一种去除土壤中污染物的电催化处理装置及方法与流程

1.本发明涉及电催化技术领域，具体地说是一种去除土壤中污染物的电催化处理装置及方法。


背景技术：

2.因工业生产，如矿产开采、冶金、电镀、化工、电路板加工等的排放，会造成水的污染，而水的污染又会造成土壤的污染。土壤污染后，特别是重金属离子、难降解有机物如苯、酚类物质污染后，很难被净化治理。常见的重金属离子如镍、铬、铜、锌、镉、汞、砷、铅等，毒性较大，若土壤被污染后又易造成水的污染。传统的治理方法主要是在被污染的土壤中种植易吸收重金属离子的植物，因植物对重金属离子的吸收有限，此方法治理效率较低、周期较长，一般需要5-10年才能将土壤中的重金属离子降低至安全范围。而含有重金属离子的植物处置又易造成二次污染。采用微生物如细菌法可对土壤中微量污染物进行治理，但对重金属离子浓度较高的土壤或污泥因毒性较大而去除效果不理想。
3.近年来发展的电化学法修复土壤的技术能较快地修复被污染的土壤。例如公开号为cn111822495a的发明专利申请，是采用微波加热脱附土壤中有机物和电化学催化氧化以及通过加营养液微生物处理的工艺对土壤进行修复；公开号为cn114769305a的发明专利申请，是通过加热水蒸汽和超声振荡的方式对土壤中的可挥发性有机污染物进行电化学催化氧化处理。公开号为cn 114769305a的发明专利采用了加热水为蒸汽后注入土壤加热使得土壤中的挥发性有机物（voc）进行脱附处理，真空泵将水汽（voc吸附处理）气体抽出后需要冷凝再循环利用，采用超声波探头对土壤进行震荡、空化和加热以避免土壤板结，采用电极极板进行电化学催化氧化反应以强化有机物的分解，这类技术均通过加热土壤进行有机物的脱附和电化学氧化去除土壤中的有机污染物，在土壤中插入的部件较多，处理工艺较复杂，处理过程中所需能耗较大、运行费用较高；同时均需要在土壤中加热营养液进行修复，进一步增加了处理的成本。公开号为cn 113843271 a的发明专利则通过改进的三维电极的电化学方法提高对土壤中铬离子的去除效率。公开号为cn 113083874 a的发明专利则采用一体化的电化学装置对土壤中重金属离子进行去除而修复，土壤需要经过装置内进行处理，只适合少量土壤的净化处理。公开号为cn 111744947 a的发明专利公开了一种富含重金属土壤修复设备，机械传动部件等较多，适合小面积的土壤修复，无法对大面积污染的土壤进行低成本的修复治理。
4.上述电化学修复技术或存在运行成本高，或适合土壤局部污染治理，或适合少量、小面积的土壤污染治理等问题。需要发明一种适合大面积或大量土壤污染治理以及低运行成本的净化修复技术才能解决实际工程化应用的问题。另外，在工业或市政污水处理中，经常因工业污水的混入而造成污泥的重金属离子和有机物的污染，污泥填埋后也会造成土壤的污染，也需要发展一种同时低成本适合污泥净化治理的技术。
5.为解决上述被污染土壤或污泥净化治理难及工程化应用需要的低成本治理问题，本发明利用电场作用下的电催化原理和抽真空的负压下的协同作用，将土壤或污泥中可溶
性的重金属离子或有机物溶于水中并分离，或在线去除重金属离子或有机物，使得土壤或污泥污染治理转化为水中离子和有机物的去除治理，无需加温和添加营养液。同时采用管式电极进行原位反应的同时可抽取土壤中的污染的水，对水中的污染物，例如有机物和重金属离子，进行深度处理后回注到土壤中循环利用。采用此技术对土壤或污泥中重金属离子或有机物分子的去除具有效率高、时间短、能耗低、整体运行处理费用低等特点，可实现低成本、规模化的实际工程应用，有效解决土壤污染的问题。


技术实现要素：

6.本发明为克服现有技术的不足，提供一种去除土壤中污染物的电催化处理装置及方法。
7.为实现上述目的，设计一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，包括管式电极，所述的管式电极上设有微孔滤膜，管式电极上端一侧通过电极引线连接电源，管式电极上端另一侧连接抽气管的一端，抽气管的另一端连接真空泵，位于管式电极一侧设有出水管，出水管一侧通过水处理模块连接清水管。
8.所述的管式电极包括阴极管、阳极管，阳极管表面设有电催化膜。
9.所述的电催化膜的厚度为100nm-300μm。
10.所述的阴极管、阳极管为平行设置。
11.所述的管式电极包括同心设置的阴极管、阳极管，阳极管套设在阴极管内部。
12.所述的阳极管外侧设有隔离件，隔离件外侧抵接阴极管内壁。
13.所述的隔离件的形状为螺旋形。
14.所述的管式电极下部为锥形结构。
15.所述的管式电极为直筒式结构，管式电极一侧设有进水管。
16.所述的阴极管、阳极管之间的间距为10-500mm，电源电压为0.1-48v，阴极管、阳极管之间的电流密度为0.01-500ma/cm2。
17.本发明同现有技术相比，去除具有效率高、时间短、能耗低、整体运行处理费用低，可实现低成本、规模化的实际工程应用，有效解决土壤污染的问题。
附图说明
18.图1为本发明实施例一的结构示意图。
19.图2为本发明实施例一种管式电极的结构示意图。
20.图3为本发明实施例二的结构示意图。
21.图4为本发明实施例二的剖面图。
22.图5为本发明实施例二的俯视图。
23.图6为本发明实施例三的结构示意图。
24.图7为本发明实施例二的剖面图。
25.图8为本发明实施例二的俯视图。
具体实施方式
26.下面根据附图对本发明做进一步的说明。
实施例一：
27.如图1至图2所示，管式电极1上设有微孔滤膜2，管式电极1上端一侧通过电极引线5连接电源，管式电极1上端另一侧连接抽气管4的一端，抽气管4的另一端连接真空泵6，位于管式电极1一侧设有出水管3，出水管3一侧通过水处理模块7连接清水管8。
28.管式电极1包括阴极管1-1、阳极管1-2，阳极管1-2选用导电衬底，并且在阳极管1-2表面设有电催化膜，具有催化氧化功能。导电衬底选用石墨或钛或玻璃纤维网。阴极管1-1选用导电的碳或金属，具有催化还原功能。
29.电催化膜的厚度为100nm-300μm。
30.阴极管1-1、阳极管1-2为平行设置。
31.具体使用时，管式电极1为直筒式结构，或管式电极1下部设置为锥形结构，便于将管式电极1插入被污染的湿土壤或污泥中。直筒式的管式电极1一侧设有进水管10。
32.本实施例使用时，阴极管1-1连接电源负极，阳极管1-2连接电源正极，在阴、阳极上施加直流或脉冲直流电场，土壤中可溶性的有机分子和离子包括重金属离子溶于水中，在电场作用下，阴、阳离子分别向阳极管1-2和阴极管1-1迁移，与水一起经电极的微孔滤膜2进入电极管道内。因管式电极1内在真空泵6的抽力作用下形成负压，土壤中的水会不断被抽出，经汇总后接入水处理模块7进行水中有机物和离子去除和净化。净化后的水通过清水管8可回流至浸泡被处理的土壤，进行循环处理，经过多次处理后就可将土壤中的污染物去除。
33.当在湿土壤或污泥中施加直流电场时，污染物包括重金属离子或有机分子在电场作用下发生运动，主要作用机理包括电迁移、电泳、电渗透和电解氧化，在电极表面则发生吸附、氧化（阳极）、还原（阴极）等反应。通常重金属离子若被氧化形成金属氧化物时，其性质比较稳定，不会产生毒性和危害。若是易离子形态存在，可溶于水中时，则易产生污染。当土壤中的离子或有机物溶于水中，并在在电场力的作用下，离子或分子会发生迁移，如阳离子向阴极迁移、阴离子向阳极迁移，同样带电荷的分子或胶体也会向阴阳电极迁移，即电泳。当阴阳电极的电压较低时（《1.23v），离子或分子（胶体）就会被电极表面所吸附；当电压较高时（》1.23v），离子或分子就会在电极表面发生氧化还原反应，包括金属阳离子在阴极表面被还原为单质金属，阴离子或有机分子被阳极表面氧化分解。若只有水分子时，则发生电解反应，即阴极表面产生氢气和氢氧根离子，阳极表面产生氧气和氢离子，这样可在阴阳极表面分别形成局部的弱碱性和酸性环境，有利于重金属离子的迁移、氧化、还原或固化等反应。因阳极表面有催化薄膜材料，在电场作用下，会在阳极表面附近产生电子空穴对及羟基自由基，具有强的氧化功能，对有机物或重金属离子具有氧化作用，可分解有机物为二氧化碳和水和使得金属离子氧化为金属氧化物而固化从而无毒无害化。通过电场和水在土壤、污泥中的相互作用，将土壤中的污染物以水为载体，当浓度较低时，可在阴阳电极表面进行原位处理；当浓度较高时，则通过管状电极将污染物富集在溶液中，并抽出通过水处理工艺而去除污染物，具有快速、高效的特点。
34.本实施例中，水处理模块7包括过滤装置、水泵，通过过滤装置将出水管3中的水进行过滤，再通过清水管8流出。
35.本实施例中，阴极管1-1、阳极管1-2之间的间距为10-500mm，电源电压为0.1-48v，阴极管1-1、阳极管1-2之间的电流密度为0.01-500ma/cm2。
36.具体使用是，对于大面积的土壤污染治理，可采用多组管式电极，进行高效率、低成本的净化治理和修复。
37.具体使用时，本实施例可对有机物包括苯、酚、氨等污染的土壤进行净化修复处理。可对重金属离子包括铬、镉、砷、汞、铅、镍、铜、锌、锰等污染的土壤进行净化修复处理。可对工业和市政污泥进行净化和干化的修复处理。可对河道、湖泊、海水等形成的污泥进行净化和干化的修复处理。
实施例二：
38.本实施例仅说明与实施例一的不同之处，相同之处不再重复说明。
39.本实施例与实施例一的不同之处在于，本实施例中，管式电极1包括同心设置的阴极管1-1、阳极管1-2，阳极管1-2套设在阴极管1-1内部。同心设置的阴极管1-1、阳极管1-2减少占地面积，便于设置多个管式电极1。
实施例三：
40.本实施例仅说明与实施例二的不同之处，相同之处不再重复说明。
41.本实施例与实施例二的不同之处在于，本实施例中，阳极管1-2外侧设有隔离件9，隔离件9外侧抵接阴极管1-1内壁，隔离件9用于固定阴极管1-1、阳极管1-2之间的间距。
42.本实施例中，隔离件9的形状为螺旋形，可传输污泥定向运动。
实施例四：
43.本实施例应用实施例一的结构对镉污染的土壤进行净化修复治理，对于镉离子浓度约6mg/kg的污染土壤，用河水将土壤润湿至含水率50%，将管式电极1插入被污染的土壤中，多个管式电极1阵列分布，阴极管1-1、阳极管1-2间距为40cm，电极间电压为48v，电流约20a。采用阴极电极抽水模式，将水中的镉离子分离并氧化，净化水循环浸润土壤，进行连续处理。经过12天的处理，土壤中的镉离子浓度降为0.1mg/kg以下，净化效果明显。
实施例五：
44.本实施例应用实施例一的结构对镍污染的土壤进行净化修复治理，对于土壤中镍离子的浓度约4mg/kg，用河水将土壤润湿至含水率45%，将管式电极1插入被污染的土壤中，多个管式电极1阵列分布，阴极管1-1、阳极管1-2间距为30cm，电极间电压为36v，电流约12a。采用阴极电极抽水模式，将水中的镍离子还原分离，水循环浸润土壤，进行连续处理。经过8天的处理，土壤中的镍离子浓度降为0.1mg/kg以下，效果明显。
实施例六：
45.本实施例应用实施例二的结构对铜污染的土壤进行净化修复治理，对于含铜离子污泥的浓度约360mg/kg，含水率约75%。采用直管式电极装置处理，阴极管1-1、阳极管1-2间距为30cm，电压为36v，电流为15a。开始时，阴极内管抽出的水中的铜离子浓度约270mg/l，采用电催化氧化还原工艺将水中铜离子还原，去除离子的水循环处理污泥，经过6h，污泥中的铜离子浓度下降至约6mg/kg，12h处理下降至1mg/kg，24h处理后下降至0.1mg/kg以下。去
除铜离子的污泥则无毒性，进一步可干化至含水率在35%以下，大幅减少污泥的体积后再生利用。
实施例七：
46.本实施例应用实施例一的结构对有机污染的土壤进行净化修复治理，对于某化工园区的污染土壤，主要含有机物包括苯类（苯、甲苯、二甲苯）、酚类、胺类等化合物，浓度按溶于水中的有机物化学需氧量cod计，约在30-120mg/l范围。用河水将土壤润湿至含水率~60%，将阴阳极管状电极插入被污染的土壤中，阴极管1-1、阳极管1-2为40cm，电极间电压为24v，电流约10a。采用阳极电极抽水模式，将水中的有机物催化氧化分解，水循环浸润土壤，进行连续处理。经过6天的处理，土壤中的有机物cod浓度降为3mg/l以下，使得土壤得以净化修复。
实施例八：
47.本实施例应用实施例三的结构对市政污泥进行净化修复治理，对于某一类工业市政有机质污泥中含有铜、镍、锌、铬离子分别为2.3、1.6、1.3、0.7mg/kg，含水率约83%。阴极管1-1、阳极管1-2间距为50cm，电压为48v，电流约200a，经过5h处理后，污泥中含有铜、镍、铬、锌离子分别下降为0.08、0.03、0.05、0.01mg/kg以下。在污泥处理至无害化的同时，污泥的含水率下降至37%以下，直接可用于电厂发电的燃料。

技术特征：
1.一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，包括管式电极，其特征在于：所述的管式电极（1）上设有微孔滤膜（2），管式电极（1）上端一侧通过电极引线（5）连接电源，管式电极（1）上端另一侧连接抽气管（4）的一端，抽气管（4）的另一端连接真空泵（6），位于管式电极（1）一侧设有出水管（3），出水管（3）一侧通过水处理模块（7）连接清水管（8）。2.根据权利要求1所述的一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，其特征在于：所述的管式电极（1）包括阴极管（1-1）、阳极管（1-2），阳极管（1-2）表面设有电催化膜，阳极管（1-2）的材料选用石墨或钛或玻璃纤维网，阴极管（1-1）选用不锈钢、碳钢、钛、铝、石墨中的一种。3.根据权利要求1所述的一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，其特征在于：所述的电催化膜包括碳材料和金属氧化物催化材料中的至少一种，碳材料选用石墨、碳纤维、纳米管、石墨烯、金刚石中的一种或多种，金属氧化物催化材料选用掺杂的氧化锌、氧化锡、氧化钛、氧化铁、氧化锰、氧化钒、氧化铋、氧化钼、氧化钨中的一种或多种，碳材料和金属氧化物催化材料的颗粒尺寸为10-100nm，电催化膜的厚度为100nm-300μm。4.根据权利要求2所述的一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，其特征在于：所述的阴极管（1-1）、阳极管（1-2）为平行设置。5.根据权利要求2所述的一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，其特征在于：所述的阴极管（1-1）、阳极管（1-2）为同心设置，阳极管（1-2）套设在阴极管（1-1）内部。6.根据权利要求5所述的一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，其特征在于：所述的阳极管（1-2）外侧设有隔离件（9），隔离件（9）外侧抵接阴极管（1-1）内壁。7.根据权利要求1或2所述的一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，其特征在于：所述的管式电极（1）下部为锥形结构。8.根据权利要求1或2所述的一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，其特征在于：所述的管式电极（1）为直筒式结构，管式电极（1）一侧设有进水管（10）。9.根据权利要求4或5所述的一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，其特征在于：所述的阴极管（1-1）、阳极管（1-2）之间的间距为10-500mm，电源电压为0.1-48v，阴极管（1-1）、阳极管（1-2）之间的电流密度为0.01-500ma/cm2。10.一种根据权利要求1-9任一项所述的去除土壤中污染物的电催化处理装置的方法，其特征在于：阴极管（1-1）连接电源负极，阳极管（1-2）连接电源正极，在阴、阳极上施加直流或脉冲直流电场，土壤中可溶性的有机分子和离子包括重金属离子溶于水中，在电场作用下，阴、阳离子分别向阳极管（1-2）和阴极管（1-1）迁移，与水一起经电极的微孔滤膜（2）进入电极管道内；管式电极（1）内在真空泵（6）的抽力作用下形成负压，土壤中的水会不断被抽出，经汇总后接入水处理模块（7）进行水中有机物和离子去除和净化；净化后的水通过清水管（8）可回流至浸泡被处理的土壤，进行循环处理，经过多次处理后就可将土壤中的污染物去除。

技术总结
本发明涉及电催化技术领域，具体地说是一种去除土壤中污染物的电催化处理装置及方法。一种去除土壤中污染物的电催化处理装置，包括管式电极，所述的管式电极上设有微孔滤膜，管式电极上端一侧通过电极引线连接电源，管式电极上端另一侧连接抽气管的一端，抽气管的另一端连接真空泵，位于管式电极一侧设有出水管，出水管一侧通过水处理模块连接清水管。同现有技术相比，去除具有效率高、时间短、能耗低、整体运行处理费用低，可实现低成本、规模化的实际工程应用，有效解决土壤污染的问题。有效解决土壤污染的问题。有效解决土壤污染的问题。


技术研发人员：孙新昊 刘素霞 孙卓 张哲娟
受保护的技术使用者：上海纳晶科技有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/13