专利名称：污染土壤的电动力学原位快速修复方法
技术领域：
本发明涉及一种污染土壤的电动力学原位快速修复方法，用于重金属或难降解有机污染物的治理和资源回收，对污染土壤进行修复，属于环保节能技术领域。
背景技术：
有害重金属和高毒性有机污染物在废厂矿区、污灌区土壤中的积累日益受到关注。另外，交通事故引发的化学品泄漏于土壤中产生的污染也不容忽视。土壤污染为多种污染物的复合污染。土壤中的有害重金属积累到一定程度就会对土壤—植物系统产生毒害，不仅导致土壤的退化、农作物产量和品质的降低，而且通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，并可能通过直接接触、食物链等途径危及人类的生命和健康。尤为严重的是有毒重金属在土壤系统中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点。因此，土壤系统中的污染和防治一直是国际上的难点和热点研究课题。
目前污染土壤的修复主要采用物理化学修复技术和生物修复技术。前者主要包括化学固化、土壤淋洗和电修复。电动力学修复是一种原位修复技术，与化学清洗法和化学还原法相比，具有耗费人力少，接触毒害物质少，经济效益高等优点。电动力学修复技术近年来发展很快，由于经济的可行性已经被论证，在荷兰、美国等国已进入野外实验阶段，正在尝试商业化。
电动力学修复的方法为将两个电极插入处理区的两端并通以低压直流电场，在电极两端富集并除去土壤中的污染物。施加电场的主要作用有(1)电解产生的氢离子将土壤中结合态的污染物转化为自由离子态，使其便于在电场中迁移。(2)提供污染物迁移的原动力。电动力学修复的机理有三个①电迁移—根据带电离子所带电荷的正负分别向阴极和阳极迁移；②电渗析—土壤空隙流体在电场作用下由阳极向阴极的流动；③电泳—土壤中带电颗粒和胶体粒子在电场作用下的运动。
电化学反应过程中，重金属等污染物阳离子总是由阳极向阴极迁移，同时在阳极生成的H+加速了土壤中重金属的溶出和向阴极的迁移，因此靠近阳极的土壤中的重金属先于其它部分土壤中的重金属被“电动力学”去除，这部分污染土壤先被治理彻底，在现有的处理技术中仍然要继续进行电动力学修复，直到整个工作区域的污染土壤全部被修复彻底。Finland科学家Jurate Virkutyte于2002年发表电动力学修复污染土壤的的论文(The Science of TotalEnvironment，289，97-121)表明阳极和阴极间的距离放置2-3m，工作电压40-60V/m时，处理时间至少需要10-20天，能耗大于200KWh/m3。而阳极和阴极设置距离小将增大电极的用量和费用。因此现有采用一组阳极和一组阴极固定处理直至彻底修复污染土壤的方式能耗大，处理周期长，限制了电动力学方法修复污染土壤的推广和应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种污染土壤的电动力学原位快速修复方法，能提高对土壤重金属或难降解有机污染物的治理效果，缩短处理时间，节约能耗。
为实现这一目的，本发明的技术方案中，采用独特的工作电极前置或前移的阵列布局，促使在污染物电迁移的同时进行电场前移，以提高治理效果和节约能耗。在土壤处理区一端插入富集电极，另一端的工作电极采用前置或前移方式进行阵列布局，首先从处理区域远处的工作电极开始通以直流电场，使土壤中的污染物在电位作用力下向富集电极区域迁移，电动处理使靠近工作电极土壤中污染物降低到处理要求后，对工作电极阵列中前一行的工作电极通电或将工作电极前移后通电继续处理，如此不断依次改变阵列中工作电极的通电位置和降低工作电压，直到完成整个工作区域污染土壤的治理。
本发明的方法具体如下1、将一组电极固定插入处理区的一端作为富集电极，在处理区另一端插入工作电极，处理区两端的适宜距离为2-10m。工作电极采用前置或前移方式进行阵列布局，前置或前移的间隔为0.2-2m。首先从处理区域远处放置的工作电极开始通以直流电场，电场强度适宜范围为20-200V/m，根据待处理土壤的理化性质设定。土壤中的污染物在电位作用力下向富集电极区域迁移。
2、电动处理10-120小时，使靠近工作电极土壤中污染物降低到处理要求后，对工作电极阵列中前一行的工作电极通电或将工作电极前移后通电，并降低工作电压，继续电动处理。如此不断依次改变阵列中工作电极的通电位置和降低工作电压，直到完成整个工作区域污染土壤的治理。
本发明中工作电极的阵列布局可以预先设置好，也可以采用前移方式，以节省电极的使用。例如可采用双行布置形式，从远处放置的工作电极开始进行处理，然后对间隔0.2-2m的前置工作电极通电，并降低工作电压继续处理，而将原来的工作电极前移0.2-2.0m的距离放置。如此不断依次改变阵列中工作电极的通电位置和降低工作电压，直到完成整个工作区域污染土壤的治理。又如可采用单行布置形式，电动处理后将工作电极前移0.2-2.0m的距离放置，再通电并降低工作电压继续处理。如此不断依次改变工作电极的通电位置和降低工作电压，直到完成整个工作区域污染土壤的治理。
本发明可以根据污染土壤区域的几何形状不同，采用不同的电极布置及前移方式。当污染土壤区域为圆形或类似圆形时，工作电极可以按照同心圆环形状，以固定的富集电极为中心逐步前置或前移。当污染土壤区域为方形时，工作电极按照方形阵列形状，以固定的富集电极区域为平行边，逐步平行前置或前移。
本发明可以选用坚固紧密的材料电极作为工作电极，包括石墨、钢、PbO2/Ti、Ru/Ti和Pt等金属或其合金等材料。
对于处理Pb、Cd、Cu、Zn等重金属元素阳离子污染物时，以阴极电极作为富集电极，阳极作为工作电极，在污染物电迁移的同时进行电场前移和电压降低，可以大大缩短阳极产生的H+的迁移距离，从而大幅度提高H+对阳离子污染物的溶出作用效果，也省去了作用于修复土壤的部分能量，在相同的工作电流密度下减小了工作电压，降低了能耗，缩短了处理时间。
对于处理Cr、苯酚、CN等有毒阴离子污染物时，阳极电极作为富集电极，阴极作为工作电极，在污染物电迁移的同时进行电场前移和电压降低，可以大大缩短阴极产生的OH-的迁移距离，从而大幅度提高OH-的对有毒阴离子污染物的溶出作用效果，也省去了作用于修复土壤的部分能量，在相同的工作电流密度下减小了工作电压，降低了能耗，缩短了处理时间。
图1为本发明针对圆形处理区域的修复方法示意图。
图1中，1为圆形处理区域，2为固定的富集电极，3为工作电极，4为前移位置或前置工作电极。
图2为本发明针对方形处理区域的修复方法示意图。
图2中，1为方形处理区域，2为固定的富集电极，3为工作电极，4为前移位置或前置工作电极。
具体实施例方式
以下结合附图并通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明对污染土壤进行修复处理的方法可以针对图1所示的圆形处理区域或者针对图2所示的方形处理区域进行。如图1，在圆形处理区域1的圆心位置固定放置富集电极2，工作电极3从圆周外围起，按照同心圆环形状，以富集电极2为中心前置或者前移。图中标号4所示为前移位置或前置工作电极。如图2，在方形处理区域1的一侧放置富集电极2，工作电极3布置在方形处理区域1的另一侧，并按照方形阵列形状，以富集电极2区域为平行边，平行前置或前移。图中标号4所示为前移位置或前置工作电极。
实施例1在冶炼厂周围2.5m×2.0m的Pb污染土壤范围处理，土壤污染深度约1.5m，在富集侧固定插入2.5m×1.5m，厚度2mm的不锈钢板做阴极，即富集电极，20个φ50mm的高密度石墨棒分成两组作为阳极，即工作电极，其中10个工作电极等间距平行放置在另一侧，并首先通以400V直流电，电场强度200V/m，中间再等间距平行放置10个工作电极。土壤中的Pb在电位作用力下向富集电极区域迁移。电动处理工作30小时后，通电于放置在中间的10个工作电极，并将工作电压降低到200V，直到完成整个工作区域土壤治理。结果表明土样中Pb含量由58.4mg/kg降低为7.1mg/kg，平均去除率达87.8％，处理能耗为40Kwh/m3。并通过离心纯化阴极液分离出纯度为66％的白色Pb(OH)2，从而实现资源的回收利用。
实施例2在电镀厂周围Cd污染土壤中选取4.2m×20m范围进行处理，土壤污染深度约1.2m，在富集侧固定插入2.0m×1.0m，厚度10mm的高密度石墨板做阴极，即富集电极，20块1.2m×0.1m，厚度3.0mm的PbO2/Ti作为阳极，即工作电极，平行等间距放置在距富集侧20m远的另一侧，并首先通以400V直流电，电场强度20V/m，开始处理。土壤中的Cd在电位作用力下向富集电极区域迁移。电动处理工作120小时后，阳极向阴极靠拢2m，放置好并将工作电压降低到360V。电动处理工作120小时后，阳极再次向前移动2m并将工作电压降低40V，如此向前移动9次，完成整个工作区域土壤治理。结果表明土样中Cd平均含量由95mg/kg降低为1.5mg/kg，去除率达98％，处理能耗为34Kwh/m3。并通过离心纯化阴极液分离出纯度为70％的白色Cd(OH)2，从而实现资源的回收利用。
实施例3在化工厂周围含苯酚污染土壤中选取直径φ2.5m范围进行处理，土壤污染深度约1.6m，在圆心周围放置Ru/Ti网状电极做成φ0.2m，长1.8m的阳极，即富集电极，地面上保留0.2m。32个φ50mm，长1.8m的钢管作为阴极，即工作电极，地面上保留0.2m，按照圆形放置，间距约0.19m，放置在最外侧，首先通以250V直流电，电场强度100V/m。土壤中的苯酚在电位作用力下向富集阳极区域迁移，并被阳极氧化。电动处理工作10小时后，将各阴极均向阳极靠拢0.2m，保持阴极间距0.15m-0.20m，去掉多余的阴极，并将电场强度降低到230V。再次进行电动处理10小时后，继续将工作电极前移直到完成整个工作区域土壤治理。结果表明土样中苯酚含量由205mg/kg降低为1.5mg/kg，平均去除率达99％，处理能耗为6Kwh/m3。
权利要求
1.一种污染土壤的电动力学原位快速修复方法，其特征在于将一组电极固定插入处理区的一端作为富集电极，在处理区另一端插入工作电极，处理区两端的适宜距离为2-10m，工作电极采用前置或前移方式进行阵列布局，前置或前移的间隔为0.2-2m，首先从处理区域远处放置的工作电极开始通以直流电场，电场强度范围为20-200V/m，使土壤中的污染物在电位作用力下向富集电极区域迁移；电动处理10-120小时，使靠近工作电极土壤中污染物降低到处理要求后，对工作电极阵列中前一行的工作电极通电或将工作电极前移后通电，并降低工作电压继续处理；如此不断依次改变阵列中工作电极的通电位置和降低工作电压，直到完成整个工作区域污染土壤的治理。
2.根据权利要求1的污染土壤的电动力学原位快速修复方法，其特征在于所述工作电极按照同心圆环形状，以富集电极为中心前置或者前移。
3.根据权利要求1的污染土壤的电动力学原位快速修复方法，其特征在于所述工作电极按照方形阵列形状，以富集电极区域为平行边，平行前置或前移。
4.根据权利要求1的污染土壤的电动力学原位快速修复方法，其特征在于处理Pb、Cd、Cu、Zn重金属元素阳离子污染物时，以阴极电极作为富集电极，阳极作为工作电极；处理Cr、苯酚、CN有毒阴离子污染物时，以阳极电极作为富集电极，阴极作为工作电极。
5.根据权利要求1的污染土壤的电动力学原位快速修复方法，其特征在于所述工作电极选用的材料为石墨、钢、PbO2/Ti、Ru/Ti、Pt或其合金。
全文摘要
一种污染土壤的电动力学原位快速修复方法，处理区一端插入富集电极，另一端的工作电极采用前置或前移方式进行阵列布局，首先从处理区域远处的工作电极开始通以直流电场，使土壤中的污染物在电位作用力下向富集电极区域迁移，电动处理使靠近工作电极土壤中污染物降低到处理要求后，对工作电极阵列中前一行的工作电极通电或将工作电极前移后通电继续处理，如此不断依次改变阵列中工作电极的通电位置和降低工作电压，直到完成整个工作区域污染土壤的治理。本发明的修复过程中，采用独特的工作电极前置或前移的阵列布局，促使在污染物电迁移的同时进行电场前移，能提高对土壤重金属或难降解有机污染物的治理效果，缩短处理时间，节约能耗。
文档编号B09C1/00GK1695835SQ20051002661
公开日2005年11月16日 申请日期2005年6月9日 优先权日2005年6月9日
发明者申哲民, 陈学军, 句炳新 申请人:上海交通大学