重金属污染土壤交流电化学修复和淋洗液循环利用装置

1.本实用新型属于重金属污染土壤修复领域，涉及一种土壤修复、重金属回收和淋洗液循环利用的装置，具体地说是一种重金属污染土壤交流电化学修复和淋洗液循环利用装置。


背景技术：

2.通常，土壤中的重金属大多以阳离子形式存在，并通过静电吸引或与有机或无机配体离子形成化学键而保留在土壤团聚体上。目前对重金属污染的修复方法主要包括物理修复、植物修复和化学修复等。前两种方法中物理修复的材料成本和人力成本较大，通常是使用高表面积吸附剂来降低重金属阳离子的迁移率和生物利用度，但是由于其理化吸附性质而导致捕获速度慢和容量低是主要缺点，固定重金属的稳定性还需要长期监测以保证二次污染不会发生，更像是一种风险管控措施而非真正的土壤修复技术；而植物修复是近年来发展起来的一种绿色方法，然而，极长的处理时间使其仅适用于偏远地区，生物质中积累的重金属在处理过程中可能会造成二次污染；作为化学修复的一种，土壤淋洗一般指通过利用含有化学试剂(如酸或螯合剂)的溶液来加速溶解洗脱土壤中的金属污染物的化学萃取过程，具有修复时间短、效率高等优点。然而实际应用中，螯合剂的高消耗，淋洗废液的低效处置以及土壤养分流失问题限制了淋洗技术的发展。可以看出，以上修复方法对重金属仅是形态转变或相间转移，没有从根本上去除重金属(价态改变)，难以满足安全快速修复重金属污染土壤的目标。
3.同时，淋洗剂作为土壤淋洗的关键，对于修复效果和修复成本至关重要。实际案例中，多利用edta对重金属进行萃取。edta是人工螯合剂的一种，自身具有相对较大的分子量，能够和重金属发生螯合作用，对于多种重金属污染土壤都有很好的去除效果，但是edta本身难以被生物降解，且含有重金属的edta 淋洗液很难处理，易造成二次污染。对于淋洗废液，通常通过物理法、生物法或化学法进行处理：物理法主要是活性炭吸附，膜处理的方法，具有再生困难，投资大的缺点；生物法主要是利用微生物或者植物来吸附，吸附量小，超富集的植物或者微生物缺乏，培育困难等缺点；化学法主要是利用化学试剂与淋洗废液反应形成沉淀等进行处理，处理效率低，重金属不能回收利用。
4.公告号为cn 204747063 u的实用新型专利，公开了“一种重金属铬污染土壤的超声强化淋洗修复系统”，该实用新型中重金属铬污染土壤淋洗修复装置将土壤筛分输送设备、超声强化淋洗设备、泥水沉淀分离设备、淋出液处理设备、淋洗剂回收设备和淋洗液存储设备依次连接，有机结合，形成效率高、时间短、风险低的异位土壤淋洗修复系统。此实用新型适用于高浓度铬污染土壤的快速修复。然而，实用新型中所述的各类设备成本高昂，安装流程和工艺过程复杂，维护成本较高，在回收淋洗剂的过程中增加了其他步骤的成本，并且没有考虑到铬元素的回收方法。
5.因此，亟需提供一种重金属污染土壤的处理装置。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种重金属污染土壤交流电化学修复和淋洗液循环利用装置。利用装置不仅能将重金属阳离子与土壤基质分离，而且还能将其还原为致密的零价金属态，这不仅提高了修复能力，而且提供了重金属回收的机会。
7.本实用新型所采用的具体技术方案如下：
8.一种重金属污染土壤交流电化学修复和淋洗液循环利用装置，其包括通过管路依次连通的淋洗塔、沉淀池、第一驱动泵、电化学反应器、第二驱动泵和储液罐，共同构成循环回路；
9.所述淋洗塔的顶部开设第一进液口，第一进液口通过管路与所述储液罐相连通；第一进液口通过管路连接有若干喷头；喷头设于淋洗塔内腔的上部，用于均匀布液，喷头下方依次贴合设有覆盖内腔横截面的碎石层和第一无纺布层；内腔下部依次贴合设有覆盖内腔横截面的第二无纺布层和多孔的挡板，第一无纺布层和第二无纺布层之间的区域用于填充待处理的污染土壤；淋洗塔的底部开设出液口，通过管路与所述沉淀池相连通；
10.所述电化学反应器的底部开设第二进液口，顶部开设排气口，上部侧壁开设排液口；排液口外接管路，与所述第二驱动泵相连通；电化学反应器的腔室中设有第一电极板和第二电极板，第一电极板和第二电极板通过导线分别与外部交流电源的正极和负极相连。
11.作为优选，所述第一无纺布层和第二无纺布层之间构成区域的高度为内腔高度的1/2～3/4。
12.作为优选，所述第一无纺布层和第二无纺布层均由若干100～300目的无纺布叠放组成。
13.作为优选，所述碎石层高度占内腔高度的1/20～1/10。
14.作为优选，所述挡板上均匀开设有孔径为3～10mm的圆孔。
15.作为优选，所述第一电极板和第二电极板均为碳基电极，材质为碳纤维或碳毡。
16.作为优选，所述排液口设于电化学反应器高度的2/3处。
17.作为优选，所述循环回路中的每段管路上均设有阀门。
18.作为优选，所述第一驱动泵和第二驱动泵均为蠕动泵。
19.作为优选，所述淋洗塔为封闭且底部逐渐缩小的中空结构。
20.本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
21.1)本实用新型的装置能够有效去除重金属污染土壤中的重金属，淋洗次数少，淋洗液可以循环使用，避免了二次污染，处理后土壤养分流失少，电再生过程使用廉价易得碳质电极材料，方法简单，过程易于控制，处理成本低。
22.2)本实用新型的装置能有效去除土壤中高浓度的重金属，淋洗液经过电化学处理后可以循环利用，减少了淋洗液的使用，避免修复过程二次污染，同时可以回收重金属，可以显著提高环境效益和经济效益。
附图说明
23.图1为本实用新型装置的结构示意图；
24.图2为图1中淋洗塔的结构示意图；
25.图3为图1中电化学反应器的结构示意图；
26.图中：1
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淋洗塔，2
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沉淀池，3
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第一驱动泵，4
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电化学反应器，5
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第二驱动泵，6
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储液罐，7
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喷头，8
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碎石层，9
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第一无纺布层，10
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污染土壤，11
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挡板，12
‑ꢀ
漏斗，13
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第一进液口，14
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第二无纺布层，15
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第一电极板，16
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第二电极板，17
‑ꢀ
排气口，18
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交流电源，19
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第二进液口，20
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排液口，a1
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第一阀门，a2
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第二阀门，a3
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第四阀门，a4
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第五阀门，a5
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第五阀门。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
28.本实用新型提供了一种重金属污染土壤交流电化学修复和淋洗液循环利用装置，如图1所示，该装置包括通过管路依次连通的淋洗塔1、沉淀池2、第一驱动泵3、电化学反应器4、第二驱动泵5和储液罐6，淋洗塔1、沉淀池2、第一驱动泵3、电化学反应器4、第二驱动泵5和储液罐6共同构成循环回路。
29.如图2所示，淋洗塔1为封闭且底部逐渐缩小呈漏斗状的中空结构，淋洗塔1 的顶部开设第一进液口13，第一进液口13通过管路与储液罐6的出液口相连通，该管路上设有第一阀门a1。第一进液口13通过软管连接有多个喷头7。各个喷头 7间隔排列的固定于淋洗塔1内腔上部，用于均匀布液。各个喷头7的下方依次设有能够覆盖内腔横截面的碎石层8和第一无纺布层9，碎石层8和第一无纺布层9 之间贴合布置，碎石层8高度为内腔高度的1/20～1/10。从喷头7中流出的淋洗液能够全部经过碎石层8和第一无纺布层9的作用后流出。碎石层8和第一无纺布层9 能够使得淋洗液进一步在内腔横截面的方向上均匀分布，并且能够使得淋洗液流速降低，增加了淋洗液在内腔中的停留时间。内腔下部依次设有覆盖内腔横截面的第二无纺布层14和多孔的挡板11，第二无纺布层14和挡板11之间贴合设置，挡板11上均匀开设有孔径为3～10mm的圆孔。第一无纺布层9和第二无纺布层14之间区域的高度为内腔高度的1/2～3/4，该区域用于填充待处理的污染土壤10。在本实施例中，第一无纺布层9和第二无纺布层14均由多个100～300目的无纺布叠放组成，起到过滤拦截的作用。淋洗塔1的底部开设出液口，通过管路与沉淀池2相连通，该管路上设有第五阀门a5。沉淀池2通过设有第四阀门a4的管路与第一驱动泵3 相连通。
30.如图3所示，电化学反应器4的底部开设第二进液口19，第二进液口19通过设有第二阀门a2的管路与第一驱动泵3相连通。电化学反应器4的顶部开设排气口 17，上部侧壁开设排液口20，该排液口20设于电化学反应器4高度的2/3处。排液口20外接管路，与第二驱动泵5相连通，该管路上设有第三阀门a3。电化学反应器4的腔室中设有第一电极板15和第二电极板16，第一电极板15和第二电极板16 均固定于电化学反应器4内部的上壁面，第一电极板15和第二电极板16通过导线分别与外部交流电源18的正极和负极相连。在本实施例中，第一电极板15和第二电极板16均为碳基电极，材质为碳纤维或碳毡。第一电极板15通过改性方法使得其表面附着有具有重金属亲和力的功能基团，包括肟基、羟基、羧基和巯基中的一种或多种。
31.第二驱动泵5通过管路与储液罐6相连通。储液罐6的一端与第二驱动泵5通过管道相连，另一端与淋洗塔1的第一进液口13通过管道相连，储液罐6与第一进液口13之间设有第一阀门a1，储液罐6放置在高于淋洗塔1高度的支架上。
32.在本实施例中，第一无纺布层9和第二无纺布层14之间构成区域的高度为内腔高度的1/2～3/4。第一无纺布层9和第二无纺布层14均由若干100～300目的无纺布叠放组成。碎石层8高度占内腔高度的1/20～1/10。挡板11上均匀开设有孔径为 3～10mm的圆孔。第一电极板15和第二电极板16均为碳基电极，材质为碳纤维或碳毡。排液口20设于电化学反应器4高度的2/3处。循环回路中的每段管路上均设有阀门。第一驱动泵3和第二驱动泵5均为蠕动泵。淋洗塔1为封闭且底部逐渐缩小的中空结构。
33.当使用上述装置对重金属污染土壤进行修复的过程中，包括如下步骤：
34.首先将重金属污染土壤置于淋洗塔1内，在储液罐内装入一定浓度的淋洗液 edta溶液，并调节ph值为3～6。打开第一阀门a1，调节流量后，储液罐6中的edta溶液通过管道流入淋洗塔1的第一进液口13，第一进液口13中的草酸溶液通过与软管相连的喷头7喷淋，液体依次经过碎石层8和第一无纺布层9 后，与重金属污染土壤充分混合，随后依次通过第二无纺布层14和挡板11。
35.淋洗塔1内通过淋洗液对污染土壤中的重金属进行洗脱，草酸与污染土壤中的重金属螯合，达到去除重金属的目的。采取喷淋一定量的淋洗液的方式对重金属污染土壤进行淋洗，淋洗塔内铺设碎石层及第一无纺布层后，增大淋洗液在内腔中的停留时间，使土壤淋洗更加均匀，重金属去除效果更佳。
36.打开第五阀门a5，液体从淋洗塔1的底部通过管路进入沉淀池2沉淀。打开第四阀门a4、第一蠕动泵3和第二阀门a2，沉淀池2中上层液体被抽至电化学反应器4内。
37.待液体b高度达到电化学反应器体积的3/4时，开启外部的交流电源开关进行电解反应，在交流电源产生的非对称方波脉冲作用下，第一电极板上的吸附位点与edta竞争吸附，edta
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重金属的螯合物解离为edta溶液与重金属离子，重金属离子在第一电极板附近放电还原为重金属单质，阳极产物氧气从排气口 17中排走。
38.随后打开第三阀门a3和第二蠕动泵5，电解后的溶液通过管路抽至第二沉淀池7中，使液体流入储液罐6中，储液罐6中的edta溶液经调节ph和浓度为初始值后，再次进入淋洗塔1中，从而实现循环利用。
39.进行多次循环后，即重复上述处理过程，直至污染土壤中重金属的去除率达到额定要求。取出修复后的土壤，重新装填新的污染土壤，进行新一轮的土壤修复。
40.实施例
41.分别取1kg修复前的重金属复合污染土壤与经本实用新型的装置修复后土壤，采用电感耦合等离子体质谱测定修复前后土壤中重金属离子浓度，结果见表1，从中可以看出，淋洗后土壤中重金属离子去除率大于90％。
42.表1重金属污染土壤交流电化学修复装置实际修复效果
43.44.本实用新型提供了一种重金属污染土壤交流电化学修复和淋洗液循环利用一体化装置的思路及方法，并非是对本实用新型所作的其它形式的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述技术内容作为启示加以变更或改型为等同变化的等效实施例。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，但凡是未脱离本实用新型权利要求的技术实质，对以上实施例所作出的简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型权利要求保护的范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。