一种用于土体污染物去除的可替换吸污装置

1.本发明涉及一种用于土体污染物去除的可替换吸污装置，具体涉及一种用于岩土环境工程中土体中污染物去除的可替换吸污装置。


背景技术：

2.在我国，由于城市化发展与产业结构升级调整，我国工业企业关停或搬迁遗留的污染地块较多，由于长期生产经营，导致其遗留场地存在不同程度的污染。常见的土体污染物有重金属、有机物以及氟化物等，会对污染场地周围土壤及地下水造成长期的污染，严重威胁生产生活用水和人体健康。污染场地问题越来越成为影响生态环境保护和可持续发展的一个突出问题，亟待解决。
3.工业场地土壤及地下水污染较为严重，污染土壤传统修复方法是挖掘填埋法，实现工业场地的污染土的减量，但异位修复把环境问题从高危害区转移到低危害区，且填埋法有占用土地、渗漏、污染周边环境等负面影响。因此，需要对污染场地土壤进行污染物迁移及吸附的原位修复。
4.目前，对污染场地通过原位竖向阻隔技术能够防止污染场地受污染地下水和土中污染物迁移，控制污染物扩散，隔离了污染源与周围土体，但较少考虑污染物的浓度削减效应以及可持续地吸附土壤中污染物。实际情况中，污染物在污染区域积累，比如重金属污染不会被土壤中微生物降解，未经处理长时间富存会造成土壤质量退化、生态环境恶化。即使有原位的污染物吸附，多数也是将污染物浓度暂时降低，周边环境因素改变仍会使污染物重新释放出来。因此，很有必要研发一种土体中污染物高效去除技术及配套的可替换污染物吸纳装置实现土体中污染物的高效去除，实现污染物吸纳饱和后吸污材料的可替换性，实现可持续削减污染物浓度和污染场地的绿色原位治理。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：污染场地受污染地下水和土中污染物易富集、难降解。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
7.一种用于土体污染物去除的可替换吸污装置，其包括柱状的试样室，试样室底部设有插管口；试样室的内壁设有阳极板，试样室的中部设有一圈单层陶粒壳，单层陶粒壳内设有可替换吸附装置，可替换吸附装置包括中空复合陶粒-膜圆柱体，中空复合陶粒-膜圆柱体的中心轴为阴极棒，中空复合陶粒-膜圆柱体的内壁、阴极棒的外壁设有纤维素纳米纤维膜，纤维素纳米纤维膜内填充有中空复合陶粒壳；阴极棒、阳极板分别与直流电源的负极、正极连接。
8.优选地，所述试样室的材质为采用亚克力。
9.优选地，所述阳极板包括两块石墨板，两块石墨板之间设有铜丝。
10.优选地，所述中空复合陶粒-膜圆柱体的顶部设有帽檐型绝缘亚克力头，帽檐型绝
缘亚克力头与阴极棒顶部的螺纹头通过螺纹连接。
11.优选地，所述试样室底部设有底部支座，底部支座顶部设有旋转头，底部设有支撑脚，旋转头与试样室底部的螺纹凹槽相配合。
12.更优选地，所述底部支座的材质为亚克力；支撑脚通过亚克力胶水与底部支座连接。
13.优选地，所述直流电源与阴极棒之间连接有电流表及电源开关。
14.优选地，所述纤维素纳米纤维膜的制备方法为：将醋酸纤维素溶解于n,n-二甲基乙酰胺、丙酮的混合溶剂，室温下磁力搅拌12h，静置除泡得到澄清透明的纺丝液；采用纺丝电压18kv，接收距离16cm，纺丝液流量1.0ml/h，连续纺丝48h，得到醋酸纤维素纳米纤维膜，放入浓度为0.05mol/l氢氧化锂乙醇溶液中水解，8h后用去离子水清洗，洗净后在60℃下干燥1h。
15.优选地，还包括用于测试插管口处液体的浓度分析装置。
16.更优选地，所述插管口通过阀门连通污染物收集器，浓度分析装置的检测探头设于该污染物收集器内；所述浓度分析装置为紫外分光光度计和离子浓度检测机中的至少一个。所述污染物浓度分析装置，是由液体收集装置和浓度检测装置组成。液体收集装置是由旋拧阀、橡胶管、密封三角锥瓶组成，瓶口用开一小孔的密封膜封闭，防止液体蒸发损失，可以阀门控制污染物液体流量，液体通过橡胶管排出，橡胶管端部连接针管针头，通入瓶口孔洞收集污染物液体。浓度检测装置，是由便携式紫外分光光度计以及离子浓度检测计构成，可以实时监测有机物和重金属离子浓度的变化规律，反映吸附装置吸附程度和是否需要替换吸附装置。
17.单层陶粒壳以粉煤灰、高岭土、生石灰和玻璃粉、磷石膏、膨润土为原料，以少量tio2为烧结助剂，以碳酸氢铵为发泡剂，水为黏结剂，混合均匀后制成球状陶粒干燥，干燥后采用错缝排列的方式进行高温烧结，以便形成圆柱体坚硬骨架，可以进行替换防止土体细颗粒渗流造成的淤堵。
18.本发明可以在改变电渗电源电压、通电时间条件下，控制土体污染物的定向迁移，并且在迁移聚集处采用可替换陶粒-膜吸附装置进行污染物吸纳，动态监测污染物浓度变化规律。该技术及装置绿色、环保、设计简便、操作灵活，整体性好，可对污染场地土体中污染物进行高效、彻底、可持续性去除。
19.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
20.1.本发明针对污染场地电渗控制土体污染物迁移和可替换污染物吸纳的技术和装置，为去除污染场地土体污染物，可持续降低污染物浓度提供一套现场技术及装置，有利于进行试验研究和工程实际中在电渗条件下土体污染物削减的测试。
21.2.本发明的实验装置中，电极装置阳极采用石墨板中间分布铜丝从而防止腐蚀，阴极棒外围的中空复合陶粒-膜圆柱体可以防止淤堵，电极装置可使试样室中土体污染物定向迁移，聚集在一定范围内，并在区域内设置污染物吸附装置，定时收集吸附过后的渗流液，测定污染物浓度变化，得到吸附装置的吸附效果。
22.3.该试验装置最大的创新点就是可进行可持续性测试，通过设置不同的电渗电源电压和通电时间，研究其对污染场地土体污染物迁移的作用，采用可替换和可分离的吸纳装置实现污染物的可持续降低，实现污染场地原位治理。
23.本发明的实验装置能够达到多种目的，实现电渗控制土体污染物迁移、收集及利用可替换污染物吸纳装置进行污染物可持续性的彻底清除。该技术装置设计简便、制作工艺简单，整体性好，制作材料容易取得，操作简便。
附图说明
24.图1为本发明提供的用于土体污染物去除的可替换吸污装置的结构示意图；
25.图2为图1主体部分的透视图；
26.图3为图1中
ⅰ‑ⅰ
位置的截面图；
27.图4为阴极棒的示意图；
28.图5为帽檐型绝缘亚克力头的示意图；
29.图6为中空复合陶粒-膜圆柱体的示意图。
具体实施方式
30.为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
31.如图1-6，一种土体中污染物高效去除技术及配套的可替换污染物吸纳装置，包括底部支座、电极装置、试样室、可替换吸附装置、污染物浓度分析装置几部分组成。所述底部支座20包括四个圆柱体亚克力柱，顶部有旋转头14外侧带有螺纹，可与试样室13底部带螺纹凹槽15旋转相连接，支座20底部为一定厚度支撑脚19，均采用亚克力胶水粘接。
32.电极装置包括阳极板9为双层石墨板7中间夹有间隔分布铜丝5制成，直流电源c正极通过导线与阳极板9相连，阴极棒12为圆柱体铁棒制成，铁棒端部有螺纹头3，可与内圈有螺纹的帽檐型绝缘亚克力头4相连，形成一个整体——可替换吸附装置1用于替换。直流电源c阴极通过导线与阴极棒12相连，直流电源c通过阳极板9与阴极棒12在土体的外圈与内圈施加电场，驱动土体中的阳离子向阴极棒12移动，此外该电源c可以调整电压电流及通电时间，用于不同电压、电流以及通电时间条件下的电渗控制污染物迁移的研究。
33.试样室包括试样室13和单层陶粒壳2，试样室13由亚克力塑料制成，整体为中空的圆柱体，在底板的中心留有插管口18，通过橡胶管与污染物的浓度分析装置(紫外分光光度计f和离子浓度检测计g)相连，底板有凹槽16，可嵌入单层陶粒壳2，试样室13底部带螺纹凹槽15，可与底部支座19顶部的旋转头14旋转连接。
34.可替换吸附装置包括中空复合陶粒-膜圆柱体11、内圈有螺纹的帽檐型绝缘亚克力头4制成，中空复合陶粒-膜圆柱体11外侧与内侧设置了中空复合陶粒壳8，中间堆叠制得的纤维素纳米纤维膜6，起到吸附有机物和金属离子的作用，帽檐型绝缘亚克力头4内圈有螺纹，可与阴极棒12顶部螺纹头3旋转连接。
35.污染物浓度分析装置包括污染物收集器e(采用三角锥瓶)、紫外分光光度计f和离子浓度检测计g，试样室13底部插管口18渗流的液体通过控制阀门d收集进入有密封膜的三角锥瓶，通过紫外分光光度计f和离子浓度检测计g实时监测污染物液体的浓度变化，可以判断吸附装置是否需要替换以及它的吸附效果。
36.在试验过程中将底部支座20顶部旋转头14对准试样室13底部带螺纹凹槽15旋紧固定，试样室13底板的插管口18插入橡胶管，并连接阀门d并且先关闭阀门，橡胶管管口连接针管针头，插入带有密封膜的三角锥瓶e，以方便实时检测污染物浓度的变化。将单层陶
粒壳2嵌入试样室底板的凹槽16，阴极棒12端头的螺纹与帽檐型绝缘亚克力头4旋转拧紧形成一个整体1，中空复合陶粒壳8堆叠通过一定工艺制得的纤维素纳米纤维膜6，带阴极棒12的整体1插入其中。完成以上后开始装填土样，将原状污染土样或模拟污染场地土样均匀分层地填入试样室13中，保持可替换吸附装置1的中空复合陶粒-膜圆柱体11和单层陶粒壳2的位置不变，直到土样填到预定的高度。完成装填后，将圆环形的阳极板9插入靠近于试样室13的土样外圈，通过四根导线将阳极板9与直流电源c的正极相连接，通过一根导线将阴极棒12与直流电源c的负极相连，打开电源开关b，可观察电流表a的变化来控制电流、电压的大小，也可控制通电时间。直流电源c开启后，保持恒压恒流通电，打开阀门d，收集出流液体，经过一定时间间隔，针对不同种类的污染物运用紫外分光光度计f或者离子浓度检测计g来测定污染物的浓度。整个实验装置可以通过电渗作用，使得污染物在土样中发生定向移动，聚集在吸附装置附近，让其自然吸附，通过出流污染物浓度保持基本不变来判断吸附装置已经达到吸附饱和状态，需要进行替换操作，替换操作简便，可持续进行吸附污染物研究。
37.实施例1
38.进行电渗控制土体污染物迁移实验，实验步骤如下：
39.第一步：将四个底部支座20顶部旋转头14对准试样室13底部带螺纹凹槽15旋紧固定，形成一个整体放置在工作台上，将单层陶粒壳2嵌入试样室13底部的凹槽16。
40.第二步：试样室13底板的插管口18插入橡胶管，并连接阀门d，先关闭阀门d，橡胶管管口连接针管针头，三角锥瓶e瓶口用密封膜密闭，针头通入三角锥瓶e中，以方便收集出流的污染物液体。
41.第三步：安装中空复合陶粒壳8，插在试样室13已固定的单层陶粒壳2内侧，堆叠采用静电纺丝法和水解法制备纤维素纳米纤维膜6于中空复合陶粒壳8之间，阴极棒12带螺纹端头3与内圈带螺纹的帽檐型绝缘亚克力头4旋紧固定，形成一个整体1，带阴极棒12的整体1插在中空复合陶粒壳8中心预留的圆柱体中，帽檐型绝缘亚克力头4置于中空复合陶粒壳8上方。
42.第四步：组装完成后，分层装填原状污染土样或模拟污染场地土样到试样室13，装填时控制试样s的压实度和装填的高度，与试样室13上表面齐平。
43.第五步：装填完成后，将圆环形的阳极板9插入靠近于试样室13的土样外圈，通过四根导线将阳极板9与直流电源c的阳极相连接，通过一根导线将阴极棒12与直流电源c的阴极相连，打开电源开关b，可观察电流表a的变化来控制电流、电压的大小，也可控制通电时间。
44.第六步：直流电源c打开后，保持恒压恒流通电，打开阀门d，经过一定时间后，测量出流液体体积。通过改变直流电源电压、电流大小和通电时间，观测出流液体电渗条件下的出流效率，从而进行电渗条件下的控制污染物迁移。
45.实施例2
46.进行可替换吸附装置污染物吸附、削减的实验，实验步骤如下：
47.第一步：将四个底部支座20顶部旋转头14对准试样室13底部带螺纹凹槽15旋紧固定，形成一个整体放置在工作台上，将单层陶粒壳2嵌入试样室底板的凹槽16。
48.第二步：试样室底板的插管口18插入橡胶管，并连接阀门d，先关闭阀门d，橡胶管
管口连接针管针头，三角锥瓶e瓶口用密封膜密闭，针头通入三角锥瓶e中，以方便收集出流的污染物液体。
49.第三步：安装中空复合陶粒壳8，插在试样室13已固定的单层陶粒壳2内侧，堆叠采用静电纺丝法和水解法制备纤维素纳米纤维膜6于中空复合陶粒壳8之间，阴极棒12带螺纹端头3与内圈带螺纹的帽檐型绝缘亚克力头4旋紧固定，形成一个整体1，带阴极棒12的整体1插在中空复合陶粒壳8中心预留的圆柱体中，帽檐型绝缘亚克力头4置于中空复合陶粒壳8上方。
50.第四步：组装完成后，分层装填原状污染土样或模拟污染场地土样到试样室13，装填时控制试样s的压实度和装填的高度，与试样室13上表面齐平。
51.第五步：装填完成后，将圆环形的阳极板9插入靠近于试样室腔13的土样外圈，通过四根导线将阳极板9与直流电源c的正极相连接，通过一根导线将阴极棒12与直流电源c的负极相连，打开电源开关b，让土体内的污染物在电渗条件下发生向中心聚集的定向迁移。
52.第六步：直流电源c打开后，保持恒压恒流通电，打开阀门d，经过一定时间后收集出流液体。取实验开始后的每隔1h内出流的剩余污染物液体，进行浓度检测，染料污染物浓度可以用紫外分光光度计f检测，重金属离子污染物可以用离子浓度检测计g检测，研究吸附装置吸附过后的剩余污染物浓度，从而可判断吸附装置的吸附效果以及是否需要进行替换吸附装置处理。
53.本发明提供的装置通电之后，通过电渗作用，使污染物在土样中发生定向移动，污染物会由正极往负极移动聚集在吸附装置附近，被吸附装置自然吸附，并通过出流污染物浓度保持基本不变来判断吸附装置已经达到吸附饱和状态，此时可对吸附装置进行替换操作，且替换操作简便。
54.此外，吸附装置的“芯”可以替换材料。为了验证黏土，膨润土和改性膨润土三种材料的吸附性，特进行验证试验。按照试验图制作出本装置，分别放入黏土，膨润土和改性膨润土三种材料，收集出流液体，经过一定时间间隔，运用紫外分光光度计或者离子浓度检测计来测定污染物的浓度。实验发现：放入黏土时，出流液体的浓度无变化；放入膨润土时，出流液体的浓度小幅降低；放入改性膨润土时，出流液体的浓度大幅降低。得出结论，吸附装置的“芯”采用改性膨润土时效果最佳。