專利名稱：一種土壤和地下水電動修復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種污染土壤和地下水電動修復(fù)技術(shù)。
背景技術(shù)：
當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水和固體廢物進(jìn)入土壤時，會到導(dǎo)致土壤和地下水的 污染，當(dāng)該場地改變用途用于居住、農(nóng)業(yè)等土壤質(zhì)量要求嚴(yán)格的目的時，必須進(jìn)行土壤和地 下水的修復(fù)，消除土壤和地下水中的污染物。 土壤和地下水修復(fù)的主要方法有(1)物理修復(fù)物理分離修復(fù)、固化/穩(wěn)定化修 復(fù)、蒸汽浸提修復(fù)、電動(電化學(xué))修復(fù)；(2)化學(xué)修復(fù)化學(xué)淋洗修復(fù)、溶劑浸提修復(fù)、高溫 焚燒修復(fù)；(3)生物修復(fù)預(yù)備床法、土壤堆腐法、泥漿生物反應(yīng)器法、土地耕作法。
其中電動修復(fù)技術(shù)是利用電化學(xué)原理，在污染土壤的兩端加上直流電場，在電場 作用下，土壤和地下水中的污染物根據(jù)各自所帶電荷的不同而向兩電極遷移，最后進(jìn)入電 極工作液中，實(shí)現(xiàn)將污染物從土壤和地下水中去除的目的。而富集了污染物的電極工作液 則采用相應(yīng)的廢水處理技術(shù)進(jìn)行處理。目前電動修復(fù)技術(shù)采用的電極為耐腐蝕、抗氧化的 惰性電極，工作液主要是KC1等堿金屬鹽類，工作液在修復(fù)過程中水發(fā)生電解，產(chǎn)生氫離子 或氫氧根離子，釋放02、 H2或Cl2氣體，在去除土壤和地下水污染物的同時也導(dǎo)致了土壤和 地下水的酸化。修復(fù)過程中，由于H+離子和0H—離子的電遷移速度遠(yuǎn)大于其他離子，使得實(shí) 際用于污染物遷移的電流在總電流中占不到1%的比例，電流效率極低，同時還限制了修復(fù) 電壓的提高，使得修復(fù)時間長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，效果不穩(wěn)定。土壤和地下水酸化、極低的電 流效率和電極腐蝕問題嚴(yán)重制約了該技術(shù)的廣泛使用。本發(fā)明在陽極的選擇上反其道而行 之，通過犧牲陽極，以慢離子(金屬離子和酸根)替代快離子(H+離子和0H—離子)，很好地 解決了上述問題，同時還可以修復(fù)被酸或堿污染的土壤和地下水，不釋放02、H2或Cl2氣體， 消除了安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種電流效率高、不引起土壤酸化、不需要昂貴 的惰性電極、不產(chǎn)生02、 H2或Cl2氣體的土壤和地下水修復(fù)方法。 本發(fā)明提出的方法是利用電化學(xué)原理，以需要修復(fù)的土壤和地下水為導(dǎo)電介質(zhì)， 其中的陽離子(包括重金屬污染物陽離子)和陰離子(包括重金屬污染物)為載流子，在 兩端設(shè)有陰極和陽極反應(yīng)池。 所述陽極反應(yīng)池中的陽極采用金屬鐵，陽極工作液采用溶解性的鐵鹽溶液，在工 作中，陽極鐵失去電子被氧化成離子進(jìn)入陽極工作液，并做為帶正電的載流子在電場作用 下向陰極方向移動進(jìn)入土壤和地下水中； 所述陰極反應(yīng)池中的陰極使用銅、覆銅的鐵或鐵，陰極工作液采用溶解性的銅鹽 或鐵鹽溶液，工作時，銅離子或三價的鐵離子被還原為銅單質(zhì)或二價鐵離子，同時，少量的 由土壤中遷移到陰極工作液中的重金屬陽離子也被還原，銅鹽或鐵鹽的酸根則在電場作用下向陽極方向移動，進(jìn)入土壤和地下水；
電源采用直流電源或直流脈沖電源。 通過電源同時對陰極和陽極給電，在它們之間形成電場，土壤和地下水中的重金 屬污染物的重金屬陽離子(如銅、鉛、鎘、鎳、鎘等通常以陽離子形式存在)做為帶正電的 載流子在電場作用下從土壤中遷移出來向陰極方向移動；而重金屬污染物的重金屬陰離子 (如鉻(VI)以陰離子酸根的形式存在)做為帶負(fù)電的載流子在電場作用下從土壤中遷移出 來向陽極方向移動，二者共同構(gòu)成電動修復(fù)過程中流經(jīng)土壤和地下水中的電流，使土壤和 地下水中的重金屬污染物的陰、陽離子最終分別遷移進(jìn)入陽極和陰極工作液，實(shí)現(xiàn)將重金 屬污染物從土壤和地下水中清除的目的。最后，含有重金屬陽離子的陰極工作液和含有重 金屬陰離子的陽極工作液還可被抽取出來采用化學(xué)、電化學(xué)、離子交換、膜過濾等水處理技 術(shù)進(jìn)行后續(xù)處理，回收再利用。 本發(fā)明中，陽極材料的選用與傳統(tǒng)電動修復(fù)技術(shù)中相反，沒有采用耐腐蝕、耐氧化 的惰性電極，而是正相反，采用電極電位低、易被氧化的鐵做為陽極，這樣做雖然在工作過 程中陽極會被消耗掉，但卻抑制水的電解，通過犧牲陽極材料抑制電遷移速度最快的陽離 子——?dú)潆x子的產(chǎn)生，代之以移動緩慢的鐵離子，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)(l)由于鐵離子在電場作 用下的遷移速度遠(yuǎn)低于氫離子，提高電動修復(fù)的電流效率；(2)避免了氫離子做為載流子 進(jìn)入土壤導(dǎo)致在修復(fù)過程中土壤和地下水酸化；(3)對已被酸污染的土壤和地下水進(jìn)行修 復(fù)，使其pH值恢復(fù)正常；(4)不產(chǎn)生02或(]12氣體，消除安全隱患；(5)降低對電極材料的防 腐蝕要求。陽極材料可采用機(jī)加工等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢舊鐵屑、鐵片、鐵條等廢舊鋼鐵， 從而大幅度降低電極材料的費(fèi)用，增大電極面積。 本發(fā)明中，陰極工作液采用溶解性銅鹽或鐵鹽，使銅離子或三價鐵離子在陰極上 替代氫離子被還原，抑制了氫氣和電遷移速度最快的陰離子——?dú)溲醺x子的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn) 以下目標(biāo)(l)由于銅鹽和鐵鹽的酸根在電場作用下的遷移速度低于氫氧根離子，使得電 動修復(fù)的電流效率得以提高；(2)避免了氫氧根離子做為載流子進(jìn)入土壤導(dǎo)致在修復(fù)過程 中土壤和地下水的堿化；(3)對已被堿污染的土壤和地下水進(jìn)行修復(fù)，使其pH值恢復(fù)正常； (4)不產(chǎn)生氫氣，消除安全隱患。在陰極析出的金屬銅可用酸溶解后再循環(huán)使用。
使用本發(fā)明方法在對鉻(VI)污染土壤(1100 1500mg/kg)的電動修復(fù)中，與傳 統(tǒng)電動修復(fù)技術(shù)相比，本方法的電流效率提高了約50% 150%。


圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1和圖2，該消毒裝置由3大部分組成 (l)電源l。電源可采用直流電源或直流脈沖電源，為電極供電。 (2)陽極電極2 、陰極電極4及陽極反應(yīng)池3和陰極反應(yīng)池5 。陽極反應(yīng)池3和陰
極反應(yīng)池5分設(shè)于修復(fù)的土壤和地下水6的兩端，陽極電極2和陰極電極4插于陽極反應(yīng)
池3和陰極反應(yīng)池5中；
(3)需要修復(fù)的土壤和地下水6。 以上兩圖僅為工作原理示意圖，具體的電極及電極反應(yīng)池布置方式不局限于這兩 種方式。 陽極工作液采用濃度為0. 05M的三氯化鐵溶液，陰極工作液采用濃度為0. 1M的硫 酸銅溶液，粘土層厚度20cm，最低電壓25V，最高電壓220V，電流強(qiáng)度最高170mA，最低50mA。 經(jīng)過198h的電動修復(fù)，土壤中總鉻含量由1280mg/kg降低至426mg/kg，去除率67%，總耗 電量57363. 51庫侖，兩個電極反應(yīng)池工作液的pH值在通電過程中始終維持在6左右。陽 極和陰極反應(yīng)池之間的距離(即土壤的寬度)沒有特別要求，距離越遠(yuǎn)，需要的電壓應(yīng)越 高，控制指標(biāo)是電壓梯度，可從2V/cm升至11V/cm，甚至更高，最高值需要根據(jù)土壤的電阻、 地溫、土壤溫升、用電安全、電極電位等綜合要求權(quán)衡確定。當(dāng)電壓梯度超過11V/cm時，陽 極回有明顯的氣泡產(chǎn)生。 圖1 :在需要修復(fù)的土壤兩邊和中間交替設(shè)置陰極反應(yīng)池和陽極反應(yīng)池，土壤被 電極反應(yīng)池分割成條塊，土壤的間距根據(jù)現(xiàn)場和其他要求情況而定，電壓梯度在2 11V/ cm之間。該種布置效率較高，但電極反應(yīng)池較大，工作液消耗量液也較大、投資較高。
圖2 :與圖1相比，其區(qū)別是將陽極反應(yīng)池和陰極反應(yīng)池都分割成數(shù)個不連續(xù)的小 池，減少電極反應(yīng)池的總?cè)莘e，以減少投資，但修復(fù)效率和效果也低于圖1的布置。
權(quán)利要求
一種土壤和地下水電動修復(fù)方法，所述方法是采用電化學(xué)原理，以需要修復(fù)的土壤或地下水為導(dǎo)電介質(zhì)，兩端設(shè)有陰極和陽極反應(yīng)池；其特征在于所述陽極反應(yīng)池中的陽極采用金屬鐵，陽極工作液采用溶解性的鐵鹽溶液，在工作中，陽極鐵失去電子被氧化成離子進(jìn)入陽極工作液，并做為帶正電的載流子在電場作用下向陰極方向移動進(jìn)入土壤和地下水中；所述陰極反應(yīng)池中的陰極使用銅、覆銅的鐵或鐵，陰極工作液采用溶解性的銅鹽或鐵鹽溶液，工作時，銅離子或三價的鐵離子被還原為銅單質(zhì)或二價鐵離子，同時，少量的由土壤中遷移到陰極工作液中的重金屬陽離子也被還原，銅鹽或鐵鹽的酸根則在電場作用下向陽極方向移動，進(jìn)入土壤和地下水；電源采用直流電源或直流脈沖電源；通過電源同時對陰極和陽極給電，在它們之間形成電場，土壤和地下水中的重金屬污染物的重金屬陽離子做為帶正電的載流子在電場作用下從土壤中遷移出來向陰極方向移動；而重金屬污染物的重金屬陰離子做為帶負(fù)電的載流子在電場作用下從土壤中遷移出來向陽極方向移動，二者共同構(gòu)成電動修復(fù)過程中流經(jīng)土壤和地下水中的電流，使土壤和地下水中的重金屬污染物的陰、陽離子最終分別遷移進(jìn)入陽極和陰極工作液，實(shí)現(xiàn)將重金屬污染物從土壤和地下水中清除的目的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土壤和地下水電動修復(fù)方法，其特征在于進(jìn)一步將含有重金屬陽離子的陰極工作液和含有重金屬陰離子的陽極工作液抽取出來進(jìn)行后續(xù)處理，回收再利用。
全文摘要
本發(fā)明提出一種土壤和地下水修復(fù)方法，以需要修復(fù)的土壤或地下水為導(dǎo)電介質(zhì)，陽極采用金屬鐵，工作液用鐵鹽溶液，陽極鐵失去電子被氧化成離子進(jìn)入陽極工作液，并做為帶正電的載流子在電場作用下向陰極方向移動進(jìn)入土壤和地下水中；陰極使用銅、覆銅的鐵或鐵，工作液用銅鹽或鐵鹽溶液，銅離子或三價的鐵離子被還原為銅單質(zhì)或二價鐵離子，同時，少量的由土壤中遷移到陰極工作液中的重金屬陽離子也被還原，銅鹽或鐵鹽的酸根則在電場作用下向陽極方向移動，進(jìn)入土壤和地下水。本方法可修復(fù)被重金屬、酸或堿污染的土壤和地下水，電流效率高，不改變土壤和地下水的pH值，不產(chǎn)生有安全隱患的氫氣、氧氣和氯氣，陽極材料廉價易得。
文檔編號C02F1/461GK101698521SQ20091019149
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者李 東 申請人:重慶大學(xué)