一种治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置，其特征是：装置是由电源、控制中枢和电极组或电极通过导线依次串联而成的控制电路，电极组或电极埋设在污染介质中，并在污染介质中添加电导离子催化液；控制中枢接收电源输出的电流后，进行调节输出至电极组或电极，从而控制电极组或电极上的电压、电极极性和/或电流方向。本实用新型能有效促进土壤和地下水污染物的降解并提高污染物降解效率，且不会造成二次污染，从而通过治理土壤和地下水中有机和无机污染物以达到修复土壤的目的。
【专利说明】一种治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及土壤和地下水污染治理领域，更具体地说是一种治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置及其应用。
【背景技术】
[0002]土壤及其地下水中所含有的污染物有众多类型，可以概括为有机污染物和无机污染物(其中包括金属类)。虽然天然土壤及其地下水中可能含有污染物(比如砷、铅等重金属)，但绝大多数高浓度的污染物都来源于人类的工业、农业活动。土壤污染治理的现有方法包括物理(比如挖掘、换土、机械洗土)、化学(比如氧化、还原)和生物(比如微生物降解、植物修复等)等方法。其中，鉴于某些污染介质需要在较短时间(比如数月)内得到治理并达到有关标准，化学法通常被采用。
[0003]针对常见的土壤和地下水污染物，实践中最常用的治理方法是化学氧化。化学氧化对处于相对还原态、氧化还原势较低的污染物有显著的降解效果，尤其是石油烃类化合物比如汽油、柴油类和一般的苯类化合物，以及一些低价态的无机污染物(比如将三价砷氧化成稳定态的五价砷形式，从而消除环境和健康危害)。化学氧化法使用常见的氧化剂比如过氧化氢、过硫酸盐、高锰酸盐、高碳酸盐、臭氧等，通过适当的活化催化，将土壤和地下水中的污染物氧化成危害较小的中间产物和最终的无害产物(比如大多有机物被最终氧化成二氧化碳)。使用化学氧化时，氧化剂必须直接加注或混合到土壤或地下水中。但是，在粘土等渗透率较低(如〈10_8Cm2)的污染介质中，化学药剂与污染介质进行充分混合成本较高、药剂作用有效范围非常有限。同时，很多化学药剂对人体健康和环境安全有负面影响。更为重要的是化学氧化法对于很多具有较高氧化还原势的污染物效果有限。这类物质包括四氯乙烯、三氯乙烯、硝基苯类、卤代烃类、硝酸盐和高价态的金属等。这类物质的特点是更容易充当电子受体，更适合化学还原法，本身能被还原降解成中间产物和无害的最终产物。
[0004]除化学氧化法之外，通电方法也可以用于土壤和地下水污染治理。现有的通电方法包括电极热解析和电动力学两大类。这两类技术同属于物理过程。共同点是在污染介质(主要应用于饱和土壤)的两端插入电极。电极热解析向污染介质输入高电压和强电流，通过污染介质和系统本身的电阻产生热，将污染介质温度提升高达100-200摄氏度，在这一过程中使污染物和污染介质本身的某些组分气化和解析出来，然后冷凝收集或直接排空，从而达到消除土壤或地下水中污染物的目的。热解析的方法对很多有机物和部分挥发性较强的无机物(比如氨和汞)有较高的治理功效。其缺点是耗能高、材料和设备要求复杂、操作复杂且有较大安全隐患。电解析法高昂的设备和运行费用使其不适合大规模和中低浓度的污染治理，因此一般仅用于污染浓度很高的污染源头地区。此外，土壤的属性和污染介质含水量对电解析方法也有限制。较多的含水量会降低污染介质温度，使得某些污染物难以被转化为气态进而被去除。
[0005]电动力学技术是另一类依赖电极作用的物理方法。该方法也是在污染介质中输入电压电流，但是低于电解析所用的电压电流。该方法利用电极的极性不同，造成污染介质内带电荷的离子和化合物的迁移。结果是带正电的物质向负极，带负电的物质向正极富集。然后通过常规的物理方法将电极和电极附近的污染介质进行清理，去除污染物。电动力学通常被用来治理土壤和地下水中的溶解性金属离子。通过电极作用这些离子向两极迁移，最终富集在电极附近，然后进行清除。电动力学对大多数不带电荷或表面电荷很低的有机污染物作用微弱。同时，电动力学方法和电解析方法一样会产生热，但是电动力学方法在污染介质中的产热很低，介质的升温一般不会超过本底温度10度以上，对污染物没有气化脱附的作用。
实用新型内容
[0006]本实用新型为避免现技术所存在的不足之处，提出一种经济、安全和有效的治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置及其应用，能有效促进土壤和地下水污染物的降解并提高污染物降解效率，且不会造成二次污染，从而通过治理土壤和地下水中有机和无机污染物以达到修复这些污染介质的目的。
[0007]本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案:
[0008]本实用新型一种治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置的结构特点是:
[0009]所述装置是由电源、控制中枢和电极组或电极通过导线依次串联而成的控制电路，所述电极组或电极埋设在污染介质中，并在污染介质中添加电导离子催化液；
[0010]所述控制中枢接收所述电源输出的电流后，进行调节输出至所述电极组或电极，从而控制电极组或电极上的电压、电极极性和/或电流方向。
[0011]本实用新型治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置的特点也在于:
[0012]所述控制中枢的组成包括:开关、变压器、整流器和/或变频器；
[0013]所述开关用于调控所述控制电路的通断和改变所述控制电路中的电流方向；所述变压器用于调整所述电源电压，使污染介质达到0.1-30V/CH1的电压梯度；所述整流器用于将所述电源输出的交流电转换为直流电；所述变频器用于将所述交流电的频率控制在
0.0001-120Hz。
[0014]任意个电极组或电极组中的任意个电极可按照直线、曲线或不规则线型布置于所述污染介质之中。
[0015]任意个电极组或电极组中的任意个电极可按照互相平行或构成任意角度的结构布置于所述污染介质之中。
[0016]所述电极可由任何单一导电材料或导电材料的组合制作而成的几何形状。
[0017]所述电导离子催化液的导电率为0.001mS/cm-10S/cm。
[0018]与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在:
[0019]1、本实用新型通过使用治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置，克服了实践中最常用的化学氧化在土质紧密的污染介质中原位使用的限制。
[0020]2、本实用新型通过污染介质中的电子传递实现污染物的氧化或还原反应，更直接，效率更高，而且因为无需添加任何氧化剂而不会产生二次污染。
[0021]3、本实用新型通过添加因污染物而定的电导离子催化液将污染物与介质进行部分剥离和初步反应。电场和催化液的协同作用使污染物的键势减弱和断裂，导致污染物结构被破坏和部分或完全降解，并可以使后续氧化反应效率得到相应提升。
[0022]4、本实用新型通过使用与电热解析和电动力学方法相比较低的电压梯度，避免污染介质产热，且不引发污染介质中带电荷的离子或化合物迁移，也不会气化污染物造成污染物转移。比如，在粘土为主的污染介质中，电动力学一般需要达到2V/cm以上的电压梯度，而本实用新型的电压梯度仅需0.lV/cm左右。
[0023]5、本实用新型通过在污染介质中建立比较恒定的电场，使污染介质起到电容的作用，在收放电子的过程中实现电子与污染物之间的转移，直接导致污染物发生氧化或还原反应，从而能够有效促进污染介质中污染物的降解并提高污染物降解效率，对石油类烃类、苯类和其他芳香族化合物、多环芳烃、硝基苯类、齒代苯类、齒代直链烃类、齒代环烃类、各种多苯环加旁基烃类的化工产品和农药(如六六六)、硝酸盐、硫酸盐、铀、铬、硒等具有良好治理效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型的总体结构示意图；
[0025]图2为本实用新型四个直线电极组之间的平行布置方式和相应电路连接；
[0026]图3为本实用新型五个直线电极组之间的平行布置方式和相应电路连接；
[0027]图4为本实用新型两个曲线电极组之间的对称布置方式和相应电路连接；
[0028]图5为本实用新型一个柱状电极和一个环形电极之间的布置方式和相应电路连接；
[0029]图6a为本实用新型中一个电极组中的多个电极在介质中按直线型安放方式俯视图；
[0030]图6b为本实用新型中一个电极组中的多个电极在介质中按曲线型安放方式俯视图；
[0031]图6c为本实用新型中一个电极组中的多个电极在介质中按不规则线型安放方式俯视图；
[0032]图7a为本实用新型中一个具有直线型几何形状的电极在介质中可能的安放方式俯视图；
[0033]图7b为本实用新型中一个具有曲线型几何形状的电极在介质中可能的安放方式俯视图；
[0034]图7c为本实用新型中一个具有不规则线型几何形状的电极在介质中可能的安放方式俯视图；
[0035]图中标号:1电极；2导线；3污染介质。
【具体实施方式】
[0036]如图1所示，本实施例中，一种治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置，适用的土壤包括不饱和态(即土壤空隙没有100%充满水)、饱和态(即土壤空隙100%充满水)、以及地下水与土壤和混合态(即含水超过100%，体现为自由水即地下水静止或流动)；适用的地下水泛指赋存于地面以下的土壤或岩石孔隙和空隙中的水，包括包气带水、潜水和承压水，以及抽至地表的异位地下水。由此构成的土壤和地下水在本文中统称为“污染介质”。电化学装置是由电源、控制中枢和电极组或电极I通过导线2依次串联而成的控制电路，电池组或电极I以埋设等方式固定在污染介质3中，与污染介质直接接触，使得电极组或电极I在使用过程中处于潮湿和存在有机或无机污染物的土壤环境中，并在污染介质3中添加电导离子催化液。
[0037]在污染介质中添加的电导离子催化液可以由多种对人体和环境无害、易溶的无机盐和有机化和物溶解于水后制得，包括但不限于氯化钾、氯化钠、氯化镁、氯化铁、溴化钾、溴化纳、溴化镁、溴化铁、乙酸乙酯、乙酸钠、乳酸钠、乳酸乙酯、硬脂酸、表面活性剂任意其一或多个的混合物。调节电导离子催化液的浓度，使得其导电率为0.0OlmS/cm至lOS/cm。
[0038]电源可以是民用电、工业用电、蓄电池、电瓶、由可持续能源比如光、风转换而来、或由发电机提供。
[0039]控制中枢的组成包括:开关、变压器、整流器和/或变频器；[0040]在图1中，第一开关I用于调控控制电路的通断；第二开关2和第三开关3用于改变控制电路中的电流方向，也就是电极间的电流方向；变压器用于调整电源电压，当电源电压不等于设计施加于电极上的电压时，可以使用变压器将电源电压转换为合适的电压，使污染介质的电压梯度达到0.l-30V/cm ;整流器在电源为交流电、但是电极间的电流设计为直流电的情况下使用，用于将电源输出的交流电转换为直流电；变频器在电源和电极间的设计电流均为交流电、但是频率不符的情况下使用，用于将交流电的频率调节为需要的
0.0001-120Hz。
[0041]控制中枢接收电源输出的电流后，并进行调节输出至电极组或电极，从而控制电极组或电极上的电压、电极极性和/或电流方向。
[0042]总的来说，控制中枢的构成取决于电源类型以及电源电压是否等于需要施加在电极上的电压等因素。具体情况如表一:
[0043]表一控制中枢的组成结构表
[0044]
【权利要求】
1.一种治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置，其特征是:所述装置是由电源、控制中枢和电极组或电极通过导线依次串联而成的控制电路，所述电极组或电极埋设在污染介质中，并在污染介质中添加电导离子催化液； 所述控制中枢接收所述电源输出的电流后，进行调节输出至所述电极组或电极，从而控制电极组或电极上的电压、电极极性和/或电流方向。
2.根据权利要求1所述的治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置，其特征是，所述控制中枢的组成包括:开关、变压器、整流器和/或变频器； 所述开关用于调控所述控制电路的通断和改变所述控制电路中的电流方向；所述变压器用于调整所述电源电压，使污染介质达到0.l-30V/cm的电压梯度；所述整流器用于将所述电源输出的交流电转换为直流电；所述变频器用于将所述交流电的频率控制在0.0001-120Hz。
3.根据权利要求1所述的治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置，其特征是:任意个电极组或电极组中的任意个电极可按照直线、曲线或不规则线型布置于所述污染介质之中。
4.根据权利要求1所述的治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置，其特征是:任意个电极组或电极组中的任意个电极可按照互相平行或构成任意角度的结构布置于所述污染介质之中。
5.根据权利要求1所述的治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置，其特征是:所述电极可由任何单一导电材料或导电材料的组合制作而成的几何形状。
6.根据权利要求1所述的治理土壤和地下水有机物和无机物污染的电化学装置，其特征是:所述电导离子催化液的导电率为0.001ms/cm-10s/cm。
【文档编号】B09C1/00GK203754475SQ201420177113
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】金松, 傅格林, 任世瑾 申请人:金松