CN106424117A - 铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤装置 - Google Patents
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Abstract
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤装置是在阴极室和阳极室之间设置有土壤室，阴极室、阳极室、土壤室和活性炭纤维室的容积比是3:3：5‑50：1，阴极电解液是铜盐，阳极电解液是柠檬酸‑柠檬酸钠缓冲液，在5‑50 V的电压下对重金属污染土壤实现36‑500小时的自动修复。本装置将铜盐作为阴极电解液促进电解过程中的电动效应，并将电动力学与阳离子交换膜技术相结合，保持电解时的土样pH值在一定酸性范围，通过pH控制调节系统和阴极电解液回流系统，提高了修复效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤重金属污染的修复装置，具体是一种以铜盐作为阴极电解液，将电动力学与阳离子交换膜技术集于一起的电动力学修复受重金属污染土壤的装置。
背景技术
土壤重金属的污染情况日益严重，而在污染土壤上种植农作物，这些污染物会通过食物链作用进入人体，日本的镉米事件就是一个鲜明的例子。因此，土壤系统中的重金属污染和防治一直是国际上的难点和热点研究课题。目前土壤重金属污染的修复技术主要有工程措施、物理化学方法、化学修复方法和植物修复方法。工程措施主要以挖掘填埋方式为主，即所谓的客土法，但这并不是一个永久措施，只是把环境问题从高危害区转移到低危害区，填埋法还存在占用土地、渗漏、污染周边环境等负面影响，因此在土壤修复中使用较少。
电动力学修复技术是以其可以有效的去除土壤中的有机和无机污染物，并且相比传统的土壤修复技术具有成本低、操作简单、接触毒害物质少、不易造成二次污染等优点，近年来在国内外发展的越来越快，同时也有一些实际应用的工程案例。电动力学修复技术的原理是在污染土壤两端加上低压直流电场，利用电场产生的电渗析、电迁移和电泳等电动效应，使水溶的或者吸附在土壤颗粒表层的污染物根据各自所带电荷的不同而向不同的电极方向运动，使污染物富集在电极区得到集中处理或分离。其中电渗析是土壤中的孔隙水在电场作用下从阴极向阳极方向流动，电迁移是带电离子向电性相反的电极方向迁移，电泳是土壤中带电胶体粒子的迁移运动。然而，由于电极反应会在阴极和阳极分别产生大量的OH-和H+，使得阴、阳极电解液的pH值分别升高和降低，如果没有外加限制，在OH-和H+相遇中和处会产生pH突变，使得重金属沉积堵塞土壤孔隙，降低修复效率。同时当电解液为水时，电解的的效率不高。在大多数的电动力学实验装置中，都会因为人为因素产生各种实验误差，导致较低的修复效率。
研究发现通过向阴极添加导电性溶液可以促进电动效应，利用铜盐作为阴极电解液时，不仅可以促进电动效应，还能消耗电解产生OH-，通过与阳离子膜法结合可以有效的控制OH-进入土壤，改善土壤pH值，提高电动力学修复效率。将传统的电动力学装置与pH控制设施相结合，并且通过有效的清除阴极电极板上的附着物可提高修复效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤装置，该装置能够有效促进电动效应，清除阴极电极板上的附着物，提高电动力学修复效率。
为了达到上述目的，本发明所采取的措施如下。
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤装置，包括阳极pH控制室、阳极加药罐、阴极加药罐、阴极pH控制室、阳极室、土壤室、碳纤维室、阳离子膜、阴极室、电源、曝气区、阴极pH感应探针、中心管、沉淀截留区、沉淀物、泵控制线、阳极泵、阳极电解液、阳极电解液进液管、阳极电解液溢出口、阳极pH感应探针、阳极加药管、支撑架、支撑柱、阴极加药管、阴极电解液溢出口、泵控制线、阴极电解液、阴极电解液进液管、阴极泵、污泥泵、沉淀液排出管、曝气装置和土壤室移动轨道；其特征在于：在所述阴极室和所述阳极室之间设置有土壤室；所述阴极室、阳极室、土壤室和所述炭纤维室的容积比是3: 3：5-50：1；所述阴极电解液是铜盐；所述阳极电解液是柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，在5-50 V的电压下对重金属污染土壤实现36-500小时的电动修复。
在上述采取的措施中，所述阴极室、阳极室和土壤室之间是由多孔隔板隔开，所述多孔隔板均由滤纸包裹；其中碳纤维室和阴极室的隔板上添加有阳离子交换膜；所述阴极电解液的回流系统是由表面机械曝气区通过中心管连通有沉淀物截留区构成；所述电极是石墨电极；所述碳纤维室的碳纤维质量是10-150 g；所述阳极室的柠檬酸-柠檬酸钠浓度是0.1-6 g/L，阴极室的铜盐溶液浓度是0.02-20 mol/L；所述铜盐是CuCl2、Cu(NO3)2或是CuSO4；所述曝气装置的安装高度高于阴极电解液的高度；所述中心管的安装高度高于电极高度。
在上述采取的措施中，用于铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤装置的修复方法如下：
（1）将重金属污染土壤置于土壤室，并向碳纤维室中加入碳纤维，然后将阳离子膜附着在孔隙隔板上用滤纸包裹；
（2）阴极pH控制室和阳极pH控制室通过阴极pH感应探针和阳极pH感应探针感应电解液的pH值，通过阴极泵和阳极泵控制泵入阴极电解液和阳极电解液，并对电解液的pH进行调节；
（3）阴极室中设置有中心管，通过电解液表面的机械曝气，电解液形成环流，经中心管内侧向上喷出，冲刷附着在电极上的沉淀物，并在底部将沉淀物通过筛网截留。
与现有技术比较，上述本发明所提供的一种铜盐强化阴极电解液电动修复重金属污染土壤装置，所具有的优点与积极效果如下。
本装置阴阳极室设置有pH感应计，实时监测阴阳极室电解液pH的变化，当pH超出一定范围时，阴阳极pH控制室控制泵入电解液，保持了阴阳极电解液pH处于适当范围。
本装置设置有铜盐作为阴极电解液与阳离子膜法结合，很好的控制了土壤的pH值，保持了酸性环境，提高了电动力学修复重金属污染土壤的效率。
本装置设置有炭纤维室，利用活性炭纤维可以有效地吸附电解产生的气体和重金属盐类物质。
本装置设置有阴极电解液环流系统，能够有效的去除电极板上附着的沉淀物，提高了电流强度。
本装置由于电动效应存在电迁移作用，即带电离子向电性相反的电极方向迁移，阴极电解液中存在的Cu2+并不会进入土壤，不会造成二次污染。
本装置通过自动调节控制以及土壤室移动轨道，实现了连续处理污染土壤的自动化，减少了人为因素带来的实验误差。
附图说明
图1是本发明具体处理修复装置的剖面结构示意图。
图2是本发明阴极电解液环流系统结构示意图。
图3是本发明具体处理修复装置的立体结构示意图。
图中：1：阳极pH控制室；2：阳极加药罐；3：阴极加药罐；4：阴极pH控制室；5：阳极室；6：土壤室；7：碳纤维室；8：阳离子膜；9：阴极室；10：电源；11：曝气区；12： 阴极pH感应探针；13：中心管；14：第一电极；15：沉淀截留区；16：沉淀物；17：泵控制线；18：阳极泵；19：阳极电解液进液管；20：阳极电解液溢出口；21：阳极pH感应探针；22：第二电极；23：阳极加药管；24：支撑架；25：支撑柱；26：阴极加药管；27：阴极电解液溢出口；28：泵控制线；29：阴极电解液进液管；30：阴极泵；31：污泥泵；32：沉淀液排出管；33：曝气装置。
A和B是土壤室移动轨道； M是电解液面；N为电解液环流示意方向。
具体实施方式
如附图1、附图2和附图3所述，实施上述本发明所提供的一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤装置，该装置包括阳极pH控制室1；阳极加药罐2；阴极加药罐3；阴极pH控制室4；阳极室5；土壤室6；碳纤维室7；阳离子膜8；阴极室9；电源10；曝气区11；阴极pH感应探针12；中心管13；第一电极14；沉淀截留区15；沉淀物16；泵控制线17；阳极泵18；阳极电解液进液管19；阳极电解液溢出口20；阳极pH感应探针21；第二电极22；阳极加药管23；支撑架24；支撑柱25；阴极加药管26；阴极电解液溢出口27；泵控制线28；阴极电解液进液管29；阴极泵30；污泥泵31；沉淀液排出管32和曝气装置33；并由图示结构构成。其中：A和B表示土壤室移动轨道；M表示电解液面；N表示电解液环流示意方向，该图示结构的具体构成关系是土壤室6位于阴极室9和阳极室5之间进行电动修复，阴极室9和阳极室5与土壤室6的容积比设计为1: 1: 3-30之间，该容积比是经过实验得到的合理的处理土壤的范围，设计阴极电解液是铜盐与阳离子膜结合，控制土壤的pH值，保持一定酸性环境；阳极电解液为柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液；阴极室9、阳极室5和土壤室6之间是由多孔隔板隔开，并将多孔隔板均由滤纸包裹，并在碳纤维室7和阴极室9的隔板上添加阳离子交换膜8；同时设置阴极电解液的回流系统，该回流系统是由曝气区11通过中心管13连通沉淀物截留区构成；其中的炭纤维的质量是10-150 g，阳极室5的柠檬酸-柠檬酸钠浓度是0.1-6 g/L，阴极室9的铜盐溶液浓度是0.02-20 mol/L，铜盐采用CuCl2、Cu(NO3)2或是CuSO4，电极采用石墨电极，在5-50V的电压下对重金属污染土壤，实现36-500小时的自动修复，以进一步提高电动力学修复重金属污染土壤的效率。
在具体实施过程中，设置阴极电解液循环系统中的表面机械曝气装置的安装高度高于阴极电解液高度；设置阴极电解液循环系统中的中心管的高度高于电极高度。
上述实施装置用于修复重金属污染土壤的实施方法如下：
（一）将重金属污染土壤置于土壤室6中，再向炭纤维室7中加入碳纤维，然后将阳离子膜8附着在孔隙隔板上用滤纸包裹；
（二）阴极pH控制室4和阳极pH控制室1通过阴极pH感应探针12和阳极pH感应探针21感应电解液的pH值，通过阴极泵30和阳极泵18控制泵入阴极电解液和阳极电解液，并对电解液的pH进行调节；
（三）阴极室9中设设置有中心管13，通过电解液表面的机械曝气，电解液形成一环流，经中心管13内侧向上喷出，冲刷附着在第一电极上的沉淀物，并在底部将沉淀物通过筛网截留。
通过实施上述装置，并用上述装置对重金属污染土壤进行修复处理，取得了令人满意的效果，修复处理的具体实施例如下。
实施例1
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为1 mol/L的CuCl2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：72.8%、70.6%、70.2%。
实施例2
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的CuCl2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：75.1 %、73.6%、72.8 %。
实施例3
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为5 mol/L的CuCl2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：78.6 %、75.3 %、74.8 %。
实施例4
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为7 mol/L的CuCl2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：80.2%、78.2%、77.3%。
实施例5
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为9 mol/L的CuCl2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：81.7 %、79.3 %、78.4 %。
实施例6
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为1 mol/L的CuSO4导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：71.3%、70.2%、69.8%。
实施例7
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的CuSO4导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：74.6%、73.5%、72.1%。
实施例8
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为5 mol/L的CuSO4导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：77.4%、76.2%、74.9%。
实施例9
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为7 mol/L的CuSO4导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：79.1%、77.5%、76.4%。
实施例10
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为9 mol/L的CuSO4导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：81.2 %、79.5 %、78.3 % 。
实施例11
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为1 mol/L的Cu(NO3)2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：70.5%、69.2%、68.4%。
实施例12
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Cu(NO3)2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：72.1%、70.6%、70.1%。
实施例13
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为5 mol/L的Cu(NO3)2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：75.3 %、73.1 %、72.2 % 。
实施例14
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为7 mol/L的Cu(NO3)2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：78.2 %、76.8 %、76.2 % 。
实施例15
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1:1:3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为9 mol/L的Cu(NO3)2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：80.1 %、78.7 %、77.6 % 。
实施例16
一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤的装置，阴极1和阳极2均为石墨板制的电极，并分别与电源8的负极、正极相连。阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3。土样采自某地污染土壤，其铅、镉、锌浓度分别是172、13、650 mg/kg。电压为50 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为1 mol/L的CuCl2导电性溶液，实验周期为400 h，采用火焰原子吸收发测定修复后土样中的重金属。修复后得到Pb、Cd、Zn的去除率分别为：82.3%、80.7%、80.1%。
上述实例只是具体应用中列举的几种，本发明并不局限于这几种具体的实施方案，本领域内的普通技术人员都可在本发明的权利要求范围内，做出多种形式的具体实施方案，这些实施方案都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤装置，包括阳极pH控制室、阳极加药罐、阴极加药罐、阴极pH控制室、阳极室、土壤室、碳纤维室、阳离子膜、阴极室、电源、曝气区、阴极pH感应探针、中心管、沉淀截留区、沉淀物、泵控制线、阳极泵、阳极电解液、阳极电解液进液管、阳极电解液溢出口、阳极pH感应探针、阳极加药管、支撑架、支撑柱、阴极加药管、阴极电解液溢出口、泵控制线、阴极电解液、阴极电解液进液管、阴极泵、污泥泵、沉淀液排出管、曝气装置和土壤室移动轨道；其特征在于：在所述阴极室（9）和所述阳极室（5）之间设置有土壤室（6）；所述阴极室（9）、阳极室（5）、土壤室（6）和所述炭纤维室（7）的容积比是3: 3：5-50：1；所述阴极电解液是铜盐；所述阳极电解液是柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，在5-50 V的电压下对重金属污染土壤实现36-500小时的电动修复。
2.根据权利书要求1所述的装置，其特征在于：所述阴极室（9）、阳极室（5）和土壤室（6）之间是由多孔隔板隔开，所述多孔隔板均由滤纸包裹；其中碳纤维室（7）和阴极室（9）的隔板上添加有阳离子交换膜（8）。
3.根据权利书要求1所述的装置，其特征在于：所述阴极电解液的回流系统是由表面机械曝气区（11）通过中心管（13）连通有沉淀物（16）截留区构成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电极是石墨电极。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述碳纤维室的碳纤维质量是10-150 g。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述阳极室（5）的柠檬酸-柠檬酸钠浓度是0.1-6 g/L，阴极室（9）的铜盐溶液浓度是0.02-20 mol/L；所述铜盐是CuCl2、Cu(NO3)2或是CuSO4。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述曝气装置的安装高度高于阴极电解液的高度。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述中心管的安装高度高于电极高度。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述铜盐强化阴极电动修复重金属污染土壤装置的修复方法如下：
（1）将重金属污染土壤置于土壤室（6），并向碳纤维室（7）中加入碳纤维，然后将阳离子膜（8）附着在孔隙隔板上用滤纸包裹；
（2）阴极pH控制室（4）和阳极pH控制室（1）通过阴极pH感应探针（12）和阳极pH感应探针（21）感应电解液的pH值，通过阴极泵（30）和阳极泵（18） 控制泵入阴极电解液和阳极电解液，并对电解液的pH进行调节；
（3）阴极室（9）中设置有中心管（13），通过电解液表面的机械曝气，电解液形成环流，经中心管（13）内侧向上喷出，冲刷附着在电极上的沉淀物，并在底部将沉淀物通过筛网截留。
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