所述导电材料购自宝鸡利诺鑫金属材料有限公司，型号为006；
所述质子交换膜购自苏州晟尔诺科技有限公司，型号为N-117。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种处理铬污染土壤的装置，该装置包括：阳极室、阴极室、质子交换膜5、导电材料9和外接电阻10，其中，
所述阴极室设置于所述阳极室的上部，所述阴极室的上部和下部均设置有开口，所述阳极室上部设置有开口，所述阳极室的下部为密封；所述阴极室的下部开口和所述阳极室的上部开口间设置有质子交换膜5；
所述阴极室包括阴极2和过滤隔板4；所述过滤隔板4设置于所述阴极室的下部开口上方，所述过滤隔板4用于盛放六价铬污染土壤3，所述阴极2设置于所述阴极室的上部，所述阴极2的下表面与盛放的六价铬污染土壤 3相接触；所述阴极2为碳纤维布阴极，所述碳纤维布阴极的尺寸为4cm× 4cm，碳纤维布的比表面积为250g/m2。所述阴极室的材质为有机玻璃；所述阴极室的横切面为正方形，所述阴极室的横切面尺寸为10cm×10cm，所述阴极室的高度为10cm；所述阴极室的上部开口的横切面为正方形，所述阴极室的上部开口的横切面尺寸为8cm×8cm；所述阴极室的有效容积为1000mL。
所述阳极室包括天然吸附材料层6、厌氧消化污泥层7和阳极8；所述阳极室的底部设置有所述厌氧消化污泥层7，所述厌氧消化污泥层7上部设置有所述天然吸附材料层6，所述阳极8浸没于所述厌氧消化污泥层7内。所述阳极8为碳纤维毡阳极，所述碳纤维毡阳极的尺寸为4cm×4cm，碳纤维毡的比表面积为25g/m2。所述阳极室的材质为有机玻璃；所述阳极室的横切面为正方形，所述阳极室的横切面尺寸为10cm×10cm，所述阳极室的高度为10cm；所述阳极室的上部开口的横切面为正方形，所述阳极室的上部开口的横切面尺寸为8cm×8cm；所述阳极室的有效容积为1000mL。所述天然吸附材料层6所用的天然吸附材料为梧桐叶。所述厌氧消化污泥取自甘肃省某污水处理厂。本实施例，在阳极室中装入100.0g梧桐叶和 100mL厌氧消化污泥，所述厌氧消化污泥层和所述梧桐叶层的厚度均为1cm。
所述阴极2与所述阳极8通过所述导电材料9连接，所述导电材料9 上设置有所述外接电阻10。所述导电材料9为钛丝；所述外接电阻10的电阻值为1000Ω。
所述质子交换膜5为全氟磺酸型质子交换膜，所述质子交换膜5是尺寸为10cm×10cm×3cm，孔径为0.25mm；
所述阳极室的上部开口的侧壁上设置有导线管11，所述导电材料9通过所述导线管11进入所述阳极室与所述阳极8连接。
测试例
本实施例采用实施例1所述一种处理铬污染土壤的装置，对所述六价铬污染土壤进行处理。所述六价铬污染土壤取自甘肃某历史遗留铬污染场地，对所述六价铬污染土壤进行六价铬含量检测，六价铬含量为100mg/kg。厌氧消化污泥取自甘肃省某污水处理厂。本测试例中，在阴极室中装入500g 六价铬污染土壤。使用所述装置时，将去离子水以200mL/s的速度通过阴极室上部连续添加到装置中，直到满足所述阴极室内的六价铬污染土壤与所述去离子水的质量比为0.002，停止加水，进行铬污染土壤的处理。
采用实施例1的天然吸附材料和微生物燃料电池相结合的新型反应装置，系统反应30天，获得的最大电压为467mV，最大电流为200mA；所述六价铬侵出水体中六价铬去除率达到98％，六价铬污染土壤中六价铬去除率达80％；与一般的微生物燃料电池装置相比，电压输出值提高了50％；与六价铬污染土壤直接浸出处理相比，土壤中六价铬去除率增加了35％，大大提高了去除效果。
以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种处理铬污染土壤的装置，其特征在于，该装置包括：阳极室、阴极室、质子交换膜、导电材料和外接电阻，其中，
所述阴极室设置于所述阳极室的上部，所述阴极室的上部和下部均设置有开口，所述阳极室上部设置有开口，所述阳极室的下部为密封；所述阴极室的下部开口和所述阳极室的上部开口间设置有质子交换膜；
所述阴极室包括阴极和过滤隔板；所述过滤隔板设置于所述阴极室的下部开口上方，所述过滤隔板用于盛放六价铬污染土壤，所述阴极设置于所述阴极室的上部，所述阴极的下表面与盛放的六价铬污染土壤相接触；
所述阳极室包括天然吸附材料层、厌氧消化污泥层和阳极；所述阳极室的底部设置有所述厌氧消化污泥层，所述厌氧消化污泥层上部设置有所述天然吸附材料层，所述阳极浸没于所述厌氧消化污泥层内；
所述阴极与所述阳极通过所述导电材料连接，所述导电材料上设置有所述外接电阻。
2.根据权利要求1所述的处理铬污染土壤的装置，其特征在于，所述厌氧消化污泥层和所述天然吸附材料层的厚度相同。
3.根据权利要求2所述的处理铬污染土壤的装置，其特征在于，所述厌氧消化污泥层和所述天然吸附材料层的厚度均为1-5cm。
4.根据权利要求1或2所述的处理铬污染土壤的装置，其特征在于，所述阴极为碳纤维布阴极，所述碳纤维布阴极的尺寸为(3.5～4.5cm)×(3.5～4.5cm)，碳纤维布的比表面积为200-300g/m2。
5.根据权利要求1或2所述的处理铬污染土壤的装置，其特征在于，所述阳极为碳纤维毡阳极，所述碳纤维毡阳极的尺寸为(3.5～4.5cm)×(3.5～4.5cm)，碳纤维毡的比表面积为20-30m2/g。
6.根据权利要求1或2所述的处理铬污染土壤的装置，其特征在于：
所述阴极室的材质为有机玻璃；
所述阴极室的横切面为正方形，所述阴极室的横切面尺寸为(8～10cm)×(8～10cm)；
所述阴极室的高度为9.5-10.5cm；
所述阴极室的上部开口的横切面为正方形，所述阴极室的上部开口的横切面尺寸为(8～10cm)×(8～10cm)；
所述阴极室的有效容积为950-1050mL。
7.根据权利要求1或2所述的处理铬污染土壤的装置，其特征在于：
所述阳极室的材质为有机玻璃；
所述阳极室的横切面为正方形，所述阳极室的横切面尺寸为(8～10cm)×(8～10cm)；
所述阳极室的高度为9.5-10.5cm；
所述阳极室的上部开口的横切面为正方形，所述阳极室的上部开口的横切面尺寸为(8～10cm)×(8～10cm)；
所述阳极室的有效容积为950-1050mL。
8.根据权利要求1或2所述的处理铬污染土壤的装置，其特征在于，所述质子交换膜为全氟磺酸离子膜，所述质子交换膜的尺寸为(8～10cm)×(8～10cm)×(2.5-3.5cm)，孔径为0.2-0.3mm；
所述导电材料为钛丝；
所述外接电阻的电阻值为950Ω-1050Ω。
9.根据权利要求1或2所述的处理铬污染土壤的装置，其特征在于，所述天然吸附材料层所用的天然吸附材料为梧桐叶。
10.根据权利要求1或2所述的处理铬污染土壤的装置，其特征在于，所述阳极室的上部开口的侧壁上设置有导线管，所述导电材料通过所述导线管进入所述阳极室与所述阳极连接。
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| GR01 | Patent grant | ||
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