专利名称：用于原位修复重金属污染土和地下水的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种重金属污染土和地下水的原位修复方法，具体涉及一种用于原位修复重金属污染土和地下水的装置及其使用方法。
背景技术：
重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染。重金属具有很强的危害性，其危害程度取决于重金属在环境、食品和生物体中存在的浓度和化学形态。重金属污染主要表现在水污染中，还有一部分是在大气和固体废物中。重金属污染与其他有机化合物的污染不同。不少有机化合物可以通过自然界本身物理的、化学的或生物的净化，使有害性降低或解除。而重金属具有富集性，很难在环境中降解。目前我国由于在重金属的开采、冶炼、加工过程中，造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土壤引起严重的环境污染。如随废重金属水银水排出的重金属，即使浓度小，也可在藻类和底泥中积累，被鱼和贝类体表吸附，产生食物链浓缩，从而造成公害。水体中金属有利或有害不仅取决于金属的种类、理化性质，而且还取决于金属的浓度及存在的价态和形态，即使有益的金属元素浓度超过某一数值也会有剧烈的毒性，使动植物中毒，甚至死亡。金属有机化合物(如有机汞、有机铅、有机砷、有机锡等)比相应的金属无机化合物毒性要强得多；可溶态的金属又比颗粒态金属的毒性要大；六价铬比三价铬毒性要大等
坐寸ο由于长年的矿山开采和冶炼，中国重金属污染事件时有发生。近年，安徽、陕西、浙江等地相继发生儿童血铅超标事件。今年I月，广西龙江河部分河段出现镉污染超标，下游柳州市发生抢买矿泉水事件。规划指，重金属污染对生态环境和公众健康均造成严重威胁。最近，在广西柳州市区上游57公里的柳城县糯米滩水电站以上的龙江河段，尚有镉浓度超标5倍以上的水体长达100公里。这一重金属水污染，引起多方关注。因此，如何实现对重金属污染区域的原位修复是一个很重要的问题。本发明正是基于这种环境背景下提出的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于原位修复重金属污染土和地下水的改进装置。本发明的另一目的在于提供一种修复重金属污染土和地下水的方法。本发明的目的可以通过以下技术方案实现
一种用于原位修复重金属污染土和地下水的装置，其特征是该装置包括有阴极柱和阳极桩，所述阴极桩结构自内向外依次由柱形电极、内多孔挡板、阴离子交换膜、阳离子交换膜、外多孔挡板、阴极环形筒(组成，其桩体的上端为阴极外圆形板和阴极内圆形板，桩体的下端设有阴极圆形板；所述阳极桩结构自内向外由柱形电极、环形多孔挡板、阳极环形筒组成，其桩体上端为阳极外圆形板、阳极内圆形板，其桩体下端为阳极圆形板；所述阴极桩与电源阴极相连，阳极桩与电源阳极相连。
所述述阴极外圆形板和阳极外圆形板为可拆除式结构。所述阴极环形筒和阳极环形筒为拆除式结构，它们由塑料板或钢板制成。所述外多孔挡板、内多孔挡板和环形多孔挡板的材料为能阻止淤泥通过，但不妨碍水分子通过的材料。本发明还提供一种利用上述的装置原位修复重金属污染土和地下水的方法，其特征在于具体实施步骤为
a、确定需要修复重金属污染土或者地下水的区域；
b、判断该区域是否适合用该方法进行处理，该区域的PH值是否偏酸性，如果PH值偏碱性重金属大多以非离子态存在，即不能使用本方法；另外，判断污染土应该处于湿润或饱和状态，即重金属离子可以在区域里自由移动； C、确定处理区域后，把所述阴极桩和阳极装布置在处理区域内，阳极桩应呈环绕型包围在阴极桩周围，如果该区域土体松软如淤泥，可以直接将桩插入预定的位置；如果土体较为坚硬，可以预先用机械或者其他方法打出小孔，然后把桩插入孔中，其后拔掉桩的阴极外圆形板、阳极外圆形板和阴极环形筒、阳极环形筒；
d、向阴阳两极加入电解液池，接通直流电源通电，通电过程中适时向阳极电解液池和阴极电解液池补充相应损失的电解液；
e、当电流保持在一个稳定的值时，将两层离子交换膜内沉淀物及溶液取走，停止通电，然后将修复后的淤泥与阴极中的碱性溶液混合，静置；
f、将修复后的阳极与阴极中的溶液倒回原来的孔里，使处理区域的PH值恢复到原先状态。6、根据权利要求5所述的原位修复重金属污染土和地下水的方法，其特征在于所述步骤b中向阳极和阴极补充相应电解液时，电解液的运送量为I 5ml/min ;通直流电时直流电压为I 30V/cm ;向阳极加入的电解液池为O. 015 0. 050mol/L的酸性溶液，向阴极和两层离子交换膜之间加入的电解液为O. 015 ^0. 050 mol/L中性溶液。所述酸性溶液为H2S04，所述中性溶液为Na2S04。所述阴极桩处理污染土一定次数后，将离子交换膜拆下来，清洗处理后重新使用。在修复过程中，根据电化学知识可知，阴阳两极发生如下电解反应
阳樣2e· 2/Γ +1/20j t阴420/Γ +馬 t这样会在阳极产生H+，阴极产生0H_，在电场作用下，阳离子包含重金属离子，如Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+、H+等向阴极移动，阴离子如OF1等向阳极移动。OF1等阴离子通过阴离子选择透过膜后，由于存在阳离子选择性透过膜，这样便限制了 OF1离子的流动，而H+可以一直在淤泥中移动，直到穿过阳离子选择性透过膜与0H—相遇，这样污泥处理室中淤泥全部处于较强的酸性条件下，较强的酸性可以增加重金属离子的活跃性。在阴阳离子交换膜两侧，由于存在阳离子选择透过性膜和阴离子选择透过性膜，当重金属离子如Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+、Al3+等、H+等阳离子向阴极移动时，在顺利通过阳离子选择透过性膜后受到阴离子选择透过性膜的阻挡；当OiT1等阴离子向阳极移动时，在顺利通过阴离子选择透过性膜后受到阳离子选择透过性膜的阻挡。这两层选择透过性膜限制了阴离子和阳离子的运动，这样重金属离子便会控制在两层膜之间。
对于重金属离子的化学反应可以分为两类，一类是可以与OH—1生成沉淀的，如Cu2+和Fe3+;另一类是可以溶于强碱的如Zn2+、Al3+、Pb2+等。两类离子典型的化学反应式为以Cu2+和Al2+为例
权利要求
1.一种用于原位修复重金属污染土和地下水的装置，其特征是该装置包括有阴极柱和阳极桩，所述阴极桩结构自内向外依次由柱形电极(1-6)、内多孔挡板(1-5)、阴离子交换膜(1-4)、阳离子交换膜(1-3)、外多孔挡板(1-2)、阴极环形筒(1-1)组成，其桩体的上端为阴极外圆形板(1-7)和阴极内圆形板(1-8)，桩体的下端设有阴极圆形板(1-9);所述阳极桩结构自内向外由柱形电极(2-3)、环形多孔挡板(2-2)、阳极环形筒(2-1)组成，其桩体上端为阳极外圆形板(2-4)、阳极内圆形板(2-5)，其桩体下端为阳极圆形板(2-6);所述阴极桩与电源阴极相连，阳极桩与电源阳极相连。
2.根据权利要求I所述的用于原位修复重金属污染土和地下水的装置，其特征在于所述阴极外圆形板(1-7)和阳极外圆形板(2-4)为可拆除式结构。
3.根据权利要求I所述的用于原位修复重金属污染土和地下水的装置，其特征在于阴极环形筒(1-1)和阳极环形筒(2-1)为拆除式结构，它们由塑料板或钢板制成。
4.根据权利要求I所述的用于原位修复重金属污染土和地下水的装置，其特征在于所述外多孔挡板(1-2)、内多孔挡板(1-5)和环形多孔挡板(2-2)的材料为能阻止淤泥通过，但不妨碍水分子通过的材料。
5.一种利用权利要求I至4中任意一项所述的装置用于原位修复重金属污染土和地下水的方法，其特征在于具体实施步骤为 a、确定需要修复重金属污染土或者地下水的区域； b、判断该区域是否适合用该方法进行处理，该区域的PH值是否偏酸性，如果PH值偏碱性重金属大多以非离子态存在，即不能使用本方法；另外，判断污染土应该处于湿润或饱和状态，即重金属离子可以在区域里自由移动； C、确定处理区域后，把所述阴极桩和阳极装布置在处理区域内，阳极桩应呈环绕型包围在阴极桩周围，如果该区域土体松软如淤泥，可以直接将桩插入预定的位置；如果土体较为坚硬，可以预先用机械或者其他方法打出小孔，然后把桩插入孔中，其后拔掉桩的阴极外圆形板(1-7)、阳极外圆形板(2-4)和阴极环形筒(1-1)、阳极环形筒(2-1)； d、向阴阳两极加入电解液池，接通直流电源通电，通电过程中适时向阳极电解液池和阴极电解液池补充相应损失的电解液； e、当电流保持在一个稳定的值时，将两层离子交换膜内沉淀物及溶液取走，停止通电，然后将修复后的淤泥与阴极中的碱性溶液混合，静置； f、将修复后的阳极与阴极中的溶液倒回原来的孔里，使处理区域的PH值恢复到原先状态。
6.根据权利要求5所述的原位修复重金属污染土和地下水的方法，其特征在于所述步骤b中向阳极和阴极补充相应电解液时，电解液的运送量为I 5ml/min ;通直流电时直流电压为I 30V/cm ;向阳极加入的电解液池为O. 015 0. 050mol/L的酸性溶液，向阴极和两层离子交换膜之间加入的电解液为0.015 ^0. 050 mol/L中性溶液。
7.根据权利要求6所述的原位修复重金属污染土和地下水的方法，其特征在于所述酸性溶液为H2S04，所述中性溶液为Na2S04。
8.根据权利要求5所述的原位修复重金属污染土和地下水的方法，其特征在于所述阴极桩处理污染土一定次数后，将离子交换膜拆下来，清洗处理后重新使用。
全文摘要
本发明公开了一种用于原位修复重金属污染土和地下水的装置，其特征是该装置包括有阴极柱和阳极桩，所述阴极桩结构自内向外依次由柱形电极内多孔挡板、阴离子交换膜、阳离子交换膜、外多孔挡板、阴极环形筒组成，其桩体的上端为阴极外圆形板和阴极内圆形板；所述阳极桩结构自内向外由柱形电极、环形多孔挡板、阳极环形筒组成，其桩体上端为阳极外圆形板、阳极内圆形板；所述阴极桩与电源阴极相连，阳极桩与电源阳极相连。本发明还公开了一种采用上述装置的修复方法，该方法极大降低了离子交换膜的用量，具有成本低、效率高、处理范围大、避免了二次污染等特点，在重金属污染恶性事件频发的今天具有一定的意义。
文档编号C02F101/20GK102874905SQ201210389389
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月15日 优先权日2012年10月15日
发明者徐卫亚, 孟庆祥, 王伟, 王林伟, 孟永东, 赵志涵, 张诗悦 申请人:河海大学