專利名稱：污染土壤的電動力學原位快速修復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種污染土壤的電動力學原位快速修復(fù)方法，用于重金屬或難降解有機污染物的治理和資源回收，對污染土壤進行修復(fù)，屬于環(huán)保節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
有害重金屬和高毒性有機污染物在廢廠礦區(qū)、污灌區(qū)土壤中的積累日益受到關(guān)注。另外，交通事故引發(fā)的化學品泄漏于土壤中產(chǎn)生的污染也不容忽視。土壤污染為多種污染物的復(fù)合污染。土壤中的有害重金屬積累到一定程度就會對土壤—植物系統(tǒng)產(chǎn)生毒害，不僅導(dǎo)致土壤的退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的降低，而且通過徑流和淋洗作用污染地表水和地下水，惡化水文環(huán)境，并可能通過直接接觸、食物鏈等途徑危及人類的生命和健康。尤為嚴重的是有毒重金屬在土壤系統(tǒng)中的污染過程具有隱蔽性、長期性和不可逆性的特點。因此，土壤系統(tǒng)中的污染和防治一直是國際上的難點和熱點研究課題。
目前污染土壤的修復(fù)主要采用物理化學修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)。前者主要包括化學固化、土壤淋洗和電修復(fù)。電動力學修復(fù)是一種原位修復(fù)技術(shù)，與化學清洗法和化學還原法相比，具有耗費人力少，接觸毒害物質(zhì)少，經(jīng)濟效益高等優(yōu)點。電動力學修復(fù)技術(shù)近年來發(fā)展很快，由于經(jīng)濟的可行性已經(jīng)被論證，在荷蘭、美國等國已進入野外實驗階段，正在嘗試商業(yè)化。
電動力學修復(fù)的方法為將兩個電極插入處理區(qū)的兩端并通以低壓直流電場，在電極兩端富集并除去土壤中的污染物。施加電場的主要作用有(1)電解產(chǎn)生的氫離子將土壤中結(jié)合態(tài)的污染物轉(zhuǎn)化為自由離子態(tài)，使其便于在電場中遷移。(2)提供污染物遷移的原動力。電動力學修復(fù)的機理有三個①電遷移—根據(jù)帶電離子所帶電荷的正負分別向陰極和陽極遷移；②電滲析—土壤空隙流體在電場作用下由陽極向陰極的流動；③電泳—土壤中帶電顆粒和膠體粒子在電場作用下的運動。
電化學反應(yīng)過程中，重金屬等污染物陽離子總是由陽極向陰極遷移，同時在陽極生成的H+加速了土壤中重金屬的溶出和向陰極的遷移，因此靠近陽極的土壤中的重金屬先于其它部分土壤中的重金屬被“電動力學”去除，這部分污染土壤先被治理徹底，在現(xiàn)有的處理技術(shù)中仍然要繼續(xù)進行電動力學修復(fù)，直到整個工作區(qū)域的污染土壤全部被修復(fù)徹底。Finland科學家Jurate Virkutyte于2002年發(fā)表電動力學修復(fù)污染土壤的的論文(The Science of TotalEnvironment，289，97-121)表明陽極和陰極間的距離放置2-3m，工作電壓40-60V/m時，處理時間至少需要10-20天，能耗大于200KWh/m3。而陽極和陰極設(shè)置距離小將增大電極的用量和費用。因此現(xiàn)有采用一組陽極和一組陰極固定處理直至徹底修復(fù)污染土壤的方式能耗大，處理周期長，限制了電動力學方法修復(fù)污染土壤的推廣和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種污染土壤的電動力學原位快速修復(fù)方法，能提高對土壤重金屬或難降解有機污染物的治理效果，縮短處理時間，節(jié)約能耗。
為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用獨特的工作電極前置或前移的陣列布局，促使在污染物電遷移的同時進行電場前移，以提高治理效果和節(jié)約能耗。在土壤處理區(qū)一端插入富集電極，另一端的工作電極采用前置或前移方式進行陣列布局，首先從處理區(qū)域遠處的工作電極開始通以直流電場，使土壤中的污染物在電位作用力下向富集電極區(qū)域遷移，電動處理使靠近工作電極土壤中污染物降低到處理要求后，對工作電極陣列中前一行的工作電極通電或?qū)⒐ぷ麟姌O前移后通電繼續(xù)處理，如此不斷依次改變陣列中工作電極的通電位置和降低工作電壓，直到完成整個工作區(qū)域污染土壤的治理。
本發(fā)明的方法具體如下1、將一組電極固定插入處理區(qū)的一端作為富集電極，在處理區(qū)另一端插入工作電極，處理區(qū)兩端的適宜距離為2-10m。工作電極采用前置或前移方式進行陣列布局，前置或前移的間隔為0.2-2m。首先從處理區(qū)域遠處放置的工作電極開始通以直流電場，電場強度適宜范圍為20-200V/m，根據(jù)待處理土壤的理化性質(zhì)設(shè)定。土壤中的污染物在電位作用力下向富集電極區(qū)域遷移。
2、電動處理10-120小時，使靠近工作電極土壤中污染物降低到處理要求后，對工作電極陣列中前一行的工作電極通電或?qū)⒐ぷ麟姌O前移后通電，并降低工作電壓，繼續(xù)電動處理。如此不斷依次改變陣列中工作電極的通電位置和降低工作電壓，直到完成整個工作區(qū)域污染土壤的治理。
本發(fā)明中工作電極的陣列布局可以預(yù)先設(shè)置好，也可以采用前移方式，以節(jié)省電極的使用。例如可采用雙行布置形式，從遠處放置的工作電極開始進行處理，然后對間隔0.2-2m的前置工作電極通電，并降低工作電壓繼續(xù)處理，而將原來的工作電極前移0.2-2.0m的距離放置。如此不斷依次改變陣列中工作電極的通電位置和降低工作電壓，直到完成整個工作區(qū)域污染土壤的治理。又如可采用單行布置形式，電動處理后將工作電極前移0.2-2.0m的距離放置，再通電并降低工作電壓繼續(xù)處理。如此不斷依次改變工作電極的通電位置和降低工作電壓，直到完成整個工作區(qū)域污染土壤的治理。
本發(fā)明可以根據(jù)污染土壤區(qū)域的幾何形狀不同，采用不同的電極布置及前移方式。當污染土壤區(qū)域為圓形或類似圓形時，工作電極可以按照同心圓環(huán)形狀，以固定的富集電極為中心逐步前置或前移。當污染土壤區(qū)域為方形時，工作電極按照方形陣列形狀，以固定的富集電極區(qū)域為平行邊，逐步平行前置或前移。
本發(fā)明可以選用堅固緊密的材料電極作為工作電極，包括石墨、鋼、PbO2/Ti、Ru/Ti和Pt等金屬或其合金等材料。
對于處理Pb、Cd、Cu、Zn等重金屬元素陽離子污染物時，以陰極電極作為富集電極，陽極作為工作電極，在污染物電遷移的同時進行電場前移和電壓降低，可以大大縮短陽極產(chǎn)生的H+的遷移距離，從而大幅度提高H+對陽離子污染物的溶出作用效果，也省去了作用于修復(fù)土壤的部分能量，在相同的工作電流密度下減小了工作電壓，降低了能耗，縮短了處理時間。
對于處理Cr、苯酚、CN等有毒陰離子污染物時，陽極電極作為富集電極，陰極作為工作電極，在污染物電遷移的同時進行電場前移和電壓降低，可以大大縮短陰極產(chǎn)生的OH-的遷移距離，從而大幅度提高OH-的對有毒陰離子污染物的溶出作用效果，也省去了作用于修復(fù)土壤的部分能量，在相同的工作電流密度下減小了工作電壓，降低了能耗，縮短了處理時間。


圖1為本發(fā)明針對圓形處理區(qū)域的修復(fù)方法示意圖。
圖1中，1為圓形處理區(qū)域，2為固定的富集電極，3為工作電極，4為前移位置或前置工作電極。
圖2為本發(fā)明針對方形處理區(qū)域的修復(fù)方法示意圖。
圖2中，1為方形處理區(qū)域，2為固定的富集電極，3為工作電極，4為前移位置或前置工作電極。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖并通過具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。
本發(fā)明對污染土壤進行修復(fù)處理的方法可以針對圖1所示的圓形處理區(qū)域或者針對圖2所示的方形處理區(qū)域進行。如圖1，在圓形處理區(qū)域1的圓心位置固定放置富集電極2，工作電極3從圓周外圍起，按照同心圓環(huán)形狀，以富集電極2為中心前置或者前移。圖中標號4所示為前移位置或前置工作電極。如圖2，在方形處理區(qū)域1的一側(cè)放置富集電極2，工作電極3布置在方形處理區(qū)域1的另一側(cè)，并按照方形陣列形狀，以富集電極2區(qū)域為平行邊，平行前置或前移。圖中標號4所示為前移位置或前置工作電極。
實施例1在冶煉廠周圍2.5m×2.0m的Pb污染土壤范圍處理，土壤污染深度約1.5m，在富集側(cè)固定插入2.5m×1.5m，厚度2mm的不銹鋼板做陰極，即富集電極，20個φ50mm的高密度石墨棒分成兩組作為陽極，即工作電極，其中10個工作電極等間距平行放置在另一側(cè)，并首先通以400V直流電，電場強度200V/m，中間再等間距平行放置10個工作電極。土壤中的Pb在電位作用力下向富集電極區(qū)域遷移。電動處理工作30小時后，通電于放置在中間的10個工作電極，并將工作電壓降低到200V，直到完成整個工作區(qū)域土壤治理。結(jié)果表明土樣中Pb含量由58.4mg/kg降低為7.1mg/kg，平均去除率達87.8％，處理能耗為40Kwh/m3。并通過離心純化陰極液分離出純度為66％的白色Pb(OH)2，從而實現(xiàn)資源的回收利用。
實施例2在電鍍廠周圍Cd污染土壤中選取4.2m×20m范圍進行處理，土壤污染深度約1.2m，在富集側(cè)固定插入2.0m×1.0m，厚度10mm的高密度石墨板做陰極，即富集電極，20塊1.2m×0.1m，厚度3.0mm的PbO2/Ti作為陽極，即工作電極，平行等間距放置在距富集側(cè)20m遠的另一側(cè)，并首先通以400V直流電，電場強度20V/m，開始處理。土壤中的Cd在電位作用力下向富集電極區(qū)域遷移。電動處理工作120小時后，陽極向陰極靠攏2m，放置好并將工作電壓降低到360V。電動處理工作120小時后，陽極再次向前移動2m并將工作電壓降低40V，如此向前移動9次，完成整個工作區(qū)域土壤治理。結(jié)果表明土樣中Cd平均含量由95mg/kg降低為1.5mg/kg，去除率達98％，處理能耗為34Kwh/m3。并通過離心純化陰極液分離出純度為70％的白色Cd(OH)2，從而實現(xiàn)資源的回收利用。
實施例3在化工廠周圍含苯酚污染土壤中選取直徑φ2.5m范圍進行處理，土壤污染深度約1.6m，在圓心周圍放置Ru/Ti網(wǎng)狀電極做成φ0.2m，長1.8m的陽極，即富集電極，地面上保留0.2m。32個φ50mm，長1.8m的鋼管作為陰極，即工作電極，地面上保留0.2m，按照圓形放置，間距約0.19m，放置在最外側(cè)，首先通以250V直流電，電場強度100V/m。土壤中的苯酚在電位作用力下向富集陽極區(qū)域遷移，并被陽極氧化。電動處理工作10小時后，將各陰極均向陽極靠攏0.2m，保持陰極間距0.15m-0.20m，去掉多余的陰極，并將電場強度降低到230V。再次進行電動處理10小時后，繼續(xù)將工作電極前移直到完成整個工作區(qū)域土壤治理。結(jié)果表明土樣中苯酚含量由205mg/kg降低為1.5mg/kg，平均去除率達99％，處理能耗為6Kwh/m3。
權(quán)利要求
1.一種污染土壤的電動力學原位快速修復(fù)方法，其特征在于將一組電極固定插入處理區(qū)的一端作為富集電極，在處理區(qū)另一端插入工作電極，處理區(qū)兩端的適宜距離為2-10m，工作電極采用前置或前移方式進行陣列布局，前置或前移的間隔為0.2-2m，首先從處理區(qū)域遠處放置的工作電極開始通以直流電場，電場強度范圍為20-200V/m，使土壤中的污染物在電位作用力下向富集電極區(qū)域遷移；電動處理10-120小時，使靠近工作電極土壤中污染物降低到處理要求后，對工作電極陣列中前一行的工作電極通電或?qū)⒐ぷ麟姌O前移后通電，并降低工作電壓繼續(xù)處理；如此不斷依次改變陣列中工作電極的通電位置和降低工作電壓，直到完成整個工作區(qū)域污染土壤的治理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的污染土壤的電動力學原位快速修復(fù)方法，其特征在于所述工作電極按照同心圓環(huán)形狀，以富集電極為中心前置或者前移。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的污染土壤的電動力學原位快速修復(fù)方法，其特征在于所述工作電極按照方形陣列形狀，以富集電極區(qū)域為平行邊，平行前置或前移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的污染土壤的電動力學原位快速修復(fù)方法，其特征在于處理Pb、Cd、Cu、Zn重金屬元素陽離子污染物時，以陰極電極作為富集電極，陽極作為工作電極；處理Cr、苯酚、CN有毒陰離子污染物時，以陽極電極作為富集電極，陰極作為工作電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的污染土壤的電動力學原位快速修復(fù)方法，其特征在于所述工作電極選用的材料為石墨、鋼、PbO2/Ti、Ru/Ti、Pt或其合金。
全文摘要
一種污染土壤的電動力學原位快速修復(fù)方法，處理區(qū)一端插入富集電極，另一端的工作電極采用前置或前移方式進行陣列布局，首先從處理區(qū)域遠處的工作電極開始通以直流電場，使土壤中的污染物在電位作用力下向富集電極區(qū)域遷移，電動處理使靠近工作電極土壤中污染物降低到處理要求后，對工作電極陣列中前一行的工作電極通電或?qū)⒐ぷ麟姌O前移后通電繼續(xù)處理，如此不斷依次改變陣列中工作電極的通電位置和降低工作電壓，直到完成整個工作區(qū)域污染土壤的治理。本發(fā)明的修復(fù)過程中，采用獨特的工作電極前置或前移的陣列布局，促使在污染物電遷移的同時進行電場前移，能提高對土壤重金屬或難降解有機污染物的治理效果，縮短處理時間，節(jié)約能耗。
文檔編號B09C1/00GK1695835SQ20051002661
公開日2005年11月16日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者申哲民, 陳學軍, 句炳新 申請人:上海交通大學