专利名称：一种电动力修复铬污染地下水的装置及修复方法
技术领域：
本发明属于地下水污染修复技术领域，特别涉及一种电动力修复铬污染地下水的装置及修复方法。
背景技术：
地下水是自然界水循 环的重要组成部分，与人类活动和生存息息相关。随着生产的发展，地下水重金属污染的问题日益严重，已经成为当前人类所面临的最紧迫的环境污染问题之一。对全国118个城市地下水质量进行评价中，64%有的城市地下水受到严重的污染，33%的城市地下水受到轻度污染，而仅3%的城市地下水基本洁净，其中地下水铬污染尤其引人注目。地下水存在于土壤空隙和地下岩石裂隙中，由于地下水与其重金属污染物质的物理化学作用过程十分复杂，其污染进程往往十分隐蔽和缓慢，既不容易及早发现，又难以在较短时间内治理奏效，因此地下环境的污染治理比地表环境更为复杂和困难，从而对修复技术也要求较高。通常情况下对重金属污染的土壤和地下水多采用植物修复等技术，但此类型修复的周期长且见效慢因为重金属污染物在土壤中主要与腐殖质类天然有机质结合而吸附在土壤颗粒上，并稳定存在，不易被植物高效吸收，所以增加了重金属污染物从土壤中去除的难度，使传统的植物修复效率降低，而地下水污染的抽出处理则耗费较大，应用受到限制。电动修复是一种原位修复技术，它的基本机理是水饱和土壤在电场的作用下，水发生电解反应，阴极产生氢气和氢氧根离子，阳极产生氧气和氢离子，阳极产生的氢离子在电场和浓度梯度的作用下，向土壤内部迁移和扩散，氢离子在迁移和扩散的过程中，置换和溶解土壤中的重金属污染物，被溶解后的重金属污染物在电场和浓度梯度的作用下，以离子迁移和电渗的方式朝阴极方向定向迁移，从而达到去除土壤污染物的目的。电动修复过程中最主要的电极反应如下(E0为标准电极电位)阳极反应2H20 — 4e ―一 02 +4Η+，E0= —1. 229 V ；阴极反应2H20+2e — — H2 t +20H —，E0= — O. 828 V ；由于电解反应，阳极产生氢离子，阴极产生氢氧根离子，阳极产生的氢离子有利于重金属的活化，使其迁移至阴极而富集。阴极产生的氢氧根离子使重金属离子沉淀，阻塞修复体空隙，不利于电迁移和电渗流。与化学清洗法和化学还原法相比，具有耗费人工少、维护管理简单、化学试剂使用少、不破坏修复体的基本结构和特性、基本无二次污染、经济效益高等优点；与化学固化法相比，是一种成本低、可实现污染物质彻底清除的修复技术；与物理修复相比，耗费人工少，不需要施工而影响外界景观和周围环境；与生物修复技术相t匕，具有投资少、见效快的优点。另外，电修复技术还可以与其它技术形成复合污染治理工艺。同时，电动修复技术也存在一些局限性①不适合用于含水率低的修复体，在含水率10%以下效果变差由于同一修复体的成分差异，局部矿物质高，电导性好，造成电流异常，也可能影响修复体原来的性状；③电解反应产生二次污染物，如氧化还原反应产生副产物氯气等；④腐蚀问题，如碳、石墨、钼等电极腐蚀后残留在修复体中。此外，电动修复过程中，修复体的pH值及氧化还原电位的极端改变，也会造成修复效果变差。实际上，因为阳极电解产生的大量氢离子在电场作用下不断迁移，致使土壤的PH值下降，虽然有利于重金属离子溶解，但如果pH值过低就会使土壤的Zeta变化到零电位，甚至改变符号。这样就会导致电渗流减弱，严重会导致逆渗流现象发生。很多研究者利用有机酸作为电动修复的强化剂，且实现了对污染物较高的去除率。有机酸不但可以用来调节pH值，而且还具有一定的缓冲和鳌合功能，能促使污染物溶解从而有利于污染物的去除。常用的有机酸主要有乙酸、柠檬酸、乳酸等，其中柠檬酸的鳌合性能最好，应用最为广泛。有机酸是一种可生物降解、对环境友好的强化剂，它的强化作用主要有两方面一是控制PH值，使修复系统维持在较稳定的酸性环境，有利于重金属的溶解去除以及防止阴极附近碱化沉淀；二是鳌合作用，促进重金属鳌合溶解于水相中，提高了重金属的可迁移性。但有机酸的应用对电渗流的影响也是值得关注的，因为有机酸的过 度使用也会导致修复体阴离子增多而降低Zeta电位，直接影响电渗流的大小甚至方向。
发明内容
本发明针对传统电动力修复过程中发生的电解液PH值变化对修复效果的影响进行了改良，选用柠檬酸作为化学增强剂，提供了一种电动力修复铬污染地下水的装置及修复方法。柠檬酸一方面用来调节PH值，另外还具有一定的缓冲和鳌合功能，能促使污染物溶解从而有利于污染物的去除。一种电动力修复铬污染地下水的装置，该装置由进水系统、主体反应系统和出水系统顺次相连组成；所述进水系统中进水箱与进水溢流槽相连，进水溢流槽的上部设置进水溢流孔；所述主体反应系统中反应装置通过两块竖直隔板分成进水区、反应区和出水区三部分，直流电源的正极和负极分别与反应装置的进水区和出水区相连，阳极柠檬酸储备室和阴极柠檬酸储备室分别通过一个蠕动泵与阳极柠檬酸输入管和阴极柠檬酸输入管相连，阳极柠檬酸输入管和阴极柠檬酸输入管分别与进水区和出水区相连；所述出水系统为出水溢流槽，其上部设置出水溢流孔；所述进水溢流槽和出水溢流槽分别通过管路与进水区和出水区相连。所述隔板为有机玻璃材质，其上设置多个圆孔，每个隔板的两侧均分别设置一层无纺土工布，使隔板两侧液体均匀渗透，并防止砂土向外流出。所述阳极柠檬酸输入管和阴极柠檬酸输入管均为有机玻璃材质，其在反应装置内部的管壁上分别均匀设置多个圆孔，其外侧均设置一层无纺土工布，防止砂土进入。所述直流电源的正极和负极均为圆柱状纯石墨电极，在反应装置中提供非均匀电场。一种电动力修复铬污染地下水的方法，其模拟污染动态地下水通过两侧的进水溢流槽和出水溢流槽之间的水位差在反应区产生水力梯度来控制流速，具体步骤如下a.首先，根据需求在阳极柠檬酸储备室和阴极柠檬酸储备室中添加的柠檬酸溶液；b.用导线把反应装置与直流电源连接起来；
c.含高浓度铬离子的重金属污染地下水通过进水系统进水，流经反应区进行电解反应；与此同时，阳极柠檬酸溶液通过阳极柠檬酸输入管与由进水区流入的受重金属污染的地下水混合，一起进入反应区，然后由直流电源供电，开始电解反应，反应结束后由出水区流出；整个反应过程中，阳极柠檬酸储备室和阴极柠檬酸储备室中的柠檬酸溶液分别以一定速度通过蠕动泵向反应装置中补充；d.对出水区的铬离子浓度进行测定。所述阴极柠檬酸储备室的柠檬酸溶液的浓度为O. 3 mol/L^O. 5 mol/L，阳极柠檬酸储备室的柠檬酸溶液浓度为O. 03 mol/L O. 05 mol/L。所述进水系统的进水速度为10 L/h。所述阴极柠檬酸储藏室中的柠檬酸溶液以I mL/cT5 mL/d的速度向反应装置中补充，阳极柠檬酸储备室中的柠檬酸溶液以0.1 mL/cTO.6 mL/d的速度补充。
所述直流电源的正极和负极均为圆柱状纯石墨电极，在反应装置中提供非均匀电场，直流电源对反应装置施加20 mA^50 mA的恒定电流。本发明的有益效果为1、将化学强化同电动力结合在一起，极大的提高了对重金属离子的去除效率，有机酸不但可以用来调节PH值，而且还具有一定的缓冲和鳌合功能，能促使污染物溶解从而有利于污染物的去除；2、此方法适用于远未修复，对生态环境影响较小，可防止重金属污染物在转移过程中污染土壤;3、对重金属的去除效率极高，出水水质良好，可达95%以上，出水区的地下水达到国家污水排放标准；4、比传统的修复方法相比，这种方法体现出成本低，工艺简单易行，便于操作，无二次污染等突出优点；且与一般的无机酸处理相比，去除率有较大优势；
图1为本发明装置结构示意图；图中标号1_进水箱；2_进水溢流孔；3_进水溢流槽；4_反应装置；5_出水溢流槽；6_出水溢流孔；7_为直流电源；8_阳极柠檬酸输入管；9_阴极柠檬酸输入管；10-阳极柠檬酸储备室；11_阴极柠檬酸储备室；12-蠕动泵；13_进水系统；14-主体反应系统；15-出水系统；16_隔板；17_进水区；18_反应区；19_出水区。
具体实施例方式本发明提供了一种电动力修复铬污染地下水的装置及修复方法，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。一种电动力修复铬污染地下水的装置，该装置由进水系统13、主体反应系统14和出水系统15顺次相连组成；所述进水系统13中进水箱I与进水溢流槽3相连，进水溢流槽3的上部设置进水溢流孔2 ;所述主体反应系统14中反应装置4通过两块竖直隔板16分成进水区17、反应区18和出水区19三部分，直流电源7的正极和负极分别与反应装置4的进水区17和出水区19相连，阳极柠檬酸储备室10和阴极柠檬酸储备室11分别通过一个蠕动泵12与阳极朽1檬酸输入管8和阴极朽1檬酸输入管9相连,阳极朽1檬酸输入管8和阴极朽1檬酸输入管9分别与进水区17和出水区19相连；所述出水系统15为出水溢流槽5，其上部设置出水溢流孔6 ;所述进水溢流槽3和出水溢流槽5分别通过管路与进水区17和出水区19相连。所述隔板16为有机玻璃材质，其上设置多个圆孔，每个隔板16的两侧均分别设置一层无纺土工布，使隔板16两侧液体均匀渗透，并防止砂土向外流出。所述阳极朽1檬酸输入管8和阴极朽1檬酸输入管9均为有机玻璃材质,其在反应装置4内部的管壁上分别均匀设置多个圆孔，其外侧均设置一层无纺土 工布，防止砂土进入。所述直流电源7的正极和负极均为圆柱状纯石墨电极，在反应装置4中提供非均匀电场。一种电动力修复铬污染地下水的方法，其模拟污染动态地下水通过两侧的进水溢流槽和出水溢流槽之间的水位差在反应区产生水力梯度来控制流速，具体步骤如下a.首先，根据需求在阳极柠檬酸储备室和阴极柠檬酸储备室中添加的柠檬酸溶液；b.用导线把反应装置与直流电源连接起来；c.含高浓度铬离子的重金属污染地下水通过进水系统进水，流经反应区进行电解反应；与此同时，阳极柠檬酸溶液通过阳极柠檬酸输入管与由进水区流入的受重金属污染的地下水混合，一起进入反应区，然后由直流电源供电，开始电解反应，反应结束后由出水区流出；整个反应过程中，阳极柠檬酸储备室和阴极柠檬酸储备室中的柠檬酸溶液分别以一定速度通过蠕动泵向反应装置中补充；d.对出水区的铬离子浓度进行测定。所述阴极柠檬酸储备室的柠檬酸溶液的浓度为O. 3 mol/L^O. 5 mol/L，阳极柠檬酸储备室的柠檬酸溶液浓度为O. 03 mol/L O. 05 mol/L。所述进水系统的进水速度为10 L/h ο所述阴极柠檬酸储藏室中的柠檬酸溶液以I mL/cT5 mL/d的速度向反应装置中补充，阳极柠檬酸储备室中的柠檬酸溶液以0.1 mL/cTO.6 mL/d的速度补充。所述直流电源的正极和负极均为圆柱状纯石墨电极，在反应装置中提供非均匀电场，直流电源对反应装置施加20 mA^50 mA的恒定电流。本发明将化学强化同电动力结合在一起，极大的提高了对重金属离子的去除效率，有机酸不但可以用来调节PH值，而且还具有一定的缓冲和鳌合功能，能促使污染物溶解从而有利于污染物的去除此方法适用于远未修复，对生态环境影响较小，可防止重金属污染物在转移过程中污染土壤。对重金属的去除效率极高，出水水质良好，可达95%以上，出水区的地下水达到国家污水排放标准。比传统的修复方法相比，这种方法体现出成本低，工艺简单易行，便于操作，无二次污染等突出优点。且与一般的无机酸处理相比，去除率有较大优势。
权利要求
1.一种电动力修复铬污染地下水的装置，其特征在于该装置由进水系统(13)、主体反应系统(14)和出水系统(15)顺次相连组成；所述进水系统(13)中进水箱(I)与进水溢流槽(3)相连，进水溢流槽(3)的上部设置进水溢流孔(2);所述主体反应系统(14)中反应装置(4)通过两块竖直隔板(16)分成进水区(17)、反应区(18)和出水区(19)三部分，直流电源(7)的正极和负极分别与反应装置(4)的进水区(17)和出水区(19)相连，阳极柠檬酸储备室(10 )和阴极柠檬酸储备室(11)分别通过一个蠕动泵(12 )与阳极柠檬酸输入管(8 ) 和阴极朽1檬酸输入管(9 )相连,阳极朽1檬酸输入管(8 )和阴极朽1檬酸输入管(9 )分别与进水区(17)和出水区(19)相连；所述出水系统(15)为出水溢流槽(5)，其上部设置出水溢流孔(6);所述进水溢流槽(3)和出水溢流槽(5)分别通过管路与进水区(17)和出水区(19)相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述隔板(16)为有机玻璃材质，其上设置多个圆孔，每个隔板(16)的两侧均分别设置一层无纺土工布，使隔板(16)两侧液体均匀渗透，并防止砂土向外流出。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述阳极柠檬酸输入管(8)和阴极柠檬酸输入管(9)均为有机玻璃材质，其在反应装置(4)内部的管壁上分别均匀设置多个圆孔，其外侧均设置一层无纺土工布，防止砂土进入。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述直流电源(7)的正极和负极均为圆柱状纯石墨电极，在反应装置(4)中提供非均匀电场。
5.一种电动力修复铬污染地下水的方法，其特征在于，模拟污染动态地下水通过两侧的进水溢流槽和出水溢流槽之间的水位差在反应区产生水力梯度来控制流速，具体步骤如下a.首先，根据需求在阳极柠檬酸储备室和阴极柠檬酸储备室中添加的柠檬酸溶液；b.用导线把反应装置与直流电源连接起来；c.含高浓度铬离子的重金属污染地下水通过进水系统进水，流经反应区进行电解反应；与此同时，阳极柠檬酸溶液通过阳极柠檬酸输入管与由进水区流入的受重金属污染的地下水混合，一起进入反应区，然后由直流电源供电，开始电解反应，反应结束后由出水区流出；整个反应过程中，阳极柠檬酸储备室和阴极柠檬酸储备室中的柠檬酸溶液分别以一定速度通过蠕动泵向反应装置中补充；d.对出水区的铬离子浓度进行测定。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述阴极柠檬酸储备室的柠檬酸溶液的浓度为O. 3 mol/L^O. 5 mol/L，阳极柠檬酸储备室的柠檬酸溶液浓度为O. 03 mol/L^O. 05 mol/L0
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述进水系统的进水速度为10L/h。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述阴极柠檬酸储藏室中的柠檬酸溶液以I mL/cT5 mL/d的速度向反应装置中补充，阳极柠檬酸储备室中的柠檬酸溶液以O.1 mL/ (TO. 6 mL/d的速度补充。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述直流电源的正极和负极均为圆柱状纯石墨电极，在反应装置中提供非均匀电场，直流电源对反应装置施加20 mA^50 mA的恒定电流。
全文摘要
本发明属于地下水污染修复技术领域，特别涉及一种电动力修复铬污染地下水的装置及修复方法。本发明装置由进水系统、主体反应系统和出水系统顺次相连组成；受污染的地下水经过水力系统进入主体反应系统中进行经有机酸强化的电动力处理；模拟污染动态地下水通过两侧的溢流水槽之间的水位差在反应区产生水力梯度来控制流速；铬污染地下水进入反应区后，静置后作为电解液通过反应区，与柠檬酸溶液混合，在恒定直流电作用下，被污染地下水中的铬离子在修复过程中不断从地下水中解吸出来，并在电场力作用下，从地下水中去除，从而实现对铬污染地下水的治理。本发明的工艺具有重金属去除率高，无二次污染，易操作等特点，重金属去除率可达95%以上。
文档编号C02F1/66GK103011349SQ20121059198
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者何理, 冯茂 申请人:华北电力大学