用于原位修复重金属污染土和地下水的装置及方法

摘要

本发明公开了一种用于原位修复重金属污染土和地下水的装置，其特征是：该装置包括有阴极柱和阳极桩，所述阴极桩结构自内向外依次由柱形电极内多孔挡板、阴离子交换膜、阳离子交换膜、外多孔挡板、阴极环形筒组成，其桩体的上端为阴极外圆形板和阴极内圆形板；所述阳极桩结构自内向外由柱形电极、环形多孔挡板、阳极环形筒组成，其桩体上端为阳极外圆形板、阳极内圆形板；所述阴极桩与电源阴极相连，阳极桩与电源阳极相连。本发明还公开了一种采用上述装置的修复方法，该方法极大降低了离子交换膜的用量，具有成本低、效率高、处理范围大、避免了二次污染等特点，在重金属污染恶性事件频发的今天具有一定的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种重金属污染土和地下水的原位修复方法，具体涉及一种用于原位修复重金属污染土和地下水的装置及其使用方法。

背景技术

重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染。重金属具有很强的危害性，其危害程度取决于重金属在环境、食品和生物体中存在的浓度和化学形态。重金属污染主要表现在水污染中，还有一部分是在大气和固体废物中。

　重金属污染与其他有机化合物的污染不同。不少有机化合物可以通过自然界本身物理的、化学的或生物的净化，使有害性降低或解除。而重金属具有富集性，很难在环境中降解。目前我国由于在重金属的开采、冶炼、加工过程中，造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土壤引起严重的环境污染。如随废重金属水银水排出的重金属，即使浓度小，也可在藻类和底泥中积累，被鱼和贝类体表吸附，产生食物链浓缩，从而造成公害。水体中金属有利或有害不仅取决于金属的种类、理化性质，而且还取决于金属的浓度及存在的价态和形态，即使有益的金属元素浓度超过某一数值也会有剧烈的毒性，使动植物中毒，甚至死亡。金属有机化合物(如有机汞、有机铅、有机砷、有机锡等)比相应的金属无机化合物毒性要强得多；可溶态的金属又比颗粒态金属的毒性要大；六价铬比三价铬毒性要大等等。

由于长年的矿山开采和冶炼，中国重金属污染事件时有发生。近年，安徽、陕西、浙江等地相继发生儿童血铅超标事件。今年1月，广西龙江河部分河段出现镉污染超标，下游柳州市发生抢买矿泉水事件。规划指，重金属污染对生态环境和公众健康均造成严重威胁。最近，在广西柳州市区上游57公里的柳城县糯米滩水电站以上的龙江河段，尚有镉浓度超标5倍以上的水体长达100公里。这一重金属水污染，引起多方关注。 

因此，如何实现对重金属污染区域的原位修复是一个很重要的问题。本发明正是基于这种环境背景下提出的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于原位修复重金属污染土和地下水的改进装置。

本发明的另一目的在于提供一种修复重金属污染土和地下水的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种用于原位修复重金属污染土和地下水的装置，其特征是：该装置包括有阴极柱和阳极桩，所述阴极桩结构自内向外依次由柱形电极、内多孔挡板、阴离子交换膜、阳离子交换膜、外多孔挡板、阴极环形筒（组成，其桩体的上端为阴极外圆形板和阴极内圆形板，桩体的下端设有阴极圆形板；所述阳极桩结构自内向外由柱形电极、环形多孔挡板、阳极环形筒组成，其桩体上端为阳极外圆形板、阳极内圆形板，其桩体下端为阳极圆形板；所述阴极桩与电源阴极相连，阳极桩与电源阳极相连。

所述述阴极外圆形板和阳极外圆形板为可拆除式结构。

所述阴极环形筒和阳极环形筒为拆除式结构，它们由塑料板或钢板制成。

所述外多孔挡板、内多孔挡板和环形多孔挡板的材料为能阻止淤泥通过，但不妨碍水分子通过的材料。

本发明还提供一种利用上述的装置原位修复重金属污染土和地下水的方法，其特征在于具体实施步骤为：

a、确定需要修复重金属污染土或者地下水的区域；

b、判断该区域是否适合用该方法进行处理，该区域的PH值是否偏酸性，如果PH值偏碱性重金属大多以非离子态存在，即不能使用本方法；另外，判断污染土应该处于湿润或饱和状态，即重金属离子可以在区域里自由移动；

c、确定处理区域后，把所述阴极桩和阳极装布置在处理区域内，阳极桩应呈环绕型包围在阴极桩周围，如果该区域土体松软如淤泥，可以直接将桩插入预定的位置；如果土体较为坚硬，可以预先用机械或者其他方法打出小孔，然后把桩插入孔中，其后拔掉桩的阴极外圆形板、阳极外圆形板和阴极环形筒、阳极环形筒；

d、向阴阳两极加入电解液池，接通直流电源通电，通电过程中适时向阳极电解液池和阴极电解液池补充相应损失的电解液；

e、当电流保持在一个稳定的值时，将两层离子交换膜内沉淀物及溶液取走，停止通电，然后将修复后的淤泥与阴极中的碱性溶液混合，静置；

f、将修复后的阳极与阴极中的溶液倒回原来的孔里，使处理区域的pH值恢复到原先状态。

6、根据权利要求5所述的原位修复重金属污染土和地下水的方法，其特征在于所述步骤b中向阳极和阴极补充相应电解液时，电解液的运送量为1～5ml/min；通直流电时直流电压为1～30V/cm；向阳极加入的电解液池为0.015~0.050mol/L的酸性溶液，向阴极和两层离子交换膜之间加入的电解液为0.015 ~0.050 mol/L中性溶液。

所述酸性溶液为H₂SO4，所述中性溶液为Na₂SO4。

所述阴极桩处理污染土一定次数后，将离子交换膜拆下来，清洗处理后重新使用。

在修复过程中，根据电化学知识可知，阴阳两极发生如下电解反应：

这样会在阳极产生H⁺，阴极产生OH^-，在电场作用下，阳离子包含重金属离子，如Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺ 、H⁺等向阴极移动，阴离子如OH^-1等向阳极移动。OH^-1等阴离子通过阴离子选择透过膜后，由于存在阳离子选择性透过膜，这样便限制了OH^-1离子的流动，而H⁺可以一直在淤泥中移动，直到穿过阳离子选择性透过膜与OH^-相遇，这样污泥处理室中淤泥全部处于较强的酸性条件下，较强的酸性可以增加重金属离子的活跃性。

在阴阳离子交换膜两侧，由于存在阳离子选择透过性膜和阴离子选择透过性膜，当重金属离子如Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺ 、Al³⁺等、H⁺等阳离子向阴极移动时，在顺利通过阳离子选择透过性膜后受到阴离子选择透过性膜的阻挡；当OH^-1等阴离子向阳极移动时，在顺利通过阴离子选择透过性膜后受到阳离子选择透过性膜的阻挡。这两层选择透过性膜限制了阴离子和阳离子的运动，这样重金属离子便会控制在两层膜之间。

对于重金属离子的化学反应可以分为两类，一类是可以与OH^-1生成沉淀的，如Cu²⁺和Fe³⁺；另一类是可以溶于强碱的如Zn²⁺ 、Al³⁺、Pb²⁺等。两类离子典型的化学反应式为以Cu²⁺和Al²⁺为例：

 

对于第一类离子，在两层离子交换膜之间形成沉淀；对于第二类离子，虽然没有形成沉淀，但会形成阴离子，由于电场的束缚，也不会通过阴离子交换膜，因此，所有的重金属离子便都约束在离子交换膜之间。

电流会随着时间发生变化，经过1～10天后，电流会稳定在一个比初始时小的值，这是由于重金属离子大多沉淀或者反应完成。

本发明基于电化学原理，综合采用离子交换和电动力技术实现了重金属污染土和地下水的原位修复。修复完毕后，将修复后的淤泥与阴极中的碱性溶液混合，倒回修复区域内，使修复区域的pH值大致恢复到原先状态，避免了二次污染。通过该方法可以实现原位去除被污染淤泥中的大部分重金属的目的。

本发明的有益效果：

本发明用于修复有毒离子污染淤泥的装置及利用该装置修复污染淤泥的方法，引入了把阴离子交换膜和阳离子交换膜做成桩的形式，按照特定的方式布置，该方法克服了传统电动力修复技术中原位修复存在的不足，如修复时间长、成本高、效率低等缺点。该方法修复效率高，操作简单，可以有效的降低重金属污染对环境的危害，且几乎没有二次污染。

附图说明

图1为本发明中阴极桩的结构示意图。

图2为本发明中阴极桩的俯视结构示意图。

图3为本发明中阳极桩的结构示意图。

图4为本发明中阳极桩的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明进行详细说明：

如图1-4所示，本发明装置包括有阴极柱和阳极桩，所述阴极桩结构自内向外依次由柱形电极1-6、内多孔挡板1-5、阴离子交换膜1-4、阳离子交换膜1-3、外多孔挡板1-2、阴极环形筒1-1组成，其桩体的上端为阴极外圆形板1-7和阴极内圆形板1-8，桩体的下端设有阴极圆形板1-9。所述阳极桩结构自内向外由柱形电极2-3、环形多孔挡板2-2、阳极环形筒2-1组成，其桩体上端为阳极外圆形板2-4、阳极内圆形板2-5，其桩体下端为阳极圆形板2-6；所述阴极桩与电源阴极相连，阳极桩与电源阳极相连。

其中，阴极外圆形板1-7和阳极外圆形板2-4为可拆除式结构，起到临时固定的作用。阴极环形筒1-1和阳极环形筒2-1也为拆除式结构，它们由塑料板或钢板制成，具有一定的机械强度，起到保护挡板的作用。而外多孔挡板1-2、内多孔挡板1-5和环形多孔挡板2-2的材料为能阻止淤泥通过，但不妨碍水分子通过的材料，并且起到支撑离子交换膜的作用。位于阳极的柱形电极2-3需要有抗酸腐蚀的能力，位于阴极的柱形电极1-6需要抗碱腐蚀的能力。

本发明阴极内圆形板1-8和阳极内圆形板2-5上有孔洞，便于补充和抽取其中的溶液。

本发明利用上述阴极桩和阳极桩装置原位修复重金属污染土和地下水的方法具体实施步骤为：

a、确定需要修复重金属污染土或者地下水的区域；

b、判断该区域是否适合用该方法进行处理，该区域的PH值是否偏酸性，如果PH值偏碱性重金属大多以非离子态存在，即不能使用本方法；另外，判断污染土应该处于湿润或饱和状态，即重金属离子可以在区域里自由移动；

c、确定处理区域后，把所述阴极桩和阳极装布置在处理区域内，阳极桩应呈环绕型包围在阴极桩周围，如果该区域土体松软如淤泥，可以直接将桩插入预定的位置；如果土体较为坚硬，可以预先用机械或者其他方法打出小孔，然后把桩插入孔中，其后拔掉桩的阴极外圆形板1-7、阳极外圆形板2-4和阴极环形筒1-1、阳极环形筒2-1；

d、向阴阳两极加入电解液池，接通直流电源通电，通电过程中适时向阳极电解液池和阴极电解液池补充相应的电解液，以补充由于电解反应而导致的电解液损失；

e、当电流保持在一个稳定的值时，将两层离子交换膜内沉淀物及溶液取走，停止通电，然后将修复后的淤泥与阴极中的碱性溶液混合，静置；

f、将修复后的阳极与阴极中的溶液倒回原来的孔里，使处理区域的pH值恢复到原先状态，避免二次污染，且整个淤泥土体中重金属元素达到很高的去除率（不同金属元素的去除率略有差异），另外阴极桩处理污染土一定次数后，可以把离子交换膜拆下来，清洗处理后重新使用。

其中，所述步骤b中向阳极和阴极补充相应电解液时，电解液的运送量为1～5ml/min；通直流电时直流电压为1～30V/cm；向阳极加入的电解液池为0.015~0.050mol/L的酸性溶液，如H₂SO4；向阴极和两层离子交换膜之间加入的电解液为0.015 ~0.050 mol/L中性溶液，如Na₂SO4。

本发明布置桩时阳极桩应呈环绕型包围在阴极桩周围，阴极桩四周阳极桩的数量、和环绕方式根据实际情况选取。

本发明基于电化学原理，综合采用离子交换和电动力技术实现了重金属污染土和地下水的原位修复。修复完毕后，将修复后的淤泥与阴极中的碱性溶液混合，倒回修复区域内，使修复区域的pH值大致恢复到原先状态，避免了二次污染。通过该方法可以实现原位去除被污染淤泥中的大部分重金属的目的。

本发明涉及的其它未说明部分与现有技术相同。