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一种用于原位修复重金属污染 土壤的 电场辅助吸附提取方法

阅读：932发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，包括以下步骤：1）将重金属污染土壤置于连接有导线的电极极板之间；2）将提取棒埋入重金属污染土壤中；其中，所述提取棒为由透水性材料及填充于所述透水材料内的填料固化成型后制成；3）将导线接入电源，施加电压，阳极区的重金属离子向阴极迁移，重金属离子途经提取棒时被填料吸附固定；4）周期性更换提取棒；5）周期性对调电极极板的极性。所用提取棒与土壤相容性好，无毒副作用，不会对土壤造成二次污染，填料经再生后可重复使用。本发明将电动修复与离子吸附提取技术相结合，可连续高效的提取出土壤中的重金属离子，不会在阴极产生偏极效应或产生新的重金属提取液。，下面是一种用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将重金属污染土壤置于连接有导线的电极极板之间；
2）将提取棒埋入重金属污染土壤中；其中，所述提取棒为由透水性材料及填充于所述透水材料内的填料固化成型后制成；
3）将导线接入电源，施加电压，阳极区的重金属离子向阴极迁移，重金属离子途经提取棒时被填料吸附固定；
4）周期性更换提取棒；
5）周期性对调电极极板的极性。
2.根据权利要求1所述的用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：所述提取棒埋入重金属污染土壤的垂直深度≤4m。
3.根据权利要求1所述的用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：所述重金属污染土壤可以为任意形状。
4.根据权利要求1所述的用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：可向所述填料中加入活性炭。
5.根据权利要求4所述的用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：所述活性炭的质量含量不超过所述填料质量含量的20%。
6.根据权利要求1所述的用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：所述填料为黏土矿物、沸石分子筛、多孔树脂中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：所述黏土矿物为膨润土、蒙脱土、硅藻土、凹凸棒土、海泡石、蛭石、高岭土中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：所述沸石分子筛为天然沸石、合成沸石中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：所述多孔树脂为具有离子交换能力的高分子大孔树脂。
10.根据权利要求9所述的用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其特征在于：所述高分子大孔树脂为聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酰胺型树脂中的一种。

说明书全文

一种用于原位修复重金属污染土壤的 电场辅助吸附提取方法

技术领域

[0001] 本发明涉及重金属污染土壤修复技术领域，具体涉及一种用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法。

背景技术

[0002] 土壤重金属污染修复一直是国内外相关研究的重点。土壤重金属迁移性差，不能被微生物降解，且能够通过呼吸、饮水和食物链在生物内富集，严重威胁着动植物和人体的健康，因此开发实用、高效、环境影响小的土壤修复方法具有十分重要的意义。

[0003] 电动修复是为数不多的可将重金属元素从土壤中分离的技术，通常是指对污染土壤施加直流电场，促使污染物通过电渗、电迁移、电泳等机制在电极区富集，再将富集后的污染物进行处理或分离的过程。电动修复适用于低渗透性土壤、泥浆和疏浚污泥，可去除其中的重金属，如镉、汞、锌、铅、铜、砷、铬和放射性核素（镭、铯）等。土壤的pH值影响土壤溶液中重金属离子的吸附和解吸、沉淀和溶解过程。在电动修复过程中，阳极产生氢离子，氢离子在电场的作用下向阴极方向迁移，从而解吸、溶解其迁移途中的可交换态重金属离子，提高了重金属离子的可迁移性；而在阴极产生氢氧根离子，其在电场作用下向阳极方向迁移，使得阴极区的pH值升高。在未增强的电动修复体系中，溶解在土壤溶液的重金属离子迁移到阴极区后，由于土壤pH升高而产生二次沉淀，即产生偏极效应，从而影响电动修复的效果。

[0004] 为解决或减缓偏极效应，提高污染物去除效率，可应用的电动修复强化技术，包括：酸碱中和法、离子交换膜法、交换电极法、络合剂法、表面活性剂法、LasagnaTM法等。然而酸碱中和法需要添加额外的化学试剂，增加了修复工序；离子交换膜价格昂贵，并且离子交换膜结垢引起的膜污染会导致膜的流动阻力增加，影响电渗流量；交换电极法存在污染物往复迁移问题；络合剂法和表面活性剂法会向土壤中引入新的污染物；LasagnaTM法设计和操作过程复杂。因此，如何解决偏极效应，实现土壤中重金属离子的分离，成为电动力学土壤修复的关键。

发明内容

[0005] 本发明针对上述现有技术中的缺陷，提供一种用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，将电动修复与离子吸附提取技术相结合，可连续高效的提取土壤中的重金属离子，同时避免了偏极效应的发生。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，其不同之处在于，包括如下步骤：
1）将重金属污染土壤置于连接有导线的电极极板之间；
2）将提取棒埋入重金属污染土壤中；其中，所述提取棒为由透水性材料及填充于所述透水材料内的填料固化成型后制成；
3）将导线接入电源，施加电压，阳极区的重金属离子向阴极迁移，重金属离子途经提取棒时被填料吸附固定；
4）周期性更换提取棒；
5）周期性对调电极极板的极性。

[0007] 在上述技术方案中，所述提取棒埋入重金属污染土壤的垂直深度≤4m。

[0008] 在上述技术方案中，所述重金属污染土壤可以为任意形状。

[0009] 在上述技术方案中，可向所述填料中加入活性炭。

[0010] 在上述技术方案中，所述活性炭的质量含量不超过所述填料质量含量的20%。

[0011] 在上述技术方案中，所述填料为黏土矿物、沸石分子筛、多孔树脂中的至少一种。

[0012] 在上述技术方案中，所述黏土矿物为膨润土、蒙脱土、硅藻土、凹凸棒土、海泡石、蛭石、高岭土中的至少一种。

[0013] 在上述技术方案中，所述沸石分子筛为天然沸石、合成沸石中的至少一种。

[0014] 在上述技术方案中，所述多孔树脂为具有离子交换能力的高分子大孔树脂。

[0015] 在上述技术方案中，所述高分子大孔树脂为聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酰胺型树脂中的一种。

[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用电动力学提取棒技术，通过电动力学过程让金属离子发生迁移，同时利用提取棒中具有强吸附能力和离子交换能力的材料将金属离子固定，再整体移出土壤，这一过程不会影响金属离子在土壤中的电动迁移。本发明将电动修复与离子吸附提取技术相结合，可连续高效的提取出土壤中的重金属离子，不会在阴极产生偏极效应或产生新的重金属提取液。此外，所用提取棒经济耐用，与土壤相容性好，无毒副作用，不会对土壤造成二次污染，填料经再生后可重复使用。
附图说明

[0017] 图1为本发明实施例中圆柱状提取棒的结构示意图，图2 为本发明实施例中基于圆柱状提取棒的重金属污染土壤的单极修复装置结构示意图，图3为本发明实施例中圆柱状提取棒和电极极板的多极矩形排布示意图。

[0018] 其中：1-提取棒（101-填料，102-透水性材料），2-电极极板，3-重金属污染土壤。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用于限定本发明的范围。

[0020] 一种用于原位修复重金属污染土壤的电场辅助吸附提取方法，包括以下步骤：步骤1）将重金属污染土壤3置于电极极板2之间，电极极板2的阳极和阴极分别与导线相连。如图2、图3所示，电极极板2至少有一对，所设置电极极板2的对数根据所需要修复的重金属污染土壤3的量来设定。

[0021] 步骤2）将提取棒1埋入重金属污染土壤3中。提取棒1需埋入阳极和阴极间的重金属污染土壤3中，重金属污染土壤3可以为任意形状，提取棒1的尺寸与需修复的重金属污染土壤3深度有关，优选地，提取棒1埋入重金属污染土壤3的垂直深度≤4m。如图1所示，提取棒1由透水性材料102及填充于所述透水材料内的填料101固化成型后制成。透水性材料102用以装填填料101，因此透水性材料102需具有良好的透水性和机械强度。填料101应具有良好的吸附和离子交换能力。优选地，填料101为黏土矿物、沸石分子筛、多孔树脂中的至少一种。优选地，黏土矿物为膨润土、蒙脱土、硅藻土、凹凸棒土、海泡石、蛭石、高岭土中的至少一种。优选地，沸石分子筛为天然沸石、合成沸石中的至少一种。优选地，多孔树脂包括聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酰胺型树脂等具有离子交换能力的高分子大孔树脂。为了增强填料101的导电性，可向填料中加入适量活性炭，优选地，活性炭的质量含量不应超过所述填料101质量含量的20%。，以避免填料101因导电性太好导致重金属离子在电场中的迁移受到影响。

[0022] 步骤3）将导线接入电源，施加电压，在电场作用下，阳极区的重金属离子向阴极迁移，重金属离子途经提取棒1时被填料101吸附固定。

[0023] 步骤4）周期性更换提取棒1。修复过程中，每隔几天可更换提取棒1，通过更换提取棒1可连续分离出土壤中的重金属。提取棒1更换的频率根据需修复重金属污染土壤3的量和提取棒1的尺寸而定。

[0024] 步骤5）周期性对调电极极板3的极性。阳极区修复完成后，将阳极和阴极的极性对调，可进一步修复原阴极区的重金属污染。

[0025] 本发明采用电动力学提取棒技术，通过电动力学过程让金属离子发生迁移，同时利用提取棒中具有强吸附能力和离子交换能力的材料将金属离子固定，再整体移出土壤，这一过程不会影响金属离子在土壤中的电动迁移。本发明将电动修复与离子吸附提取技术相结合，可连续高效的提取出土壤中的重金属离子，不会在阴极产生偏极效应或产生新的重金属提取液。此外，所用提取棒经济耐用，与土壤相容性好，无毒副作用，不会对土壤造成二次污染，填料经再生后可重复使用。

[0026] 实施例1本实施例中将电化学方法与吸附提取方法相结合，实验室规模模拟重金属污染场地内土壤的原位修复。土壤取自某铅酸回收企业的厂区内堆场，堆场内存在重金属Pb的污染。土样的初始总铅量为1252±72 mg/kg，湿度约为63%（采用便携式X射线荧光重金属测定仪），为灰色粉沙黏土。将需修复的土壤装入方形土箱，压实，土壤的尺寸为长1m、宽0.5m、高
0.5m。电动修复所用电极均为惰性钌钛阳极，将电极分别安装在土箱的两端，中间填充待修复的土样。保持土壤的湿度，每天向土样均匀喷洒150毫升的纯水。

[0027] 提取棒由吸附填料和土工织物构成，吸附填料由膨润土与活性炭均匀混合而成，其中膨润土和活性炭的质量比为5:1，土工织物呈圆筒状，其上端开口，具有良好的透水性和机械强度。将混合填料装填入土工织物，用绳子将上端开口系好。提取棒成型后直径为40cm，高50cm。将提取棒和电极极板按如图3所示的排布方式埋入待修复土壤，提取棒埋在土箱中部土壤内，与阳极和阴极的距离均为0.5m（阴、阳极极板间距为1m）。将导线并联接入直流电源，施加100V/m恒槽压。在电场的作用下，阳极区的重金属离子向阴极迁移，金属离子在途径提取材料时被吸附填料吸附、固定。修复过程中，每5天更换一次提取材料，每15天对调一次阳、阴极的极性。

[0028] 整个修复过程持续30天，经过本发明电场辅助吸附提取方法处理后，重金属污染土壤中的总Pb从1252±72 mg/kg下降到 438±45 mg/kg，去除率达到65%。修复后的土壤中，铅含量达到环境质量二级标准限值以下。

[0029] 实施例2本实施例中采用电场辅助吸附提取方法，实地修复某矿区的重金属污染土壤。相对于土壤标准（中华人民共和国国家标准《土壤环境质量标准》GB 15618-2008）土壤中严重超标的重金属包括Pb、Zn、Cu、Cd，总量分别为830±34mg/kg、1250±104mg/kg 、527±28mg/kg、53±4mg/kg。电动修复所用电极均为板状全碳电极，包括全碳电极板和碳纤维导线，全碳电极板由聚乙烯、碳纤维、炭黑、石墨制成，其中聚乙烯、碳纤维、炭黑、石墨质量比为1：
0.4：0.5：0.3。全碳电极的电阻率不高于10-3Ω·m。全碳电极板厚6mm，宽20cm，长55cm全碳电极板壁内设有4根直径为2mm碳纤维导线。全碳电极板两侧设有轴向凹型槽，相邻凹型槽的间距为10mm。

[0030] 提取棒由吸附填料和土工织物构成，吸附填料为天然膨润土，土工织物呈圆筒状，其上端开口，具有良好的透水性和机械强度。将填料装填入土工织物，用绳子将上端开口系好。成型后的提取材料直径为30cm，高1m。场地内提取材料和全碳电极板的排布方式如图3所示，阳极和阴极的距离均为2m，相邻电极间距为1m，相邻提取材料间的距离亦为1m。将导线并联接入直流电源，施加100 V/m恒槽压。在电场的作用下，阳极区的重金属离子向阴极迁移，金属离子在途径提取材料时被吸附、固定。每5天更换一次提取材料，每15天对调一次阳、阴极的极性。提取棒经酸洗后可再次利用。

[0031] 经过本发明电场辅助吸附提取方法处理后，矿区的上层土壤重金属污染得到较好的控制，其中重金属Pb、Zn、Cu、Cd的提取率分别达到36%、69%、47%、41%。

[0032] 最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明而非限制本发明的保护范围。另外，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改或变型，所有的这些等价形式同样属于本申请所要求限定的保护范围之内。

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