纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置的制作方法

本发明涉及一种铬渣堆放地污染土壤的修复装置，具体是一种铁盐作为阴极电解液，纳米Fe/Ni双金属作为淋洗液，将电动技术与淋洗技术集于一起的修复铬渣污染土壤的装置。

背景技术：

我国是世界铬盐生产大国，年产量已超过16万吨，然而在其生产过程中产生大量含铬废渣。全国每年新排放铬渣约60万吨，历年累积堆放存铬渣近400万吨。铬渣中含有0.3～1.5％可溶性Cr(VI)，经降雨和地表水的冲刷，Cr(VI)进入周围土壤和地下水，对环境造成严重污染，目前我国受Cr(VI)严重污染的土壤达1250多万吨。六价铬在溶液中的溶解度比较大，因而毒性也就很强，是土壤环境中的第二大重金属污染物，仅次于铅；六价铬可以通过吸入、摄取或皮肤接触等方式对人体产生毒害，引起水肿、皮肤溃疡、肺癌等一系列病变。铬污染场地中六价铬含量很高，且极易产生扩散，对周边环境是一个极大的潜在威胁，如处理不当将危害很大。我国从1958年开始建设铬盐厂，很多铬盐厂分布在一些人口密集地区，如广州、上海、苏州、天津、沈阳、重庆等地。在50多年的生产过程中，产生了大量的铬渣，占了大量的堆积场地，经过几十年的雨水冲淋、渗透，不仅仅是铬渣本身，格栅周边已被污染的土壤也成了污染源，引起土壤环境和水环境的污染。铬渣堆放场已经列为我国土壤污染重点治理对象，目前急需修复铬渣污染土壤的关键技术。

电动力学修复技术能够有效的去除土壤中的有机和无机污染物，相比传统的土壤修复技术具有成本低、操作简单、接触毒害物质少、不易造成二次污染等优点，近年来在国内外发展的越来越快。电动力学修复技术的原理是在污染土壤两端加上低压直流电场，利用电场产生的电渗析、电迁移和电泳等电动效应，使水溶的或者吸附在土壤颗粒表层的污染物根据各自所带电荷的不同而向不同的电极方向运动，并物富集在电极区得到集中处理或分离。其中电渗析是土壤中的孔隙水在电场作用下从阴极向阳极方向流动；电迁移是带电离子向电性相反的电极方向迁移；电泳是土壤中带电胶体粒子的迁移运动。

土壤化学淋洗技术原理是运用试剂与土壤固相中的重金属作用，形成溶解性的重金属离子或金属络合物，然后用清水把污染物冲至根层外，再利用含有一定配位体的化合物冲淋土壤，使之与重金属离子形成更稳定的络合物；或用带有阴离子的溶液，如碳酸盐、磷酸盐冲洗土壤，使重金属形成化合物沉淀。淋洗具有能够去除大量污染物、限制污染物扩散、花费较少、操作简单等优点。该方法的技术关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液装置。

纳米零价铁是指粒径在1-100 nm范围内的零价铁颗粒，具有比表面积大，还原性强等特点。由于其颗粒的比表面积和表面能较大，从而具有优越的吸附性能和很高的还原活性；其特有的表面效应和小尺寸效应，可以提高零价铁的反应活性和处理效率。研究表明纳米零价铁可有效的去除Zn、Cr、Cu、Pb、Ag等重金属。纳米零价铁在与重金属污染物的反应中表现出较高的活性，可以通过改变有毒金属的离子价态或者吸附作用，从而降低其毒性。有观点认为，在零价金属铁体系中存在3种还原剂：金属铁(F⁰），亚铁离子(Fe²⁺)和氢气(H₂)。纳米零价铁合金粉末由于量子尺寸效应而具有许多特殊的物理、化学性能，其中铁镍合金是一种传统的稳定性最佳的材料。

技术实现要素：

为了有效的修复土壤中铬污染，本发明提供一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置。

实现上述装置所采取的具体技术方案如下。

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放场地土壤的装置，包括电动修复装置和淋洗系统；其特征在于：所述电动修复装置包括阴极室、阳极室与土壤室，并在土壤的装置的上端面设置有淋洗系统的淋洗液喷头，通过淋洗液喷头对土壤室进行喷洒；在土壤室的下方设置有一轨道或者传送带用于分离土壤室，实现对铬渣堆放场地土壤的连续电控修复；

所述电动修复装置是阳极pH控制室通过阳极pH探针感应电解液pH，通过阳极泵控制线控制阳极泵泵入阳极电解液，进行电解液pH值的调节；阴极加药罐及阴极pH控制室通过阴极pH探针感应电解液pH值，通过阴极泵控制线控制阴极泵泵入阴极电解液，进行电解液pH的调节；阳极室、土壤室、阴极室、阴极电极和阳极电极，分别通过孔隙隔板附带滤纸隔开，并自由通过液体和离子；阳离子膜阻止阴极产生的OH^-进入土壤室；阴极电解液溢出口溢出的碱性溶液经处理后排放；通过滤布和石英砂过滤淋洗液；电解装置还包括：曝气管，阴极电解液溢出口、阳极电解液进液管、阳极加药管、阴极加药管、外接电源、排泥管道、污泥泵和阴阳极室底座；

所述淋洗系统是将淋洗液储室的纳米零价铁镍双金属悬浮液和酸循环液储备室中的酸液，分别经淋洗液喷头和酸液喷头喷洒在土壤中；所述淋洗液喷头是均匀设置在土壤室的上方；所述酸液喷头是均匀设置于靠近阴极土壤上方，所述酸液是将阳极溢出液通过提升泵收集于酸储液室中进行再次利用。

依据上述技术方案所述的装置，所述阴极室的电解液是0.02-10mol/L的铁盐；所述阳极室的电解液是pH值2-6的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液；所述淋洗液储室的淋洗液是0.05-10g/L的纳米Fe/Ni双金属悬浮液；所述铁盐是Fe₂(SO4)₃、Fe(NO₃)₃和FeCl₃中的一种；所述电极是石墨电极；所述电压是5-50V；所述修复铬渣的修复时间是36-300小时；所述阴极室、阳极室与土壤室的容积比是3: 3：5-50。

依据上述技术方案所述的装置，所述纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置的修复方法是通过淋洗系统淋洗和电动力学修复实现的，具体方法如下：

（1）将重金属污染土壤置于土壤室，并向活性碳纤维室加入活性碳纤维，然后将阳离子膜附着在孔隙隔板上由滤纸包裹；

（2）将阴极pH控制室和阳极pH控制室通过pH探针感应电解液pH值，控制阴极泵和阳极泵泵入阴极电解液和阳极电解液，并对电解液的pH进行调节控制；

（3）向淋洗液储室中加入0.05-10 g/L的纳米Fe/Ni双金属悬浮液，通过淋洗液喷头均匀喷洒在污染土壤中进行淋洗；

（4）修复过程中阳极酸性电解溢出液，通过阴极电解溢出液提升泵泵入酸循环液储备室，经酸液喷头滴入靠近阴极的土壤，调节其土壤pH；阴极碱性电解溢出液通过处理后排出；

（5）阴极生成的重金属沉淀物经排泥管排出，经处理后回收利用；

（6）淋洗液经过土壤室底部的滤布和石英砂排出，并进行收集处理后排出。

其中，所述淋洗是将淋洗液储室的纳米零价铁镍双金属悬浮液和利用阴极电解溢出液提升泵储存在酸循环液储备室的酸液，分别经淋洗液喷头和酸液喷头喷洒在土壤中，实现对重金属污染土壤的修复。

与现有技术相比，本发明上述所提供的一种一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，所具有的优点与积极效果如下。

本装置采用铁盐作为阴极电解液的电动力学与纳米零价铁镍双金属淋洗液联合修复重金属污染土壤，有效地阻止了阴极产生的OH^-进入土壤，同时缩短了修复时间，提高了修复效率。

本装置在阴阳极室设置有pH感应计，实时监测阴阳极室电解液pH的变化值，当pH超出一定范围时，阴阳极pH控制室由泵调节并控制泵入电解液液，保持阴阳极电解液pH处于适当范围，提高了电解修复效率。

本装置采用纳米零价铁镍双金属淋洗液极强的还原性与吸附性有效地脱除了铬污染物。

本装置在土壤室的下方设置有一轨道或者传送带，用于阴阳极室与土壤室的分离，以实现污染土壤的连续处理。

附图说明

图1是本装置的整体结构示意图。

图2是本发明图1的阳极室结构示意图。

图3是本发明图1的土壤室侧面结构示意图。

图4是本发明图1的阴极室结构示意图。

图5是本发明图1的淋洗液喷头分布结构示意图。

图中：1：阳极pH控制室；2：阳极加药罐；3：淋洗液储室；4：酸循环液储备室；5：阴极加药罐；6：阴极pH控制室；7：阳极室；8：土壤室；10：阳离子膜；11：阴极室；12：阴极电极；13：阴极pH探针；14：孔隙隔板附带滤纸；15：阴极电解液溢出口；16：阴极电解液进液管；17：阴极泵；19：滤布；20：石英砂；21：酸液喷头；22：淋洗液喷头；23：酸液管；24：阳极pH探针；25：阳极电极；26：曝气管；27：阴极电解溢出液提升泵；28：阴极电解液溢出口；29：阳极泵；30：阳极电解液进液管；31：阳极加药管；32：阴极加药管；33：外接电源；34：排泥管；35：污泥泵；36：阴阳极室底座；37：阳极泵控制线；38：阴极泵控制线；39：阳极电解液溢出液提升管；40：阳极室；41： 阴极室；42：阳极室上接口；43：阳极室下接口；44：土壤室上接口；45：土壤室下接口；46：阴极室上接口；47：阴极室下接口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施上述本发明所提供的一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，该装置包括电动修复装置和淋洗系统；其构成在于：所述电动修复装置是位于阴极室11与阳极室7中间的土壤室8上端面，并在土壤室8上端面设置有淋洗系统的淋洗液喷头22，通过淋洗液喷头22对土壤室8进行喷洒；在土壤室8的下方设置有一轨道或者传送带用于土壤室8的分离，以实现对铬渣堆放场地土壤的连续修复；

一种淋洗系统的实施，包括储存纳米零价铁镍双金属悬浮液的淋洗液储室3；利用阴极电解溢出液提升泵27将酸液储存在酸循环液储备室4；经过酸液喷头21和淋洗液喷头22喷洒入土壤中；其中，淋洗液喷22均匀布置在土壤上方；酸液喷头21均匀布置于靠近阴极的土壤上方；将阳极溢出液收集于酸储液室中，再次利用。

一种电动力修复装置的实施，包括阳极pH控制室1通过阳极pH探针24感应电解液pH，由阳极泵控制线37控制阳极泵29泵入阳极电解液并调节pH；阳极加药罐2；阴极加药罐5；阴极pH控制室6通过阴极pH探针13感应电解液pH，由阴极泵控制线38控制阴极泵17泵入阴极电解液并调节pH；阳极室7、土壤室8、阳离子膜10阻止阴极产生的OH-进入土壤；阴极室11；为阴极电极12和阳极电极25；孔隙隔板附带滤纸14，固定土壤，液体和离子可自由通过；阴极电解液溢出口15溢出的碱性溶液经处理后达标排放；阴极电解液进管道16；滤布19和石英砂20，能够过滤淋洗液；曝气管26能够起到搅拌作用；阴极电解液溢出口28；阳极电解液进液管30；阳极加药管31；阴极加药管32；外接电源33；排泥管34，将阴极产生的沉淀物排除；污泥泵35；阴阳极室底座36。

在上述的实施装置中，阴极室11的电解液是0.02-10mol/L的铁盐；阳极室7的电解液是pH值为2-6的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液；淋洗液是0.05-10g/L的纳米Fe/Ni双金属悬浮液；铁盐是Fe₂(SO4)₃、Fe(NO₃)₃或者是FeCl₃；电极是石墨电极；阴极室11、阳极室7与土壤室8的容积比是3: 3：5-50；电压是5-50V，对铬渣污染土壤修复是36-300小时。

利用本发明上述所实施的纳米零价铁镍淋洗电动力学修复装置对铬渣堆放地的铬渣污染土壤进行修复的方法步骤如下。

（1）将填装好污染土壤的土壤室8通过土壤室上接口44和阳极室上接口42、阴极室上接口46连接；土壤室下接口45和阳极室下接口43、阴极室下接口47连接，土壤室8两侧面设置有附着滤纸的空隙隔板，实现连续处理污染土壤。

（2）向阴极室11和阳极室7分别泵入电解液，阴极为硝酸铁溶液，阳极是柠檬酸、柠檬酸-柠檬酸钠等有机酸。

（3）添加制备的纳米零价铁镍双金属悬浮液到淋洗液储室3中，其中设有搅拌装置。

（4）电解后，阳极酸性电解液储存在酸循环储室4中，作为酸淋洗液调节阴极附近的土壤pH。

（5）根据土壤污染物的不同向阴阳极室添加不同化学试剂来增加去除效果，将化学试剂泵入阳极加药罐2和阴极加药罐5中。

（6）电解过程中通过和阴极pH探针13和阳极pH探针24，检测阳极室7和阴极室11的电解液pH，传到阳极pH控制室1和阴极pH控制室6控制阴极泵17和阳极泵29泵入缓冲液调节电解液pH。

（7）淋洗液流经滤布和石英砂渗出，处理达标后排出，阴极电解溢出液，处理后达标排放。

（8）阴极生成的沉淀物通过污泥泵35排出。

利用本发明上述所实施的一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置及其修复方法，由下面的具体修复方法实例进一步说明。

实施例1

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的FeCl₃溶液，淋洗液浓度为3 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：85.6%。

实施例2

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为5 mol/L的FeCl₃溶液，淋洗液浓度为3 g/L，实验周期为144h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：86.7%。

实施例3

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Fe₂(SO₄)₃溶液，淋洗液浓度为3 g/L，实验周期为144h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：87.8%。

实施例4

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Fe₂(SO₄)₃溶液，淋洗液浓度为3 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：89.1%。

实施例5

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Fe(NO₃)₃溶液，淋洗液浓度为3 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：86.9%。

实施例6

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为5 mol/L的Fe(NO₃)₃溶液，淋洗液浓度为3 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：88.3%。

实施例7

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg。电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Fe(NO₃)₃溶液，淋洗液浓度为5 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：89.5%。

实施例8

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Fe(NO₃)₃溶液，淋洗液浓度为7 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：90.3%。

实施例9

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的FeCl₃溶液，淋洗液浓度为5 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：88.7%。

实施例10

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的FeCl₃溶液，淋洗液浓度为7 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：89.3%。

实施例11

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Fe₂(SO₄)₃溶液，淋洗液浓度为5 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：90.5%。

实施例12

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为30 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Fe₂(SO₄)₃溶液，淋洗液浓度为7 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：91.2%。

实施例13

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为50 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Fe(NO₃)₃溶液，淋洗液浓度为3 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：94.5%。

实施例14

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为50 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的FeCl₃溶液，淋洗液浓度为3 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：91.4%。

实施例15

一种纳米零价铁镍淋洗电动力学修复铬渣堆放地的装置，阴极和阳极均为石墨板制的电极，并分别与电源的负极、正极相连；阴、阳极室与土壤室的容积比均为1：3；取自铬渣堆放场地土壤，其铬浓度为150 mg/kg；电压为50 V，阳极电解液为pH=3的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，阴极为3 mol/L的Fe₂(SO₄)₃溶液，淋洗液浓度为3 g/L，实验周期为144 h，采用火焰原子吸收发测定土样中的重金属含量；铬的去除率为：96.7%。

上述实例只是具体应用中列举的几种，本发明并不局限于这几种具体的实施方案，本领域内的普通技术人员都可在本发明的权利要求范围内，做出多种形式的具体实施方案，这些实施方案都属于本发明的保护范围。