一种利用BDD电极原位降解土壤中PAHs的修复装置

一种利用bdd电极原位降解土壤中pahs的修复装置
技术领域
1.本实用新型属于污染土壤修复领域，具体涉及一种利用bdd电极原位降解土壤中pahs的修复装置。


背景技术：

2.随着社会的发展，环境问题越来越受到人们的关注。近些年来，随着城市煤化工企业拆除以及搬迁，在土壤中会被经常检出多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，pahs）。pahs是一类备受关注的持久型有机污染物，具有致癌，致畸和致突变特点。为了保护和改善生态环境，防治土壤污染，保障公众健康，推动土壤资源永续利用，推进生态文明建设和促进经济社会可持续发展，颁布了《土壤污染防治行动计划》和《土壤污染防治法》两部法律法规，因此pahs污染土壤的修复工作亟待进一步实施和加强。
3.常用的pahs污染土壤修复方法有生物修复、化学氧化、植物修复、热脱附等和电动修复等。电动修复作为常用修复手段之一，是在污染土壤两侧施加直流电场，土壤中的有机污染物在电场作用下，通过电迁移、电渗流和电泳等方式被迁移出土体，从而实现有机污染物的去除。电动修复具有能够处理低渗透性土壤、可根据需要控制处理深度、适合处理重度污染土壤等优点具有较好的修复效果。
4.例如在电动修复中，传统的方法是在阳极室中加入非离子表面活性剂，且在阴极室加酸来控制ph来减小聚焦现象（由于土壤中ca
2+
和mg
2+
在迁移过程中与oh-离子相遇产生ca(oh)2和mg(oh)2沉淀，减小了土壤孔隙率，抑制了电渗流。从而导致目标污染物在修复区域靠近阴极的地方发生积聚）。土壤中的pahs在电场作用下，通过电渗流的方式由土体被迁移出至阴极室，再对阴极室中的溶液进行集中处理（电化学降解）。这些方法需要额外的工作量，增加了修复的时间成本。


技术实现要素：

5.解决的技术问题：针对上述技术问题，本实用新型提供一种利用bdd电极原位降解土壤中pahs的修复装置，具有pahs去除率高、装置简单、能够原位降解阴极室中的pahs等优点。
6.技术方案：一种利用bdd电极原位降解土壤中pahs的修复装置，包括阳极室、两块烧结玻璃、土壤室、阴极室、直流电源a和直流电源b，所述阳极室、土壤室和阴极室依次连接，所述两块烧结玻璃分别设于阳极室与土壤室连接处和土壤室与阴极室连接处；
7.所述阳极室内设有阳极液和第一阳极，所述第一阳极设于阳极室中心位置，所述阴极室内设有阴极液、阴极和第二阳极，所述阴极设于阴极室中心位置，所述第二阳极设于阴极室内部靠近土壤室的一侧，其位于阴极室宽度一半的1/2-3/5处，所述第一阳极和阴极为钌铱钛电极，所述第二阳极为bdd电极，阳极液和阴极液的液面高度低于土壤室中土壤的填充面高度；
8.所述直流电源a的正极与设于阳极室内的第一阳极连接，直流电源a的负极分成两
路，一路与直流电源b的负极连接，另一路与阴极连接，所述直流电源b的正极与设于阴极室内的第二阳极连接。第一阳极与阴极之间形成第一修复电场，第二阳极与阴极形成第二修复电场。
9.作为优选，所述利用bdd电极原位降解土壤中pahs的修复装置还包括阳极液储存池、阴极液储存池和蠕动泵，所述阳极液储存池和阴极液储存池均为敞口存储池，阳极液储存池内部设有阳极液，阴极液储存池内部设有阴极液，阳极液储存池内阳极液通过蠕动泵a与阳极室底部管道连接，阴极液储存池内阴极液通过蠕动泵b与阴极室底部管道连接，所述阳极室的侧壁且设于液面下的中上部与阳极液储存池顶部管道连接，所述阴极室的侧壁且设于液面下的中上部与阴极液储存池顶部管道连接。
10.作为优选，所述蠕动泵的流速为8-12 ml/min。
11.作为优选，所述利用bdd电极原位降解土壤中pahs的修复装置还包括二极管a和二极管b，所述直流电源a的正极与二极管a的正极连接，二极管a的负极与设于阳极室内的第一阳极连接，所述直流电源b的正极与二极管b的正极连接，二极管b的负极与阴极室内的第二阳极连接。
12.作为优选，所述直流电源a采用恒压模式，土壤室两侧电压梯度为0.5~1.5 v/cm。
13.作为优选，所述直流电源b采用恒流模式，第二阳极和阴极之间的电流密度为5~12 ma/cm2。
14.作为优选，所述阳极液为0.01 m na2so4水溶液，所述阴极液为na2so4、对二苯甲酸、naoh和水按照比值为0.01 mol：5 mmol：5 g：1l的混合液。
15.有益效果：（1）本新型所述装置通过在阴极室中设置第二阳极，可以利用第二阳极原位产生的
·
oh来氧化降解通过电渗流的方式由土体被迁移出至阴极室中的pahs。
16.（2）本新型所述装置中第二阳极通电降解时能够形成pahs在土壤室和阴极室之间的浓度差，促进pahs迁移出土壤。
17.（3）本新型所述装置中二极管能够保证电流正确的方向，达到第一修复电场的电场方向和第二修复电场的电场方向。
18.（4）本新型所述装置能原位降解阴极室中的pahs，在安装完毕后，不需要再对阴极室中溶液进行其他二次处理，有效减少其他二次装置运行维护费用，操作简单，具有很好的应用价值和前景。
附图说明
19.图1是本实用新型装置的结构示意图；
20.图2为实施例3所述装置运行360 min内，装置内电流和电压随时间的变化折线图；
21.图3为实施例3所述装置运行360 min内，装置内阳(阴)极室ph随时间的变化折线图；
22.图4为实施例3所述装置运行60 min内，装置内
·
oh的产量随时间的变化折线图；
23.图5为实施例4所述装置运行7天内，装置内土壤室内第一回路电流和第二回路电压的变化折线图；
24.图6为实施例4所述装置运行7天内，装置内阳极流向阴极的电渗流量折线图；
25.图7为实施例4所述装置运行7天内，土壤室的电压梯度值变化折线图；
26.图8为实施例4所述装置运行7天内，装置内土壤室内pahs去除率柱状图。
27.图中各数字标号代表如下：1. 阳极液储存池；2. 蠕动泵a；3. 阳极室；4. 第一阳极；5. 烧结玻璃；6. 直流电源a；7. 土壤室；8. 阴极；9. 阴极室；10. 阴极液储存池；11. 第二阳极；12. 二极管a；13.直流电源b；14.二极管b；15.蠕动泵b。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本新型作进一步描述。
29.本说明书实施例中烧结玻璃全称为烧结玻璃过滤器，购买自南京市浦口区昌辉实验器材销售中心。
30.实施例1
31.一种利用bdd电极原位降解土壤中pahs的修复装置，参见图1，包括阳极室3、两块烧结玻璃5、土壤室7、阴极室9、直流电源a 6和直流电源b 13，所述阳极室3、土壤室7和阴极室9依次连接，所述两块烧结玻璃5分别设于阳极室3与土壤室7连接处和土壤室7与阴极室9连接处。
32.所述阳极室3内设有阳极液和第一阳极4，所述第一阳极4设于阳极室3中心位置，所述阴极室9内设有阴极液、阴极8和第二阳极11，所述阴极8设于阴极室9中心位置，所述第二阳极11设于阴极室9内部靠近土壤室7的一侧，其位于阴极室宽度一半的1/2-3/5处，所述第一阳极4和阴极8为钌铱钛电极，此电极起导电和提供电场的作用；所述第二阳极11为bdd电极，此电极在失去电子的作用下会电解水产生大量具有较好氧化性能的
·
oh。阳极液和阴极液的液面高度低于土壤室7中土壤的填充面高度。
33.所述直流电源a 6的正极与设于阳极室3内的第一阳极4连接，直流电源a 6的负极分成两路，一路与直流电源b 13的负极连接，另一路与阴极8连接，所述直流电源b 13的正极与设于阴极室9内的第二阳极11连接。
34.在第一阳极4和阴极8连接一个直流电源a 6构成一个第一回路，形成第一修复电场。该直流电源a 6采用恒压模式，恒压使得土壤室电压梯度约为1 v/cm。第一修复电场的作用是在土壤室内产生由阳极室流向阴极室的电渗流，电渗流可将促使土壤中的pahs流向阴极室。且在第二阳极11和阴极8连接一个直流电源b 13构成一个第二回路，形成第二修复电场，该直流电源b 13采用恒流模式，恒流电流使得第二阳极11的电流密度为5
–
12 ma/cm2。第二修复电场的作用是利用阳极失去电子原位电解水产生
·
oh，
·
oh可以氧化去除通过电渗流作用由土壤室迁移到阴极室的pahs。另外，在两个直流电源的回路上分别设立一个二极管a 12和二极管b 13，二极管能够有效防止高电压的直流电源对另一个直流电源造成的电流反冲。
35.实施例2
36.同实施例1，区别在于，所述利用bdd电极原位降解土壤中pahs的修复装置还包括阳极液储存池1、阴极液储存池10和蠕动泵2，所述阳极液储存池1和阴极液储存池10均为敞口存储池，阳极液储存池1内部设有阳极液，阴极液储存池10内部设有阴极液，阳极液储存池1内阳极液通过蠕动泵a 2与阳极室3底部管道连接，阴极液储存池10内阴极液通过蠕动泵b 15与阴极室9底部管道连接，所述阳极室3的侧壁且设于液面下的中上部与阳极液储存池1顶部管道连接，所述阴极室9的侧壁且设于液面下的中上部与阴极液储存池10顶部管道
连接。所述蠕动泵的流速为8-12 ml/min。所述利用bdd电极原位降解土壤中pahs的修复装置还包括二极管a 12和二极管b 14，所述直流电源a 6的正极与二极管a 12的正极连接，二极管a 12的负极与设于阳极室3内的第一阳极4连接，所述直流电源b 13的正极与二极管b 14的正极连接，二极管b 14的负极与阴极室9内的第二阳极11连接。所述直流电源a 6采用恒压模式，土壤室7两侧电压梯度为0.5~1.5 v/cm。所述直流电源b 13采用恒流模式，第二阳极11和阴极8之间的电流密度为5~12 ma/cm2。所述阳极液为0.01m na2so4水溶液，所述阴极液为na2so4、对二苯甲酸、naoh和水按照比值为0.01 mol：5 mmol：5 g：1l的混合液。
37.实施例3
38.本实施目的是测试实施例2中一种利用bdd电极原位电化学降解土壤中pahs的修复装置的电路回路和装置产
·
oh能力。
39.本实施例中阳（阴）极室的大小为6.5 cm(长) * 8 cm(宽) * 6 cm(高)[总体积：0.312 l]，流出孔（阳（阴）极室中与阳（阴）极液储存池管道连接处的开孔）的高度为4 cm。
[0040]
具体包括如下步骤：
[0041]
（a）安装实施例2中原位电化学降解的修复土壤中pahs的装置，将550 g石英砂置于土壤室7中，压实。
[0042]
（b）将第一阳极4（钌铱钛电极，4 cm * 4 cm，厚度1 mm）安装在阳极室3中间位置，且将阴极8（钌铱钛电极，4 cm * 4 cm，厚1mm）安装在阴极室9中间位置。第二阳极11（bdd电极，4 cm * 4 cm，厚1mm）安装在靠近土壤室7，距离阴极室9宽度一半的1/2处。调节电压为恒压使得第一修复电场中土壤室电压梯度为1 v/cm。调节电流为恒流使得通过第二阳极的电流密度为10 ma/cm2。
[0043]
（c）将两台蠕动泵分别将电极液和电极液储存池相连，流速均为10 ml/min。
[0044]
（d）阳极液储存池1和阴极液储存池10内先分别加入1 l水，阳极液储存池1中加入0.01 m na2so4, 阴极液储存池10中加入0.01 m na2so4，5 mm 对二苯甲酸 (tpa) 和 5 g/l naoh。其中tpa和naoh可以生成水溶性好的对二苯甲酸钠，对二苯甲酸钠可以与
·
oh生成羟基化对二苯甲酸（htpa），htpa可用于定量
·
oh。
[0045]
图2是在360 min内，装置内电流和电压随时间的变化。由图可知装置内第一回路的电压为恒压25 v，且电流随时间的增加而增加。第二回路的电流为恒流0.16 a，且电压随时间的增加而增加。故该装置的电路为通路，可应用于实际应用。
[0046]
图3是在360 min内，装置内阴阳极室内ph随时间的变化。由图可知阳极室的溶液从中性向酸性转变，这是由于第一阳极在电场的作用下电解水不断生成h
+
而导致ph的减小。而阴极室的溶液一直处于碱性的条件，这是由于在0 min，阴极室添加了naoh，且阴极在两个电场的作用下电解水不断生成oh-，使得阴极室一直处于碱性环境。
[0047]
图4为60 min内，装置内
·
oh的产量随时间的变化。由图可知装置内
·
oh的产量随时间的增加而增多，最高在360 min生成了7.6 μmol的
·
oh。故该装置在实际应用中可以产生大量的
·
oh来氧化去除通过电渗流作用由土壤室迁移到阴极室的pahs。
[0048]
实施例4
[0049]
本实施例目的是测试实施例2中一种利用bdd电极原位电化学降解土壤中pahs的修复装置降解土壤中pahs的能力。
[0050]
本实施例中阳（阴）极室的大小为6.5 cm(长) * 8 cm(宽) * 6 cm(高)[总体积：
0.312 l]，流出孔（阳（阴）极室中与阳（阴）极液储存池管道连接处的开孔）的高度为4 cm。
[0051]
具体包括如下步骤：
[0052]
（a）安装实施例2中原位电化学降解的修复土壤中pahs的装置，将老化两周的人为添加的50 mg/kg 菲污染的550 g石英砂置于土壤室7中，压实。如图1将土壤室7从阳极室3到阴极室9分依次均匀地分为四个区域s1，s2，s3和s4。
[0053]
（b）将第一阳极4（钌铱钛电极，4 cm * 4 cm，厚1mm）安装在阳极室3中间位置，且将阴极8（钌铱钛电极，4 cm * 4 cm，厚1mm）安装在阴极室9中间位置。第二阳极11（bdd电极，4 cm * 4 cm，厚1mm）安装在靠近土壤室7，距离阴极室9宽度一半的1/2处。调节电压为恒压使得第一修复电场中土壤室电压梯度为1 v/cm。调节电流为恒流使得通过第二阳极的电流密度为10 ma/cm2。
[0054]
（c）将两台蠕动泵分别将电极液和电极液储存池相连，流速均为10 ml/min。
[0055]
（d）阳极液储存池1和阴极液储存池10内先分别加入1 l水，阳极液储存池1中加入0.01 m na2so4和0.5 wt% 曲拉通100, 阴极液储存池10中加入0.01 m na2so4。其中0.5 wt % 曲拉通100可以随着电渗流的作用由阳极室3迁移至土壤室7和阴极室9，且对土壤中的pahs具有增溶作用。
[0056]
图5为7天内，装置内土壤室内第一回路电流和第二回路电压的变化。第一回路电压为25v，电流的范围为0.00
ꢀ‑ꢀ
0.08 a。第二回路电流为0.16 a，电压的范围为11.08
ꢀ‑ꢀ
14.27 v。由此可知该装置电路为通路，第一回路和第二回路均有电流通过。图6为7天内装置内阳极流向阴极的电渗流量，由图可知，七天内电渗流量为1129.57 ml。图7为7天内装置内土壤室的电压梯度变化值，由图可知，土壤室电压梯度在1v/cm左右变化，且均值为1.06v/cm。
[0057]
图8为7天内，装置内土壤室内pahs去除率。由图可知装置内土壤室各处pahs在7天内的去除率为95%以上。且阳极液和阴极液均未检测出pahs。故该装置可以高效去除土壤中pahs，去除率大99.8%以上，具有很好的实际应用价值。