微波-紫外线联用的土壤修复装置

本发明属于固体污染物修复处理技术领域，尤其涉及一种微波-紫外线联用的土壤修复装置。

背景技术：

随着土壤有机污染的日益加剧，有机污染固废的修复是土壤有机污染恢复的关键手段之一。

现有的有机污染固废的修复采用的技术包括：生物学(微生物或植物)修复工艺、化学淋洗工艺、气相抽提技术和热脱附法。其中，生物学修复工艺处理的有机污染固废在浓度、种类上有较大限制，且对环境要求较高，处理的周期长，不适合大宗修复；化学淋洗工艺的处理周期较短，适用范围较广，但是会产生大量的二次污染；气相抽提技术处理成本低、修复周期短，二次污染较小，但是只适用挥发性有机污染的处理。另外，投入工业化生产应用最广的处理工艺是热脱附法。热脱附法主要有回转窑热脱附或间接热脱附。

其中，回转窑热脱附的处理规模大，技术相对成熟，但是工艺复杂、设备投资及运行成本大，且设备不能实现移动，尤其是对天然气的依赖性非常大，极大的限制了设备的应用。间接热脱附的处理规模小，设备小且可移动，但是同样无法摆脱对天然气的依赖，其最大的问题是设备对投加的物料要求严格，而且极易造成运行不畅，运行和维护的成本高，此外，上述两种热脱附工艺的加热温度均在550℃以上，土壤容易出现陶粒化，对土壤的再生利用产生不利影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种微波-紫外线联用的土壤修复装置，适合大规模修复土壤，环保高效、成本低廉，提高污染物去除效率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种微波-紫外线联用的土壤修复装置，包括用于承运土壤的运输机构，所述运输机构的履带设置于密封仓内，所述密封仓的一端设有用于土壤上料的进料仓、另一端设有土壤卸料口；所述密封仓内设有微波热脱附区、紫外消解区及臭氧回流区，所述微波热脱附区、紫外消解区沿土壤运输方向依次设置，通过微波热脱附区及紫外消解区分别对土壤进行微波辐射及紫外线辐射；所述臭氧回流区设置于密封仓的顶部，所述臭氧回流区的一端与紫外消解区连通、另一端连通进料仓，用于将紫外消解区产生的臭氧抽送至进料仓对土壤进行氧化。

优选的，所述微波热脱附区包括若干个微波发生器及用于安装微波发生器的密封箱，所述微波发生器与控制器相连，通过控制器分梯度控制微波发生器的运行功率。

优选的，所述密封箱与密封仓之间及密封箱的内壁均设有保温层，所述密封箱内设有温度传感器和压力传感器，所述密封箱内部温度控制在200℃以下。

优选的，所述密封箱的进出口处均设有微波泄漏检测仪；所述密封箱的底部边缘设有抑波网，用于抑制微波泄漏。

优选的，所述紫外消解区设有若干个由微波启动的无极紫外线灯管，所述无极紫外线灯管的上方设有ni催化网，所述无极紫外线灯管及ni催化网均设置于集气罩内，所述集气罩的顶部与臭氧回流区的进气口相连。

优选的，所述微波发生器为六个，六个微波发生器沿土壤运输方向呈两列并列设置于密封箱的顶部；所述无极紫外线灯管为16个，且呈上下两排并列设置于支管架上。

优选的，所述臭氧回流区包括臭氧回流管和抽风机，所述抽风机设置于臭氧回流管的中部，所述臭氧回流管的进口与集气罩的顶部连通，所述臭氧回流管的出口与进料仓的顶部连通。

优选的，所述运输机构包括履带及用于驱动履带运转的动力部件，所述履带的上方设有翻土机构，用于翻动履带上运输的土壤。

优选的，所述翻土机构包括若干个爪把，若干个爪把沿履带的宽度方向呈两排以上并列设置于微波热脱附区及紫外消解区；所述爪把为上大下小的三棱锥形。

优选的，所述履带倾斜设置于机架上，所述履带的进料端高于出料端；所述履带的两侧外部设有支撑轮，用于支撑履带的两侧边缘，使履带的上表面呈凹形。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过运输带依次输送待修复处理的土壤，在微波热脱附区利用微波辐射可使vocs从土壤中脱附出来，在紫外消解区通过紫外线辐射可对热脱附过程中挥发出来的vocs进行消解；同时利用紫外消解区上方的臭氧回流区，可将紫外消解区产生的臭氧抽送至运输带进料端对土壤中具有还原性的有机物进行氧化，提高了污染物的去除效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种微波-紫外线联用的土壤修复装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的内部结构示意图；

图3是本发明实施例的俯视图（密封仓内）；

图4是本发明实施例中紫外消解区的分解图；

图5是本发明实施例中翻土机构在履带上方的布置图；

图6是本发明实施例中履带的断面图；

图7是本发明一个实施例的外形图。

图中：1.进料仓；2.臭氧出口；3.抽风机；4.底座；5.机架；6.回流管；7.密封仓；8.集气罩；9.动力部件；10.爪把柱；11.履带；12.爪把；13.ni催化网；14.支管架；15.紫外线灯管；16.支撑轮；17.电源按钮；18.微波发生器；19.土壤卸料口；20.护罩。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种微波-紫外线联用的土壤修复装置，包括用于承运土壤的运输机构，所述运输机构的履带11设置于密封仓7内，所述密封仓7的一端设有用于土壤上料的进料仓1、另一端设有土壤卸料口19；所述密封仓7内设有微波热脱附区、紫外消解区及臭氧回流区，所述微波热脱附区、紫外消解区沿土壤运输方向依次设置，通过微波热脱附区及紫外消解区分别对土壤进行微波辐射及紫外线辐射；所述臭氧回流区设置于密封仓7的顶部，所述臭氧回流区的一端与紫外消解区连通、另一端连通进料仓1，用于将紫外消解区产生的臭氧抽送至进料仓1对土壤进行氧化。

另外，在进料仓的上方安装倾斜放置的进料漏斗（图中未画出），进料漏斗与上料设备的出料口相连，能够实现循环而且均匀进料的作用。

在本发明的一个具体实施例中，如图2、3所示，所述微波热脱附区包括若干个微波发生器18及用于安装微波发生器18的密封箱（图中未画出），所述微波发生器18的电源按钮17与控制器相连，通过控制器分梯度控制微波发生器18的运行功率。其中，所述微波发生器18可选用磁控管，磁控管由电源按钮17控制。在本实施例中，磁控管选用六个，六个磁控管沿土壤运输方向呈两列并列设置于密封箱的顶部，电源按钮对应设置于密封箱的上方。每个磁控管的运行功率参数是1000w，两个磁控管为一组，分三组控制；调节梯度为2kw、4kw、6kw，微波发生单元运行总功率为2kw-6kw。

在本发明的一个具体实施例中，所述密封箱与密封仓7之间及密封箱的内壁均设有保温层（图中未画出），密封箱与密封仓通过铆钉将中间的保温层固定牢固；所述密封箱内设有与控制器相连的温度传感器和压力传感器，所述密封箱内部温度控制在200℃以下。当密封仓内部的气体量增大，压力过大时会触发压力传感器报警，选用及时排出气体。

进一步优化上述技术方案，所述密封箱的进出口处均设有微波泄漏检测仪（图中未画出），能够检测微波泄漏情况；所述密封箱的底部边缘设有抑波网，用于抑制微波泄漏。同时抑波网还起到防止气体泄漏的作用，密封箱与进料仓之间通过铆钉连接以保证气密性，密封箱的底部设有多个调平螺栓，用于调整其高度。

在本发明的一个具体实施例中，如图4、5所示，所述紫外消解区设有若干个由微波启动的无极紫外线灯管15，所述无极紫外线灯管15的上方设有ni催化网13，所述无极紫外线灯管15及ni催化网13均设置于集气罩8内，所述集气罩8的顶部与臭氧回流区的进气口相连。其中，所述无极紫外线灯管15选用16个，且呈上下两排并列设置于支管架14上。无极紫外线灯管是通过微波发生器辐射微波的电磁辐射方式，耦合到含汞以及其添加剂的真空石英管中，由于其是微波启动无电极启动的方式相比传统具有电极汞灯启动迅速、关闭迅速的优点。无极紫外线灯管散发的紫外光对微波热脱附区挥发出来的vocs进行消解，同时在无极紫外线灯管上方设置了一种ni催化网可提高紫外光对vocs的消解效果。

具体应用时，所述ni催化网13上铺设负载型co3o4-tio2催化剂，其制备方法包括以下步骤：

（1）tio2制备：将钛酸四丁酯和氨水按照8-10：1-3的质量体积比混合搅拌均匀得到钛酸四丁酯的氨水溶液，质量体积比的单位为g/ml，水浴加热至生成tio2晶粒；将上述混合物在特氟隆灭菌容器中进行灭菌，灭菌后100-130℃干燥至恒重，然后用去离子水冲洗，在100-105℃下干燥9-12h，放入马弗炉中400-450℃热处理2-4h。其中，钛酸四丁酯浓度为2.85mol/l，氨水的浓度为9.52-11.11mol/l。

（2）co3o4制备：将浓度为10mm硝酸钴溶液缓慢加入到浓度为12mm碳酸钠溶液中，磁力搅拌约40-60min后离心分离，去离子水和无水乙醇交替洗涤，干燥，在400-450℃马弗炉下煅烧2-4h。其中，硝酸钴溶液与碳酸钠溶液的体积比为1：1-2。

（3）将tio2和co3o4调成黏糊状涂覆到ni网，得到负载型co3o4-tio2催化剂。其中，tio2和co3o4的质量比为2-4：1-3。

以下为三个具体实施例：

实施例1：（1）tio2制备：将钛酸四丁酯和氨水按照8：1的质量体积比混合搅拌，质量体积比的单位为g/ml，水浴加热至结晶完全。钛酸四丁酯在氨水体系中的水解产物ti(oh)4,随着反应温度的升高，脱水缩合成钛酸聚集体，得到的聚集体生成生长基元，随着浓度的变化，在过饱和环境下生长基元进而成核，即在水浴加热环境下水热反应生成tio2。

其中，钛酸四丁酯浓度为2.85mol/l，氨水的浓度为9.52mol/l。

将上述混合物移至特氟隆灭菌容器中进行灭菌，灭菌后100℃干燥至恒重，然后用去离子水冲洗，在100℃下干燥9h，放入马弗炉中400℃热处理3h。

（2）co3o4制备：将浓度为10mm硝酸钴溶液缓慢加入到浓度为12mm碳酸钠溶液中，磁力搅拌约50min后，去离子水和无水乙醇交替洗涤，干燥，在400℃马弗炉下煅烧2h；

其中，硝酸钴溶液与碳酸钠溶液的体积比为1：1。

（3）将tio2和co3o4调成黏糊状涂覆到ni网，得到负载型co3o4-tio2催化剂。其中，tio2和co3o4的质量比为2:1。

实施例2：

（1）tio2制备：将钛酸四丁酯和氨水按9：2的质量体积比混合搅拌，质量体积比的单位为g/ml，水浴加热至结晶完全。

其中，钛酸四丁酯浓度为2.85mol/l，氨水的浓度为10mol/l。

将上述混合物移至特氟隆灭菌容器中进行灭菌，灭菌后120℃干燥至恒重，然后用去离子水冲洗，在103℃下干燥11h，放入马弗炉中450℃热处理2h。

（2）co3o4制备：将浓度为10mm硝酸钴溶液缓慢加入到浓度为12mm碳酸钠溶液中，磁力搅拌约40min后，去离子水和无水乙醇交替洗涤，干燥，在430℃马弗炉下煅烧3h；

其中，硝酸钴溶液与碳酸钠溶液的体积比为1：2。

（3）将tio2和co3o4调成黏糊状涂覆到ni网，得到负载型co3o4-tio2催化剂。其中，tio2和co3o4的质量比3:2。

实施例3：

（1）tio2制备：将钛酸四丁酯和氨水按照10：3的质量体积比混合搅拌，质量体积比的单位为g/ml，水浴加热至结晶完全。

其中，钛酸四丁酯浓度为2.85mol/l，氨水的浓度为11.11mol/l。

将上述混合物移至特氟隆灭菌容器中进行灭菌，灭菌后130℃干燥至恒重，然后用去离子水冲洗，在105℃下干燥12h，放入马弗炉中430℃热处理4h。

（2）co3o4制备：将浓度为10mm硝酸钴溶液缓慢加入到浓度为12mm碳酸钠溶液中，磁力搅拌约60min后，去离子水和无水乙醇交替洗涤，干燥，在450℃马弗炉下煅烧4h；

其中，硝酸钴溶液与碳酸钠溶液的体积比为1：1。

（3）将tio2和co3o4调成黏糊状涂覆到ni网，得到负载型co3o4-tio2催化剂。其中，tio2和co3o4的质量比为4:3。

其中，ni网为由金属ni编制成网状，具有良好的吸波性能。将tio2和co3o4用松油醇调成均匀的糊状，再用细毛笔涂覆到ni网上，tio2和co3o4的比例课根据催化反应调整。

鉴于tio2的禁带宽度大、导带位置低，利用半导体金属氧化物修饰表面，将它与禁带宽度小、导带位置高的半导体复合时，光生电子会迅速注入tio2的导带，有利于光生电子和空穴的分离与转移，提高量子效率。而在半导体金属氧化物中，co3o4呈尖晶石立方结构的混合氧化态，对微波等电磁波具有较好的敏感性，是一种良好的复合材料，同时在光催化过程中，co3o4具有2.1ev的窄带隙和优异的氧化能力，可通过电荷的分离和传输与tio2组成掺杂催化剂，提高光催化活性。

上述负载型co3o4-tio2光催化剂通过co3o4与tio2掺杂，可以提高单一tio2对紫外（uv）及微波（mw）的敏感性，并在微波电磁场中可获得大量的电磁生活性氧化基，同时在电磁波辐射下，催化剂材料会产生热点效应，催化剂表面热点的实际温度要远高于表观温度，对催化反应有极大的促进作用；同时微波等离子体激发的紫外光能使催化剂表面产生电子-空穴对，电子-空穴对能与空气中的氧气和水反应，生成·oh、ho2·等强氧化性自由基，从而将有机物（vocs）有效转化无机矿化分子，彻底降解vocs。负载型co3o4-tio2光催化剂对微波及紫外光都有优异的敏感性，在微波-紫外场中催化效率较高，更有利于降解有机污染物。

本发明的一个具体实施例中，如图1-3所示，所述臭氧回流区包括臭氧回流管6和抽风机3，所述抽风机3设置于臭氧回流管6的中部，所述臭氧回流管6的进口与集气罩8的顶部连通，所述臭氧回流管6的出口与进料仓1的顶部连通。在紫外消解区由于紫外光的存在，其会与空气中的氧气相互作用进而产生二次污染气体臭氧，而臭氧同时具有对vocs的强氧化性，故在集气罩的排气口设置臭氧回流管，通过抽风机将臭氧收集起来并回流到进料仓中，利用臭氧的强氧化性氧化土壤中的vocs，从而增加了对vocs的处理效果，而且达到了废气利用的环保节能作用。

通过在进料仓及密封仓内部安装压力传感器，当内部气体量增大超过设定值时，会触发压力传感器报警，可及时通过打开排气扇（图中未画出）的方式及时排出气体。当进料仓及密封仓内部的气体量过大，超过预定压力时，压力传感器会以电信号的形式传递到控制器中，同时控制器可控制排风扇的启动，来排出堆积在进料仓及密封仓中的气体，缓解内部压力。

为了进一步防止土壤处理过程中气体外泄，可在臭氧回流区的外部安装护罩20，如图7所示。

在本发明的一个具体实施例中，如图2、3、5所示，所述运输机构包括履带11及用于驱动履带11运转的动力部件9，所述履带11的上方设有翻土机构，用于翻动履带11上运输的土壤。其中，所述翻土机构包括若干个爪把12，若干个爪把12沿履带11的宽度方向呈两排以上并列设置于微波热脱附区及紫外消解区；所述爪把12通过爪把柱10安装于密封仓7上，所述爪把12为上大下小的三棱锥形。动力部件9选用电动机，履带11通过电动机带动，通过控制器调节电动机的功率来调节履带11的运行速度。

具体制作时，爪把12使用聚四氟乙烯材料制作，具有很好的透波性能，通过在履带11上方有镶嵌固定在密封仓7上的两个爪把柱10，在其下面设置一列爪把12。呈三棱锥形的爪把12能够翻动下方履带上运输经过的土壤，使土壤能够在履带上来回翻转可以更均匀的接受辐射来的微波，也能增大vocs的热脱附面积，使土壤的缝隙改变，更加的透气，让vocs从土壤中脱附出来，提高了热脱附的效果。

在本发明的一个具体实施例中，如图1、2、6所示，所述履带11倾斜设置于机架5上，机架5的底部设有底座4；所述履带11的进料端高于出料端；所述履带11的两侧外部设有支撑轮16，用于支撑履带11的两侧边缘，使履带的上表面呈凹形。其中，履带可选用纤维材质制作，并在履带两边分别设置两个倾斜放置的支撑轮，履带两边被支撑轮支撑，起到阻拦土壤从履带两边漏出的作用。通过调整支撑轮的倾斜角度来调节履带两侧的倾斜度。另外，通过调整底座底部的调平螺栓可调整履带的整体倾斜角度，可控制土壤通过进料仓落入履带的速度，进而控制进料的均匀程度，整个装置控制方便，且方便操作。

本发明的具体应用过程如下：

向进料仓1中倒入需要修复处理的被污染的土壤，打开进料仓1的进料漏斗，土壤通过重力作用逐次落入到履带11上，可通过调节底部支撑履带的平衡螺栓来控制整个其倾斜角度，倾斜角度越大则土壤的下落速度越快，反之越慢。同时打开总电源，调节电动机9的功率，使电动机9带动履带11传动，落下的土壤落入到传动的履带11上进而进入到密封仓7中，整体呈凹形的履带可防止土壤从履带边缘坠落；固定在密封仓上的爪把12能将履带运送过来的土壤进行翻转翻面，增大了热脱附的面积也更透气，使挥发的vocs能够更快从土壤中脱附而出。

通过控制磁控管18的电源按钮17控制微波的发生功率，磁控管18通电后作用产生微波，微波的发生功率可通过控制装置控制磁控管的运行数量来决定，以2kw的功率梯度控制，产生的微波辐射到进入到箱体内部的土壤当中，微波通过对土壤的分子内部加热的方式使土壤迅速升温，迅速加热，让吸附在土壤当中的vocs因为温度的升高而从土壤中挥发出来，至此达到对vocs的热脱附的效果。由于微波的产生，微波通过电磁辐射，激发了设置在集气罩内的无极紫外灯管15，使其产生紫外光，紫外光辐射在高温的vocs上，可对其具有很强的消解作用，vocs最终转化为二氧化碳和水这些无污染的气体从排气口排出，同时通过无极紫外线灯管上方的ni催化网13，可对未消解殆尽的vocs进行最后一步的催化氧化作用。

在集气罩8顶上设置了臭氧回流区，通过抽风机3的作用可将紫外光与空气中的氧气相互作用而产生的臭氧经回流管6回流到履带11前端，使臭氧直接与土壤中的vocs接触，利用臭氧的强氧化性，可氧化土壤挥发出来的有机污染物，实现对土壤的预处理，能够整体提高对vocs的处理效率。处理后的土壤从密封仓的卸料口送出。

本发明在微波和紫外光辐射下协同修复有机物污染的土壤，修复后的土壤中甲苯含量为23.78ppm，远低于国家规定的建设用地标准1200mg/kg及居住用地标准100mg/kg，能够满足环保要求，使土地得到二次利用，能够发挥极大的经济效益，具有很大的社会效益。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用微波热脱附技术，借助微波选择性、穿透性和即时性的加热优势，将微波能直接作用于土壤中的有机物污染物，使有机物脱附的同时固体基质产生较小升温和影响，从而快速、高效的使土壤中的挥发性有机物挥发出来。

2、本发明中应用的无极紫外线灯管是通过微波电磁辐射的形式激发产生，启动和关闭迅速，能迅速散发紫外光来消解土壤挥发的vocs，在无极紫外线灯管上方设置的ni催化网，可通过催化氧化的形式将未能消解殆尽的vocs进行最后一步的催化氧化作用。

3、通过设置臭氧回流区，可将紫外线与氧气相互作用产生的臭氧进行收集回流，废气利用，利用臭氧的强氧化性，来氧化土壤中的vocs，能具有更高效的vocs处理效果。

4、本发明通过控制器控制磁控管的运行数量来控制装置的总微波发生功率，可通过控制电动机的运行功率来控制履带的运行速度，通过压力传感器的信号传递，可控制排气扇的启动时机，通过控制微波的产生来控制无极紫外线灯管的启动，通过控制履带的底部调平螺栓，调节整个履带的倾斜角度，可控制堆积土壤通过进料仓落入履带的速度，进而控制进料的均匀程度，整个装置控制方便，且方便操作。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。