一种重金属污染土壤的电动修复立式装置的制作方法

本发明属于重金属污染土壤修复技术领域，具体涉及一种重金属污染土壤的电动修复装置。

背景技术：

所谓的“永久性修复”就是要把被污染土壤（包括淤泥和其他固体废弃物）等介质中的重金属提取出来。从理论上讲，重金属提取方法包括物理的、化学的和生物的三大类。其中，电动修法技术（electrokinetic processing，EK）主要是物理技术，尽管它有可能与化学的或者生物的技术复合从而形成新的修复模式。

早在上世纪80年代，就有人利用电力来提取土壤中的重金属。1993年，美国人Acar首次发表了旨在阐释电动修复原理的文章，代表了电动修复技术正式形成。大约1995年左右，国内就有人做小规模研究。但国内目前能查阅到的最早的文章在本世纪初周东美和邓昌芬（2003）的发表在《农业环境科学学报》上的《重金属污染土壤的电动修复技术研究进展》。

电动修复的基本原理都是将电极插入受污染的土壤中，在施加直流电后，土壤孔隙中的水溶液产生电渗流，使得带电金属阳离子向阴极发生电迁移，同时带电阴离子向阳极迁移，多种迁移运动的叠加载着重金属污染物离开处理区的土壤，并在阴阳两极通过沉积或者离子交换、吸附、萃取等方式被去除，从而达到修复的目的。在电动修复过程中，可以发生电解、电渗流和电迁移等现象，主要影响因素包括水的电解、土壤性质、重金属种类和浓度等。国内外学者的主要研究内容包括：

1、如何控制碱性带，提高修复效率。在电动修复过程中，在距离阴极1/3~2/3的空间范围内，会产生pH值≥9的“碱性带”。大多数重金属在遇到碱性带时，就与OH^-结合形成氢氧化物沉淀，从而导致迁移过程的中断，导致修复失败。为了控制碱性带的范围，提高修复效率，许多学者提出了改进意见，常见的有酸碱中和法、阳离子选择性膜法、电渗析法、络合剂法、表面活性剂法、氧化还原法、EK-生物技术联用法和Lasagna^TM法。

2、电动力供给方式。包括（1）直流电的控制电流法和控制电压法；（2）交直流电交替使用的技术和方法。一般地，直流电的电场梯度为(0.4～2V/cm)和电流密度(2～5mA/cm²)。

3、电动修复的机理及其影响因素的研究。主要包括污染物迁移的方式、机制及其数学模型等。研究土壤类型及其性质对修复效果的影响等。有关研究对改善电动修复的效率具有重要指导意义。

4、应用研究。包括电修复Cu污染土壤；利用电渗流原理从污泥中脱水；利用Tween80、硝酸、EDTA等控制阴极pH；利用EK修复Cr、Pb、Zn、Cd、Hg等重金属污染土壤等。也包括对淤泥、底泥和有机污染物污染土壤的修复。

从技术实现的空间位置看，电动修复技术可以分成原地原位、原地异地修复和异地异位三大类。本发明属于为实现原地异位技术而设计的修复装置。目前国内在原地异位技术上的典型专利技术如下。

专利CN1695834（公开日2005-11-16）《重金属污染土壤的电动力学修复方法》：一种重金属污染土壤的电动力学修复方法，采用离子交换膜将阴极与受试土样分隔开，并用多孔陶瓷板置于离子交换膜与土壤之间防治离子交换膜堵塞，利用电极自身产生的H⁺和OH^-，并借助离子交换膜的阻隔作用，控制电动力学修复过程中土壤的pH值，加速污染物的溶出和迁移。处理后阳极溶液保持强酸性，用于清洗、再生离子交换膜。阴极溶液保持强碱性，大多数重金属阳离子与碱结合生成沉淀，通过沉淀、离心纯化得到纯度重金属化合物，而得到净化后的碱性阴极溶液用于中和土壤的酸。该方法具有安全可靠、操作方便和成本低廉等优点，修复后土壤的pH值能基本恢复到原来的状态。

专利CN1714955（公开日2006-01-04）《重金属污染土壤阴极酸化电动力修复工艺》：本发明公开了一种重金属污染土壤阴极酸化电动力修复工艺，其主要步骤为：将经自然风干去杂质的土壤中加入离子水，搅拌静置处理，处理的污染土壤装入电动力修复装置的土壤室，然后向各极电解室中输入电解液后静置，再通入恒直流电，污染土壤中的重金属在修复过程中不断从土壤中解吸出来，并在电场的作用下迁移出土壤，从而实现对重金属污染土壤的治理。本发明的工艺具有修复时间短，易操作，重金属去除率较高等特点，具有明显的经济效益和社会效益。

专利CN201511038U（公开日2010-06-23）《电动力修复铬污染土壤装置》：一种电动力复合修复铬污染土壤装置，它包括阳极区、阴极区和电源，它还包括多孔介质砂石层和铁屑层，阳极区和阴极区内分别放置阳极缓冲溶液和阴极缓冲溶液，并分别与电源两极相接；阳极区与阴极区的相对面上依次设置多孔介质砂石层和铁屑层，与阴极区之间形成对重金属污染土壤进行修复的修复区。本实用新型在电动力作用下，电极附近土壤溶液发生电化学元素反应，改变土壤中的氧化还原电位、pH值等理化性质，加快土壤固体上重金属的解吸，提高土壤溶液中重金属的浓度，从而强化植物的吸收、积累，使土壤中微生物群体的多样性和活力大大增加，增加了作物的产量。

专利CN102284474A（公开日2011-12-21）《利用电能修复污染土壤和处理固体废物的方法及装置》：本发明涉及一种修复污染土壤和处理固体废物的方法及装置，在土壤/固废两端分设阴极和阳极反应池，底部设补水层，补充水中含能提高有机污染物和重金属在水中溶解度的化学药剂，顶部覆盖可更换的污染物收集层，内部设置可更换的人工聚焦带。通过施加高电压和大电流使土壤/固废温度升至数十乃至数百度，挥发性有机污染物因高温从中挥发出来，非挥发性有机污染物和重金属随水上升至收集层在水蒸发后滞留在收集层内，部分重金属离子沿电场方向迁移到电极池和人工聚焦带内。阴、阳两极产生的氢气和氧气被分别收集起来用于焚烧挥发出来的、收集层内和聚焦带内的污染物；氧气还可制成臭氧氧化土壤/固废内或已清理出来的污染物。

专利CN102357522A（公开日2012-02-22）《一种采用复极性电极电动修复铬污染土壤的方法》：本发明公开了一种复极性电极电动修复铬污染土壤的方法，适合污染土壤的异位修复。该方法首先构建复极性电动反应装置，装置由可调控直流电源、石墨阳极、阳极槽、硬质塑料板网、土壤室、阴极槽、石墨阴极组成。采用上述复极性电动反应装置，取六价铬污染土壤，土壤含水量30～50％，去除土壤中较大块的杂质，搅拌均匀，填充到土壤室中，然后同时向两个电极槽中加水，使两个电极槽的液面高度与土壤室中土壤表面保持一致，然后通以直流电，电压梯度为1.0～2.0V/cm。保持通电时间120～144小时，修复结束。修复结束后，土壤从阳极区到阴极区pH可保持在6.0～8.0之间；Eh在300～85mV之间。总铬去除率达到74.2～81.5％，六价铬去除率达到84.1～89.6％。

专利CN104492796A（公开日2015-04-08）《一种电动修复重金属污染土壤的方法》：本发明属于土壤修复领域，公开了一种电动修复重金属污染土壤的方法，所述的方法步骤包括如下：配置模拟重金属污染的土壤备用；自制电动试验装置：主要包括5个反应槽，依次顺序为：阳极室、土壤室、阴极室、土壤室及阳极室，反应槽之间有含分子筛的渗透性反应墙PRB，此外还包括阴/阳极室盛装阴/阳极电极和阴/阳极工作液，以及直流稳压供电电源；再将污染土壤装填于自制电动试验装置中；运行电动试验，一周后取其土壤进行重金属分析测试。

专利CN204276511U（公开日2015-04-22）《一种重金属污染土壤的修复装置》：一种重金属污染土壤的修复装置，采用可移动式风光互补供电系统作为污染土壤电动修复的供电电源，通过风力发电和太阳能电池发电输出直流电，同时用蓄电池充电，靠蓄电池向电动修复设备提供稳定的电能，蓄电池的输出分别与电动修复设备两端的正负电极连接，正负电极分别放在阳极池、阴极池中，阳极池、阴极池外通过泵和管道分别与两侧工作液储罐连接，重金属污染土壤放置在电动修复设备中间，并通过两侧的烧结玻璃滤板与阳极池、阴极池隔开。本实用新型将可移动式风光互补供电系统作为污染土壤电动修复的电源，解决了偏远污染场地输电难的问题，节能省电，有效降低该技术的运行成本。

专利CN104550215A（公开日2015-04-29）《电动修复重金属污染土壤的方法和设备》：一种电动修复重金属污染土壤的方法，在污染土壤两端设置电解池，电解池内插入电极，在电极之间连接可调节电极电势的电压源，如果污染物离子或者污染物化合物带正电，则设置负电极电势绝对值高于正电极电势绝对值。此外，将进液装置和排液装置分别与电解池相连，为电解池中加入和排出电解液。本发明还公开了电动修复重金属污染土壤的设备，它包括电压源、土壤室、电解池、电极、排液管、进液管和进液泵。本发明能够提高污染物去除率、降低能耗，并且设备简单、成本低廉。

专利CN103418607A（公开日2013-12-04）《一种污染土壤磁助电动修复装置》：本发明公开了一种污染土壤磁助电动修复装置。通过外加电场和磁场的作用，使土壤中的污染物质加速富集于规定区域，达到清洁土壤的目的。本发明装置包括电极液添加管、阳极板、处理区、阴极柱、电极室、磁铁、外壳、电极液排放管。将污染土壤置于处理区，电极液经过管道进入电极室区，然后在外加电磁场的作用下土壤中的污染物迅速迁移，提高了局部污染物的浓度。本发明结构简单、建造成本低、易于操作，而且可以实现了土壤中多种污染物的降解去除。

专利CN103406347A（公开日2013-11-27）《一种可用于富集土壤中重金属及有机物的方法》：本发明公开了一种可用于富集土壤中重金属及有机物的方法，其特征在于通过搭建电动富集系统在土壤中形成电场，通过电渗流、电迁移作用将土壤中的重金属及有机物富集在某一区域，然后进行分离、提纯；所述电动富集系统电动富集系统由可调控直流电源、阳极室、阴极室、土壤、电极、阳离子交换膜组成；阳极室及阳极，阴极室及阴极位于电动反应系统的两侧，土壤位于两电极的中间，阴极室与土壤之间设置阳离子交换膜，可调控直流电源连接阳极与阴极。采用本发明提供的方法进行富集，较植物富集时间短，不受自然因素的影响且对重金属富集不具有专一性，进而达到废弃物资源化和修复土壤的目的。

专利CN203380185U（公开日2014-01-08）《一种利用电动力修复污染土壤的装置》：本实用新型公开了一种利用电动力修复污染土壤的装置，包含直流电源(1)、土壤修复反应器(13)、电极(6)、阳离子交换膜(8)。该装置可通过在土壤两端施加直流电压、形成直流电场，使重金属、有机物等在电迁移和电渗流等作用下得以去除。可用于各种土壤中的重金属及有机物的去除。采用本装置修复污染土壤快速、有效，不受自然因素的影响。

专利CN103736718A（公开日2014-04-23）《重金属污染土壤的电动修复方法及其装置》：本发明涉及重金属污染土壤的电动修复方法及其装置，本发明提供一种重金属污染土壤的电动修复装置，所述装置包括前处理系统、直流稳压电源、电动电极等、主控制系统及后处理系统，其中，主控制系统连接并控制所述前处理系统、直流稳压电源和后处理系统；直流稳压电源为电动电极提供电源。电动土壤修复技术可实现重金属污染土壤的原位修复，不产生二次污染，处理成本较低。解决了常规土壤修复技术设备投资高、处理成本高、易造成二次污染等难题。

专利CN103752596A（公开日2014-04-30）《修复污染土壤中金属离子的方法及装置》：本发明公开了一种修复污染土壤中金属离子的方法及装置。该方法是将电动力学和静电纺丝纳米纤维膜PRB两种修复技术联合使用以修复污染土壤中的金属离子。该装置包括土壤室和分别设于土壤室两端的阳极室、阴极室，土壤室与阳极室之间、土壤室与阴极室之间各设有一层静电纺丝纳米纤维膜PRB，阳极室内设有阳极，阴极室内设有阴极，阳极和阴极分别与直流电源的两端相连。本发明的方法及装置将电动力学与静电纺丝纳米纤维膜PRB联用以提高PRB反应介质的机械强度和耐化学腐蚀性能、可高效去除污染土壤中的金属离子。

专利CN102806228A（公开日2012-12-05）《一种污染土壤异位电动修复装置及其方法》：本发明的目的是避免聚焦现象发生、缩短电动修复时间，从而提高修复效果和降低修复费用。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种污染土壤异位电动修复装置，包括土壤承载系统、电极系统和电极工作液喷淋系统。所述土壤承载系统的底部多孔层Ⅰ。所述电极系统包括分别设置在土壤承载系统上下方的上电极和下电极，工作时，所述上、下电极所带电荷相反。所述电极工作液喷淋系统包括安装在所述土壤承载系统下方的若干喷淋嘴，工作时，所述喷淋嘴向上喷出工作液。

专利CN102941217A（公开日2013-02-27）《一种圆筒式布置电极电动力修复装置和方法》：本发明公开了一种圆筒式布置电极电动力修复装置和方法，属于环保设备技术领域。本发明的装置由电极液储存箱、电极液阀门、至少两个有共同圆心的圆环形或弧形电极室和电极、电极液流量计、加液泵阀门、加液泵、吸附层组成；电极位于电极室内，且和外接直流电源相连；电极室和加液泵相连。所述的方法为：通过对待处理的污染场地的污染情况，选择合适的电极室数量，将电极室和电极埋入地下，通过加液泵将电极液注入电极室；给电极通电，从而使污染场地里面的重金属离子被吸附到吸附层上的吸附材料上，从而达到去除重金属的目的。本发明的装置结构简单，使用方便，工程造价低，使用范围广；本发明提供的方法具有经济、高效、节能、快速等优点。

专利CN103170499A（公开日2013-06-26）《一种土壤或污泥中重金属和有机污染物的电动去除方法》：本发明提供一种土壤或污泥中重金属和有机污染物的电动去除方法，该方方法使用如下的电动去除装置，其包括：旋转滚筒，其上覆盖有导电材料，导电材料外面包覆有反应材料层；齿轮，其设置成环绕所述旋转滚筒；外侧闭环铰链履带，其由导电材料制成，并通过啮合在所述齿轮上而闭环运转；闭环输送履带，其用来输送土壤或污泥，并穿过所述外侧闭环铰链履带与所述旋转滚筒之间的缝隙而被压紧在所述旋转滚筒上。通过使用所述装置及选择合适的操作工业参数，能快捷有效地同时去除受污染土壤或污泥中的重金属和/或有机污染物，操作简便、去除效率高，具有良好的工业应用前景。

专利CN103316909A（公开日2013-09-25）《用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置及方法》：本发明属于环境治理技术领域，特别涉及一种用于重金属或有机物污染土壤的电动力学修复装置及方法。该装置由直流电源、阳极室、气体收集装置、土壤室、阳极电极和阴极电极组成。本发明装置在电动压力下，电极附近土壤溶液发生电化学元素反应，改变土壤中的氧化还原电位、pH值等理化性质，通过羟丙基-β-环糊精可以使低渗透性的土壤保持一个较高的电导率，加快土壤固体上重金属或者有机物的解吸。

本发明与现有的技术在整个设备的形式和每个单元的组成部件等均有巨大差别。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种污染土壤电动修复装置，该装置由一个处理单元组成或由若干个处理单元通过串联或并联组成；所述处理单元包括：立式圆柱状绝缘处理箱、立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极、惰性阳极、自制非标可编程SynC交直流混合供电电源、CAMP袋；所述立式圆柱状绝缘处理箱内容纳立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极、惰性阳极、CAMP袋。

进一步的，所述立式圆柱状绝缘处理箱由玻璃钢、绝缘胶垫、绝缘板中之一制成。

进一步的，所述惰性阳极可选择石墨、钛合金、铂中之一制成。

进一步的，所述立式圆柱状绝缘处理箱的半径r₁为0.10m~50m，高度H₁为0.20m~20m。

进一步的，所述立式圆柱状绝缘处理箱与立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极同轴；所述立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极的半径r₂为0.01~30m，高度H₂为0.20m~20m。

进一步的，所述自制非标可编程SynC交直流混合供电电源的输出电流电压为：AC0.1V0.01A~100000V10000A/DC0.1V0.01A~ 100000V10000A，由计算机或其他可编程控制单元控制。由计算机或其他可编程控制单元控制，可以按照公式{[A_i]-[D_j]}_k, i=1,2,…,N; j=1,2,…,M; k=1,2,…,L进行编程循环运行。

进一步的，可用有刻度计量的添加剂注入器将添加剂通过导管注入所述立式圆柱状绝缘处理箱底部；添加剂的注入量Q按公式 Q=pW计算而得，其中p为调节系数，W为立式圆柱状绝缘处理箱内土壤的质量。所述添加剂为水和/或液态化学试剂和/或溶液。一般地，对于具有不同类型土壤/淤泥/固体废弃物/矿石/废水的成分以及添加剂的类型，p需要通过小试来确定。添加剂注入器可以直接安装于处理箱的上方，利用重力直接加注添加剂；也可以旁置，用泵加注添加剂；若修复过程中无需注入添加剂，则添加剂注入器可以省略。按照Q=pW计算得到添加剂的用量后，也可以不使用添加剂注入器而将配置好的添加剂直接倒入处理箱内并与被处理物质相混合。

进一步的，所述装置适用于重金属/有机物/放射性污染土壤和/或淤泥和/或固体废弃物修复处理。所述装置适用于土壤和/或淤泥和/或固体废弃物中的VOCs、SVOCs、POPs和PCBs等有机污染物的低温脱附。所述装置适用于稀有和/或贵金属贫矿的富集和提取，也可用于工矿企业含污染物废水处理。

本发明的有益效果体现在如下几个方面：

第一，采用了“原地异位”技术，可以避免电极接地造成的电力浪费，将电动力完全应用于土壤修复，既节省了能源，又提高了修复速度，并进一步节省了人力、物力和财力等方面的成本。

第二，使用立式圆柱状处理箱和COMBOPO可拆卸更换式复合阴极，可以省略诸多的传动装置，对于固定地点的重金属/有机物/放射性污染的土壤/淤泥/废渣或者待富集的贫矿矿石的处理更加方便，单批次处理量更大。还可以将阳离子重金属浓缩，通过沉淀、吸附和固化等方式，将重金属“囚禁于”体积很小的阴极材料中，为重金属的回收利用成为可能。圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极还具有控制土壤酸碱度和加速重金属迁移速度的作用。

第三，圆柱状处理箱与圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极同轴，可以使在处理箱内部的阳极与阴极的距离处处相等，使得土壤处理变得均匀。

附图说明

图1为本发明电动修复装置的一个单元的横断面图。

图1中，1为立式圆柱状绝缘处理箱；2为惰性阳极；3为CAMP袋；4为立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极；5为阴极材料室；6为复合阴极的固定轴。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明特征作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的污染土壤电动修复装置由一个处理单元组成或由若干个处理单元通过串联或并联组成。所述处理单元包括：立式圆柱状绝缘处理箱（1）；惰性阳极（2）；CAMP袋（3）；立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极（4）；阴极材料室（5）；复合阴极的固定轴（6）、自制非标可编程SynC交直流混合供电电源，其中，所述立式圆柱状绝缘处理箱（1）内部可容纳惰性阳极（2）、CAMP袋（3）、立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极（4）。立式圆柱状绝缘处理箱优选由玻璃钢制成。惰性阳极选择石墨材料。立式圆柱状绝缘处理箱的半径r₁为0.10m~50m，高度H₁为0.20m~20m。立式圆柱状绝缘处理箱与立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极同轴；所述立式圆柱状COMBOPO可拆卸更换式复合阴极的半径r₂为0.01~30m，高度H₂为0.20m~20m。

本发明所述的重金属污染土壤的电动修复装置工作过程如下：

污染土壤来源：湖南某污染场地附近农田重金属污染土壤与贵州万山汞矿区汞污染土壤的混合体。

污染重金属元素：Cd、Cu、Pb、Zn和Hg等。

表1 混合体土壤电动修复前后重金属元素浓度对比

原始土壤中重金属浓度：见表1。本混合土壤的污染物主要是重金属Cd、Cu、Pb、Zn和Hg，它们的浓度分别是2.38mg/kg、248.34 mg/kg、649.75 mg/kg、505.69 mg/kg和370.84 mg/kg。它们分别超出国家土壤质量标准一级标准11.90倍、7.10倍、18.56倍、5.06倍和2472.27倍；超出三级标准2.38倍、0.62倍、1.30倍、1.01倍和247.23倍。

修复流程：（1）将被装置用车载入现场。（2）用人工或机械方式将待修复土壤（原始土壤）约2m³挖出、转移至处理箱中的布袋内，数量视处理箱大小而定。（3）加入特制的重金属活化剂，再1:1比例加入洁净水，搅拌均匀，置于布袋中。（2）在电极上按照特殊程序和时间间隔交替施加一定电压和电流的交流电和直流电，分别经过24小时和48小时后，等量采集布袋中不同典型位置的土壤样品若干个，经充分混合后，送实验室化验其中的Cd、Cu、Pb和Zn等元素的浓度。

修复效果分析：经过24处理后，土壤中Cd、Cu、Pb、Zn和Hg等5个元素的浓度分别变成了1.65 mg/kg、188.26 mg/kg、554.68 mg/kg、496.98 mg/kg和337.70mg/kg，重金属的去除率分别是30.67%、24.19%、14.63%、1.72%和8.94%。相对于土壤质量一级标准的8.25倍、倍、5.38倍、15.85倍、4.97倍和2251.33倍；相对于土壤质量三级标准的1.65倍、0.47倍、1.11倍、0.99倍和225.13倍。

经过48处理后，土壤中Cd、Cu、Pb、Zn和Hg等5个元素的浓度分别变成了0.71 mg/kg、75.66 mg/kg、229.56 mg/kg、134.25 mg/kg和97.33 mg/kg；重金属的去除率分别是70.17%、69.53%、64.67%、73.45%和73.75%；相对于土壤质量一级标准的3.55倍、2.16倍、6.56倍、1.34倍和648.87倍；相对于土壤质量三级标准的0.71倍、0.19倍、0.46倍、0.27倍和64.89倍。由上可见，除了Hg元素以外，Cd、Cu、Pb和Zn元素均达到了三级质量标准以下；进一步的分析测试结果表明，由于土壤中混入了来自汞矿区的Hg污染土壤，其中的残渣态所占比例较高；经过48小时处理后，土壤中还有较高含量的THg，但剩余的Hg主要是残渣态的Hg，Hg污染的危害大大减轻。

由此可见，利用本装置，可以在48小时内有效降低土壤中的Cd、Cu、Pb、Zn和Hg等重金属元素。经过48小时的处理后，土壤中所有元素的浓度均下降64%以上，其中Hg元素的下降幅度最大，达到约73.75%。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。