一種采用復合電極修復污染土壤和地下水的裝置和方法與流程

本發明屬于無機-有機復合污染土壤和地下水修復技術領域，更具體地涉及一種采用復合電極修復重金屬-有機物復合污染土壤和地下水的裝置。

本發明還涉及采用上述裝置修復重金屬-有機物復合污染土壤和地下水的方法。

背景技術：

電動修復技術是利用外加的直流電場作用，在特定的反應裝置中，通過電動效應(電遷移、電滲析、電泳)將污染物從土壤和地下水中去除。該技術因適用范圍廣，修復周期短，無二次污染而備受各國學者關注。

在電動修復過程，電極反應產生的極端pH環境對重金屬的去除過程是非常不利的，重金屬形態將會發生變化，形成沉淀態，從而降低了重金屬的遷移性。另外，在有機污染土壤和地下水中，電動修復僅能使離解的有機污染物遷移，對于強疏水性的非極性有機污染物，單獨的電動過程無法對其進行遷移降解處理，而且電動修復完成后，仍需要抽出電解池中的電解液，開展后續進一步的處理。

原位化學氧化技術是通過向土壤中投加化學氧化劑，如高錳酸鉀、臭氧、過硫酸鹽、Fenton試劑等，使其與污染物發生反應，將污染物轉化為危害性較小或無害物質，從而達到去除污染物的目的。該技術具有修復成本低、操作簡單、去除效率高、反應速度快等優點，因此常用于污染土壤和地下水的修復。然而，實踐證明，原位化學氧化技術投加的氧化劑容易受到地層介質低滲透性及非均勻性的限制，易產生孔道效應，即氧化劑只沿若干條滲透性相對較高的介質孔道流動，難以覆蓋整個污染區域，致使氧化效率低下。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種采用復合電極修復重金屬-有機物復合污染土壤和地下水的裝置。

本發明的又一目的是提供一種采用上述裝置修復重金屬-有機物復合污染土壤和地下水的方法。

為實現上述目的，本發明提供的采用復合電極修復污染土壤和地下水的裝置，包括：

電動修復裝置、直流電源、電流表、滑動變阻器、復合電極和石墨電極；其中：

電動修復裝置是由修復室、陰極電解池、陽極電解池和電解液儲備罐組成，所述的修復室包含復合污染土壤和地下水，修復室兩端設置有陰極電解池和陽極電解池，陰極電解池內安裝復合電極，復合電極表面涂覆有活性材料，陽極電解池內安裝石墨電極，陰極電解池和陽極電解池分別各連接有電解液儲備罐；

陰極電解池和陽極電解池之間裝有監測探頭；

復合電極和石墨電極之間串聯有直流電源、電流表和滑動變阻器；

所述的裝置中，修復室污染土壤的含水率為30％-50％，修復室距離為1m-10m，修復室的小于等于10m。

所述的裝置中，陰極電解池和陽極電解池距離為0.1m-2m。

所述的裝置中，陰極電解池和陽極電解池與各自的電解液儲備罐之間安裝有蠕動泵。

所述的裝置中，復合電極表面的活性材料是將過硫酸鹽緩釋材料、氫基膨潤土、活性炭和高嶺土，按質量比為1-20:1-15:1-5:1-10加入蒸餾水攪拌均勻后涂抹至石墨電極表面，靜置風干。

所述的裝置中，直流電源為恒壓式直流電源，電場強度為10V/m-800V/m。

所述的裝置中，滑動變阻器為0-500Ω。

所述的裝置中，定期替換頻率為20-50d。

本發明提供的采用上述裝置修復污染土壤和地下水的方法是：

在修復室內的陰極電解池和陽極電解池中加入電解液，將污染土壤含水率控制在30％-50％，調節蠕動泵分別控制電解液流量，并調節滑動變阻器，觀察陰極電解池和陽極電解池的液面高度和電流表數據，開啟電動修復；

通過監測探頭監測陰極電解池的電解液pH和污染物濃度的變化，監測修復室內污染土壤和地下水中污染物濃度變化，及時更換復合電極，調節蠕動泵流量和電流大小，確定修復周期。

所述的方法中，電動修復中，復合電極的活性材料調節陰極電解池的pH變化，并吸附富集至復合電極的重金屬污染物；復合電極的活性材料在修復過程中，會被活化產生具有強氧化性的自由基，在電場作用下與向陰極電解池遷移的有機污染物發生化學氧化，以降解土壤和地下水中有機污染物。

本發明的優點在于：

通過石墨電極、過硫酸鹽緩釋材料、氫基膨潤土、活性炭和高嶺土構成的復合電極，在電動修復的過程中，結合了電動修復和原位高級氧化技術的優勢，形成了一種效率持久高效、方便快捷、易于更換的電動修復裝置和方法，避免了電動修復之后電解液的后續抽出處理。該復合電極具有一定的pH的調節能力，可以吸附遷移至陰極處的重金屬和有機污染物，并具有能夠活化過硫酸鹽，產生強氧化性的硫酸根自由基，進而氧化降解有機污染物。與常規電動修復技術相比，解決了電動修復過程pH難以控制的問題，避免了重金屬易于沉積在土壤，有機污染物難以完全去除的難點。

附圖說明

圖1為本發明采用復合電極修復污染土壤和地下水的裝置示意圖。

圖2為本發明的復合電極的結構示意圖。

附圖中主要標識說明：

1直流電源，2電流表，3滑動變阻器，4電解液儲備罐，5蠕動泵，6電解池，7復合電極，8監測探頭，9重金屬-有機物復合污染土壤，10污染地下水，11石墨電極，12活性材料。

具體實施方式

請結合附圖。

本發明采用復合電極修復重金屬-有機物復合污染土壤和地下水的裝置包括有：電動修復裝置、直流電源1、電流表2、滑動變阻器3、復合電極(陰極)7、石墨電極(陽極)11。如圖1所示。

電動修復裝置主要是由修復室、陰極電解池和陽極電解池6、電解液儲備罐4組成，修復室包含復合污染土壤9和地下水10，修復室污染土壤的含水率控制在30％-50％，修復室距離控制在1m-10m，修復室深度控制在小于等于10m；陰極電解池和陽極電解池之間的距離控制在0.1m-2m，復合電極布設在陰極電解池，石墨電極布設在陽極電解池。

本發明的復合電極是由石墨電極11和活性材料層12構成，活性材料層是由過硫酸鹽緩釋材料、氫基膨潤土、活性炭和高嶺土組成，質量比例為1-20:1-15:1-5:1-10，其中的過硫酸鹽緩釋材料為中國專利CN103435140A所公開，本發明選擇的目數為100-500目，氫基膨潤土的顆粒選擇為100-500目，活性炭選擇為椰殼炭，目數為20-300目。復合電極請結合圖2所示。

復合電極的制備方法：將選擇的過硫酸鹽緩釋材料、氫基膨潤土、活性炭和高嶺土組分，按比例加入蒸餾水攪拌混合均勻后，涂抹至石墨棒狀電極表面，靜置自然風干備用。

復合電極中的活性材料層既可以中和陰極反應引起的高濃度OH^-離子，也可以吸附重金屬污染物和氧化有機污染物，該復合電極活性材料層效率高，持續時間長，易于更換，操作簡便。

本發明的直流電源可以選擇恒壓式直流電源，電場強度為10V/m-800V/m。本發明的滑動變阻器選擇為0-500Ω。

本發明提供的采用上述裝置修復重金屬-有機物復合污染土壤和地下水的方法，其步驟如下：

第一步：復合電極的制備，將選擇的過硫酸鹽緩釋材料、氫基膨潤土、活性炭和高嶺土，按照一定質量比例加入蒸餾水攪拌混合均勻后，涂抹至石墨棒狀電極表面，靜置自然風干備用。

第二步：加入電解液將污染土壤含水率控制在30％-50％，設置電解池、修復室和電解液儲備罐，用導線連接裝置各部分，調節蠕動泵5流量和滑動變阻器滑片，觀察電解池液面高度和電流表數據，開啟電動修復。

第三步：通過設置在污染土壤和地下水中的監測探頭8定期監測陰極電解池電解液pH和污染物濃度的變化，定期監測修復室內污染土壤和地下水中污染物濃度變化，及時更換復合電極，調節蠕動泵流量和電流大小，確定修復周期。本發明定期替換頻率選擇20-50d為宜。

實施例

某一加油站發生泄漏導致土壤和地下水發生污染，土壤和地下水污染物主要是Cu、Pb、TPH，污染的地下水為第一含水層，埋深為3.5m，厚度為2.6m。按照本發明提供的裝置和方法，完成其設計。陰極復合電極選擇過硫酸鹽緩釋材料、氫基膨潤土、活性炭和高嶺土，按照質量比例4:3:1:2加入蒸餾水攪拌混合均勻后，涂抹至石墨棒狀電極表面，靜置自然風干備用。調節場地土壤含水量為35％，陰極電解池和陽極電解池選用的電解液為0.5mol/L的氯化鈉溶液，陰極電解池和陽極電解池的長:寬:深度為50cm×50cm×6.1m，設置修復室長:寬:深度為5m×5m×6.1m。陽極電極選擇石墨棒狀電極，復合電極和石墨電極均為3個，電極之間的電場強度為60V/m，滑動變阻器選擇500Ω，電流表最大量程選擇1A。按照本發明的步驟要求，連接各部分，設置蠕動泵流量和調節滑動變阻器，啟動電動修復。定時監測陰極電解池和修復室內土壤和地下水中重金屬和有機污染物的濃度變化，并實時記錄陰極電解池pH變化。修復42d后，更換復合電極，經檢測土壤中重金屬去除率達到87％，有機污染物去除率達到75％。

本發明針對重金屬-有機物復合污染土壤和地下水電動修復難以完全修復的技術難點，提出了一種采用復合電極的電動修復裝置和方法，結合復合電極的活性材料實現污染土壤和地下水的pH控制、吸附重金屬污染物及氧化降解有機污染物三位一體的高效快捷修復效率。修復完成后，通過復合電極的定期替換可實現重金屬-有機物復合污染物的原位去除。