專利名稱：用于原位修復重金屬污染土和地下水的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種重金屬污染土和地下水的原位修復方法，具體涉及一種用于原位修復重金屬污染土和地下水的裝置及其使用方法。
背景技術：
重金屬污染指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染。重金屬具有很強的危害性，其危害程度取決于重金屬在環(huán)境、食品和生物體中存在的濃度和化學形態(tài)。重金屬污染主要表現(xiàn)在水污染中，還有一部分是在大氣和固體廢物中。重金屬污染與其他有機化合物的污染不同。不少有機化合物可以通過自然界本身物理的、化學的或生物的凈化，使有害性降低或解除。而重金屬具有富集性，很難在環(huán)境中降解。目前我國由于在重金屬的開采、冶煉、加工過程中，造成不少重金屬如鉛、汞、鎘、鈷等進入大氣、水、土壤引起嚴重的環(huán)境污染。如隨廢重金屬水銀水排出的重金屬，即使?jié)舛刃?，也可在藻類和底泥中積累，被魚和貝類體表吸附，產(chǎn)生食物鏈濃縮，從而造成公害。水體中金屬有利或有害不僅取決于金屬的種類、理化性質，而且還取決于金屬的濃度及存在的價態(tài)和形態(tài)，即使有益的金屬元素濃度超過某一數(shù)值也會有劇烈的毒性，使動植物中毒，甚至死亡。金屬有機化合物(如有機汞、有機鉛、有機砷、有機錫等)比相應的金屬無機化合物毒性要強得多；可溶態(tài)的金屬又比顆粒態(tài)金屬的毒性要大；六價鉻比三價鉻毒性要大等
坐寸ο由于長年的礦山開采和冶煉，中國重金屬污染事件時有發(fā)生。近年，安徽、陜西、浙江等地相繼發(fā)生兒童血鉛超標事件。今年I月，廣西龍江河部分河段出現(xiàn)鎘污染超標，下游柳州市發(fā)生搶買礦泉水事件。規(guī)劃指，重金屬污染對生態(tài)環(huán)境和公眾健康均造成嚴重威脅。最近，在廣西柳州市區(qū)上游57公里的柳城縣糯米灘水電站以上的龍江河段，尚有鎘濃度超標5倍以上的水體長達100公里。這一重金屬水污染，引起多方關注。因此，如何實現(xiàn)對重金屬污染區(qū)域的原位修復是一個很重要的問題。本發(fā)明正是基于這種環(huán)境背景下提出的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于原位修復重金屬污染土和地下水的改進裝置。本發(fā)明的另一目的在于提供一種修復重金屬污染土和地下水的方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案實現(xiàn)
一種用于原位修復重金屬污染土和地下水的裝置，其特征是該裝置包括有陰極柱和陽極樁，所述陰極樁結構自內向外依次由柱形電極、內多孔擋板、陰離子交換膜、陽離子交換膜、外多孔擋板、陰極環(huán)形筒(組成，其樁體的上端為陰極外圓形板和陰極內圓形板，樁體的下端設有陰極圓形板；所述陽極樁結構自內向外由柱形電極、環(huán)形多孔擋板、陽極環(huán)形筒組成，其樁體上端為陽極外圓形板、陽極內圓形板，其樁體下端為陽極圓形板；所述陰極樁與電源陰極相連，陽極樁與電源陽極相連。
所述述陰極外圓形板和陽極外圓形板為可拆除式結構。所述陰極環(huán)形筒和陽極環(huán)形筒為拆除式結構，它們由塑料板或鋼板制成。所述外多孔擋板、內多孔擋板和環(huán)形多孔擋板的材料為能阻止淤泥通過，但不妨礙水分子通過的材料。本發(fā)明還提供一種利用上述的裝置原位修復重金屬污染土和地下水的方法，其特征在于具體實施步驟為
a、確定需要修復重金屬污染土或者地下水的區(qū)域；
b、判斷該區(qū)域是否適合用該方法進行處理，該區(qū)域的PH值是否偏酸性，如果PH值偏堿性重金屬大多以非離子態(tài)存在，即不能使用本方法；另外，判斷污染土應該處于濕潤或飽和狀態(tài)，即重金屬離子可以在區(qū)域里自由移動； C、確定處理區(qū)域后，把所述陰極樁和陽極裝布置在處理區(qū)域內，陽極樁應呈環(huán)繞型包圍在陰極樁周圍，如果該區(qū)域土體松軟如淤泥，可以直接將樁插入預定的位置；如果土體較為堅硬，可以預先用機械或者其他方法打出小孔，然后把樁插入孔中，其后拔掉樁的陰極外圓形板、陽極外圓形板和陰極環(huán)形筒、陽極環(huán)形筒；
d、向陰陽兩極加入電解液池，接通直流電源通電，通電過程中適時向陽極電解液池和陰極電解液池補充相應損失的電解液；
e、當電流保持在一個穩(wěn)定的值時，將兩層離子交換膜內沉淀物及溶液取走，停止通電，然后將修復后的淤泥與陰極中的堿性溶液混合，靜置；
f、將修復后的陽極與陰極中的溶液倒回原來的孔里，使處理區(qū)域的PH值恢復到原先狀態(tài)。6、根據(jù)權利要求5所述的原位修復重金屬污染土和地下水的方法，其特征在于所述步驟b中向陽極和陰極補充相應電解液時，電解液的運送量為I 5ml/min ;通直流電時直流電壓為I 30V/cm ;向陽極加入的電解液池為O. 015 0. 050mol/L的酸性溶液，向陰極和兩層離子交換膜之間加入的電解液為O. 015 ^0. 050 mol/L中性溶液。所述酸性溶液為H2S04，所述中性溶液為Na2S04。所述陰極樁處理污染土一定次數(shù)后，將離子交換膜拆下來，清洗處理后重新使用。在修復過程中，根據(jù)電化學知識可知，陰陽兩極發(fā)生如下電解反應
陽樣2e· 2/Γ +1/20j t陰420/Γ +馬 t這樣會在陽極產(chǎn)生H+，陰極產(chǎn)生0H_，在電場作用下，陽離子包含重金屬離子，如Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+、H+等向陰極移動，陰離子如OF1等向陽極移動。OF1等陰離子通過陰離子選擇透過膜后，由于存在陽離子選擇性透過膜，這樣便限制了 OF1離子的流動，而H+可以一直在淤泥中移動，直到穿過陽離子選擇性透過膜與0H—相遇，這樣污泥處理室中淤泥全部處于較強的酸性條件下，較強的酸性可以增加重金屬離子的活躍性。在陰陽離子交換膜兩側，由于存在陽離子選擇透過性膜和陰離子選擇透過性膜，當重金屬離子如Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+、Al3+等、H+等陽離子向陰極移動時，在順利通過陽離子選擇透過性膜后受到陰離子選擇透過性膜的阻擋；當OiT1等陰離子向陽極移動時，在順利通過陰離子選擇透過性膜后受到陽離子選擇透過性膜的阻擋。這兩層選擇透過性膜限制了陰離子和陽離子的運動，這樣重金屬離子便會控制在兩層膜之間。
對于重金屬離子的化學反應可以分為兩類，一類是可以與OH—1生成沉淀的，如Cu2+和Fe3+;另一類是可以溶于強堿的如Zn2+、Al3+、Pb2+等。兩類離子典型的化學反應式為以Cu2+和Al2+為例
權利要求
1.一種用于原位修復重金屬污染土和地下水的裝置，其特征是該裝置包括有陰極柱和陽極樁，所述陰極樁結構自內向外依次由柱形電極(1-6)、內多孔擋板(1-5)、陰離子交換膜(1-4)、陽離子交換膜(1-3)、外多孔擋板(1-2)、陰極環(huán)形筒(1-1)組成，其樁體的上端為陰極外圓形板(1-7)和陰極內圓形板(1-8)，樁體的下端設有陰極圓形板(1-9);所述陽極樁結構自內向外由柱形電極(2-3)、環(huán)形多孔擋板(2-2)、陽極環(huán)形筒(2-1)組成，其樁體上端為陽極外圓形板(2-4)、陽極內圓形板(2-5)，其樁體下端為陽極圓形板(2-6);所述陰極樁與電源陰極相連，陽極樁與電源陽極相連。
2.根據(jù)權利要求I所述的用于原位修復重金屬污染土和地下水的裝置，其特征在于所述陰極外圓形板(1-7)和陽極外圓形板(2-4)為可拆除式結構。
3.根據(jù)權利要求I所述的用于原位修復重金屬污染土和地下水的裝置，其特征在于陰極環(huán)形筒(1-1)和陽極環(huán)形筒(2-1)為拆除式結構，它們由塑料板或鋼板制成。
4.根據(jù)權利要求I所述的用于原位修復重金屬污染土和地下水的裝置，其特征在于所述外多孔擋板(1-2)、內多孔擋板(1-5)和環(huán)形多孔擋板(2-2)的材料為能阻止淤泥通過，但不妨礙水分子通過的材料。
5.一種利用權利要求I至4中任意一項所述的裝置用于原位修復重金屬污染土和地下水的方法，其特征在于具體實施步驟為 a、確定需要修復重金屬污染土或者地下水的區(qū)域； b、判斷該區(qū)域是否適合用該方法進行處理，該區(qū)域的PH值是否偏酸性，如果PH值偏堿性重金屬大多以非離子態(tài)存在，即不能使用本方法；另外，判斷污染土應該處于濕潤或飽和狀態(tài)，即重金屬離子可以在區(qū)域里自由移動； C、確定處理區(qū)域后，把所述陰極樁和陽極裝布置在處理區(qū)域內，陽極樁應呈環(huán)繞型包圍在陰極樁周圍，如果該區(qū)域土體松軟如淤泥，可以直接將樁插入預定的位置；如果土體較為堅硬，可以預先用機械或者其他方法打出小孔，然后把樁插入孔中，其后拔掉樁的陰極外圓形板(1-7)、陽極外圓形板(2-4)和陰極環(huán)形筒(1-1)、陽極環(huán)形筒(2-1)； d、向陰陽兩極加入電解液池，接通直流電源通電，通電過程中適時向陽極電解液池和陰極電解液池補充相應損失的電解液； e、當電流保持在一個穩(wěn)定的值時，將兩層離子交換膜內沉淀物及溶液取走，停止通電，然后將修復后的淤泥與陰極中的堿性溶液混合，靜置； f、將修復后的陽極與陰極中的溶液倒回原來的孔里，使處理區(qū)域的PH值恢復到原先狀態(tài)。
6.根據(jù)權利要求5所述的原位修復重金屬污染土和地下水的方法，其特征在于所述步驟b中向陽極和陰極補充相應電解液時，電解液的運送量為I 5ml/min ;通直流電時直流電壓為I 30V/cm ;向陽極加入的電解液池為O. 015 0. 050mol/L的酸性溶液，向陰極和兩層離子交換膜之間加入的電解液為0.015 ^0. 050 mol/L中性溶液。
7.根據(jù)權利要求6所述的原位修復重金屬污染土和地下水的方法，其特征在于所述酸性溶液為H2S04，所述中性溶液為Na2S04。
8.根據(jù)權利要求5所述的原位修復重金屬污染土和地下水的方法，其特征在于所述陰極樁處理污染土一定次數(shù)后，將離子交換膜拆下來，清洗處理后重新使用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于原位修復重金屬污染土和地下水的裝置，其特征是該裝置包括有陰極柱和陽極樁，所述陰極樁結構自內向外依次由柱形電極內多孔擋板、陰離子交換膜、陽離子交換膜、外多孔擋板、陰極環(huán)形筒組成，其樁體的上端為陰極外圓形板和陰極內圓形板；所述陽極樁結構自內向外由柱形電極、環(huán)形多孔擋板、陽極環(huán)形筒組成，其樁體上端為陽極外圓形板、陽極內圓形板；所述陰極樁與電源陰極相連，陽極樁與電源陽極相連。本發(fā)明還公開了一種采用上述裝置的修復方法，該方法極大降低了離子交換膜的用量，具有成本低、效率高、處理范圍大、避免了二次污染等特點，在重金屬污染惡性事件頻發(fā)的今天具有一定的意義。
文檔編號C02F101/20GK102874905SQ201210389389
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權日2012年10月15日
發(fā)明者徐衛(wèi)亞, 孟慶祥, 王偉, 王林偉, 孟永東, 趙志涵, 張詩悅 申請人:河海大學