專利名稱：一種土壤和地下水電動修復方法
技術領域：
本發明涉及一種污染土壤和地下水電動修復技術。
背景技術：
當工業生產過程中產生的廢水和固體廢物進入土壤時，會到導致土壤和地下水的 污染，當該場地改變用途用于居住、農業等土壤質量要求嚴格的目的時，必須進行土壤和地 下水的修復，消除土壤和地下水中的污染物。 土壤和地下水修復的主要方法有(1)物理修復物理分離修復、固化/穩定化修 復、蒸汽浸提修復、電動(電化學)修復；(2)化學修復化學淋洗修復、溶劑浸提修復、高溫 焚燒修復；(3)生物修復預備床法、土壤堆腐法、泥漿生物反應器法、土地耕作法。
其中電動修復技術是利用電化學原理，在污染土壤的兩端加上直流電場，在電場 作用下，土壤和地下水中的污染物根據各自所帶電荷的不同而向兩電極遷移，最后進入電 極工作液中，實現將污染物從土壤和地下水中去除的目的。而富集了污染物的電極工作液 則采用相應的廢水處理技術進行處理。目前電動修復技術采用的電極為耐腐蝕、抗氧化的 惰性電極，工作液主要是KC1等堿金屬鹽類，工作液在修復過程中水發生電解，產生氫離子 或氫氧根離子，釋放02、 H2或Cl2氣體，在去除土壤和地下水污染物的同時也導致了土壤和 地下水的酸化。修復過程中，由于H+離子和0H—離子的電遷移速度遠大于其他離子，使得實 際用于污染物遷移的電流在總電流中占不到1%的比例，電流效率極低，同時還限制了修復 電壓的提高，使得修復時間長達數月甚至數年，效果不穩定。土壤和地下水酸化、極低的電 流效率和電極腐蝕問題嚴重制約了該技術的廣泛使用。本發明在陽極的選擇上反其道而行 之，通過犧牲陽極，以慢離子(金屬離子和酸根)替代快離子(H+離子和0H—離子)，很好地 解決了上述問題，同時還可以修復被酸或堿污染的土壤和地下水，不釋放02、H2或Cl2氣體， 消除了安全隱患。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種電流效率高、不引起土壤酸化、不需要昂貴 的惰性電極、不產生02、 H2或Cl2氣體的土壤和地下水修復方法。 本發明提出的方法是利用電化學原理，以需要修復的土壤和地下水為導電介質， 其中的陽離子(包括重金屬污染物陽離子)和陰離子(包括重金屬污染物)為載流子，在 兩端設有陰極和陽極反應池。 所述陽極反應池中的陽極采用金屬鐵，陽極工作液采用溶解性的鐵鹽溶液，在工 作中，陽極鐵失去電子被氧化成離子進入陽極工作液，并做為帶正電的載流子在電場作用 下向陰極方向移動進入土壤和地下水中； 所述陰極反應池中的陰極使用銅、覆銅的鐵或鐵，陰極工作液采用溶解性的銅鹽 或鐵鹽溶液，工作時，銅離子或三價的鐵離子被還原為銅單質或二價鐵離子，同時，少量的 由土壤中遷移到陰極工作液中的重金屬陽離子也被還原，銅鹽或鐵鹽的酸根則在電場作用下向陽極方向移動，進入土壤和地下水；
電源采用直流電源或直流脈沖電源。 通過電源同時對陰極和陽極給電，在它們之間形成電場，土壤和地下水中的重金 屬污染物的重金屬陽離子(如銅、鉛、鎘、鎳、鎘等通常以陽離子形式存在)做為帶正電的 載流子在電場作用下從土壤中遷移出來向陰極方向移動；而重金屬污染物的重金屬陰離子 (如鉻(VI)以陰離子酸根的形式存在)做為帶負電的載流子在電場作用下從土壤中遷移出 來向陽極方向移動，二者共同構成電動修復過程中流經土壤和地下水中的電流，使土壤和 地下水中的重金屬污染物的陰、陽離子最終分別遷移進入陽極和陰極工作液，實現將重金 屬污染物從土壤和地下水中清除的目的。最后，含有重金屬陽離子的陰極工作液和含有重 金屬陰離子的陽極工作液還可被抽取出來采用化學、電化學、離子交換、膜過濾等水處理技 術進行后續處理，回收再利用。 本發明中，陽極材料的選用與傳統電動修復技術中相反，沒有采用耐腐蝕、耐氧化 的惰性電極，而是正相反，采用電極電位低、易被氧化的鐵做為陽極，這樣做雖然在工作過 程中陽極會被消耗掉，但卻抑制水的電解，通過犧牲陽極材料抑制電遷移速度最快的陽離 子——氫離子的產生，代之以移動緩慢的鐵離子，實現以下目標(l)由于鐵離子在電場作 用下的遷移速度遠低于氫離子，提高電動修復的電流效率；(2)避免了氫離子做為載流子 進入土壤導致在修復過程中土壤和地下水酸化；(3)對已被酸污染的土壤和地下水進行修 復，使其pH值恢復正常；(4)不產生02或(]12氣體，消除安全隱患；(5)降低對電極材料的防 腐蝕要求。陽極材料可采用機加工等生產過程中產生的廢舊鐵屑、鐵片、鐵條等廢舊鋼鐵， 從而大幅度降低電極材料的費用，增大電極面積。 本發明中，陰極工作液采用溶解性銅鹽或鐵鹽，使銅離子或三價鐵離子在陰極上 替代氫離子被還原，抑制了氫氣和電遷移速度最快的陰離子——氫氧根離子的產生，實現 以下目標(l)由于銅鹽和鐵鹽的酸根在電場作用下的遷移速度低于氫氧根離子，使得電 動修復的電流效率得以提高；(2)避免了氫氧根離子做為載流子進入土壤導致在修復過程 中土壤和地下水的堿化；(3)對已被堿污染的土壤和地下水進行修復，使其pH值恢復正常； (4)不產生氫氣，消除安全隱患。在陰極析出的金屬銅可用酸溶解后再循環使用。
使用本發明方法在對鉻(VI)污染土壤(1100 1500mg/kg)的電動修復中，與傳 統電動修復技術相比，本方法的電流效率提高了約50% 150%。
圖1是實現本發明方法的一種結構示意圖；
圖2是實現本發明方法的另一種結構示意圖。
具體實施例方式參見圖1和圖2，該消毒裝置由3大部分組成 (l)電源l。電源可采用直流電源或直流脈沖電源，為電極供電。 (2)陽極電極2 、陰極電極4及陽極反應池3和陰極反應池5 。陽極反應池3和陰
極反應池5分設于修復的土壤和地下水6的兩端，陽極電極2和陰極電極4插于陽極反應
池3和陰極反應池5中；
(3)需要修復的土壤和地下水6。 以上兩圖僅為工作原理示意圖，具體的電極及電極反應池布置方式不局限于這兩 種方式。 陽極工作液采用濃度為0. 05M的三氯化鐵溶液，陰極工作液采用濃度為0. 1M的硫 酸銅溶液，粘土層厚度20cm，最低電壓25V，最高電壓220V，電流強度最高170mA，最低50mA。 經過198h的電動修復，土壤中總鉻含量由1280mg/kg降低至426mg/kg，去除率67%，總耗 電量57363. 51庫侖，兩個電極反應池工作液的pH值在通電過程中始終維持在6左右。陽 極和陰極反應池之間的距離(即土壤的寬度)沒有特別要求，距離越遠，需要的電壓應越 高，控制指標是電壓梯度，可從2V/cm升至11V/cm，甚至更高，最高值需要根據土壤的電阻、 地溫、土壤溫升、用電安全、電極電位等綜合要求權衡確定。當電壓梯度超過11V/cm時，陽 極回有明顯的氣泡產生。 圖1 :在需要修復的土壤兩邊和中間交替設置陰極反應池和陽極反應池，土壤被 電極反應池分割成條塊，土壤的間距根據現場和其他要求情況而定，電壓梯度在2 11V/ cm之間。該種布置效率較高，但電極反應池較大，工作液消耗量液也較大、投資較高。
圖2 :與圖1相比，其區別是將陽極反應池和陰極反應池都分割成數個不連續的小 池，減少電極反應池的總容積，以減少投資，但修復效率和效果也低于圖1的布置。
權利要求
一種土壤和地下水電動修復方法，所述方法是采用電化學原理，以需要修復的土壤或地下水為導電介質，兩端設有陰極和陽極反應池；其特征在于所述陽極反應池中的陽極采用金屬鐵，陽極工作液采用溶解性的鐵鹽溶液，在工作中，陽極鐵失去電子被氧化成離子進入陽極工作液，并做為帶正電的載流子在電場作用下向陰極方向移動進入土壤和地下水中；所述陰極反應池中的陰極使用銅、覆銅的鐵或鐵，陰極工作液采用溶解性的銅鹽或鐵鹽溶液，工作時，銅離子或三價的鐵離子被還原為銅單質或二價鐵離子，同時，少量的由土壤中遷移到陰極工作液中的重金屬陽離子也被還原，銅鹽或鐵鹽的酸根則在電場作用下向陽極方向移動，進入土壤和地下水；電源采用直流電源或直流脈沖電源；通過電源同時對陰極和陽極給電，在它們之間形成電場，土壤和地下水中的重金屬污染物的重金屬陽離子做為帶正電的載流子在電場作用下從土壤中遷移出來向陰極方向移動；而重金屬污染物的重金屬陰離子做為帶負電的載流子在電場作用下從土壤中遷移出來向陽極方向移動，二者共同構成電動修復過程中流經土壤和地下水中的電流，使土壤和地下水中的重金屬污染物的陰、陽離子最終分別遷移進入陽極和陰極工作液，實現將重金屬污染物從土壤和地下水中清除的目的。
2. 根據權利要求1所述的一種土壤和地下水電動修復方法，其特征在于進一步將含有重金屬陽離子的陰極工作液和含有重金屬陰離子的陽極工作液抽取出來進行后續處理，回收再利用。
全文摘要
本發明提出一種土壤和地下水修復方法，以需要修復的土壤或地下水為導電介質，陽極采用金屬鐵，工作液用鐵鹽溶液，陽極鐵失去電子被氧化成離子進入陽極工作液，并做為帶正電的載流子在電場作用下向陰極方向移動進入土壤和地下水中；陰極使用銅、覆銅的鐵或鐵，工作液用銅鹽或鐵鹽溶液，銅離子或三價的鐵離子被還原為銅單質或二價鐵離子，同時，少量的由土壤中遷移到陰極工作液中的重金屬陽離子也被還原，銅鹽或鐵鹽的酸根則在電場作用下向陽極方向移動，進入土壤和地下水。本方法可修復被重金屬、酸或堿污染的土壤和地下水，電流效率高，不改變土壤和地下水的pH值，不產生有安全隱患的氫氣、氧氣和氯氣，陽極材料廉價易得。
文檔編號C02F1/461GK101698521SQ20091019149
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月17日 優先權日2009年11月17日
發明者李 東 申請人:重慶大學