复合污染土壤的绿色低碳修复装置及方法

1.本技术涉及土壤修复技术领域，尤其涉及一种复合污染土壤的绿色低碳修复装置及方法。


背景技术：

2.目前，土壤中的污染物已不再单一，而是由多种污染物形成复合污染。当生态系统中存在两种及两种以上污染物时，被称为复合污染。土壤复合污染分为三类，即铜、铅、铬、锌等重金属复合所致、六六六、苯并芘、多环芳烃等有机物复合所致以及重金属和有机物复合所致的污染。复合污染土壤的危害性要大于单一污染土壤，污染物在土壤中具有累积性，不同污染物之间的会通过毒性叠加效应，形成大于单独污染物毒性总和的混合毒物，进而影响土壤中微生物正常的生理生化现象。
3.根据修复机理的不同，现有的复合污染土壤的修复方法分为物理修复、化学修复和生物修复三大类，但是单一的修复技术方法很难达到理想的修复效果。
4.电动修复技术(ek)是在电场力的作用下，通过电迁移、电泳、电渗析等作用把污染物离子向阴极或阳极附近迁移并富集，从而降低受污染区域的浓度，达到改善环境的目的。电动修复的缺点是：耗电量较大、成本较高和容易对水质产生不良影响。渗透性反应墙(prb)是通过建立一个具有渗透性的反应区，利用填充材料通过吸附、氧化还原等作用，降低污染物浓度，从而达到环境治理的目的。渗透性反应墙的缺点是：1、不能保证污染斑块中扩散出来的污染物完全被拦截2、随着污染物不断沉积，被动系统有可能失去其活性；3、当环境条件改变时，被固定的污染物有可能重新活化。电动力学-渗透反应格栅(ek-prb)联合修复技术是在污染土壤的两侧施加直流电压，通过电迁移、电渗析、电泳等作用将污染物迁移至prb放置的区域，污染物转移到填充的prb材料中从而被去除。电动力学-渗透反应格栅(ek-prb)联合修复技术兼具了电动修复和渗透性反应墙的缺点。


技术实现要素：

5.本技术的实施例提供一种复合污染土壤的绿色低碳修复装置及方法，通过太阳能和风能为装置提供修复动力，在修复复合污染土壤的的同时实现节能减碳、绿色发展。
6.为达到上述目的，一方面，本技术的实施例提供了一种复合污染土壤的绿色低碳修复装置，包括太阳能风能发电系统、修复筒、阳极、阴极、电解液储备桶和清洗液储备桶；所述修复筒内限定出土壤室、电解室和阴极室；所述土壤室、所述电解室和所述阴极室由外至内依次设置，且所述电解室与所述土壤室和所述阴极室均连通；所述土壤室用于容置待修复土壤；所述阳极插入所述土壤室内；所述电解室用于容置电解碳；所述阴极插入所述阴极室内；所述太阳能风能发电系统为所述阳极和阴极供电；所述电解液储备桶为所述土壤室提供电解液；所述清洗液储备桶为所述阴极室提供清洗液。
7.进一步地，所述修复筒为圆筒；所述土壤室、电解室和阴极室均为开口朝上的腔体，且所述土壤室的口部设有顶盖；所述顶盖上沿周向均布多个第一通孔；所述阳极经所述
第一通孔插入所述土壤室内；所述电解室和阴极室的侧壁上均设有第二通孔。
8.进一步地，所述阴极室的底部设有液体排放口。
9.进一步地，所述太阳能风能发电系统包括支架和设置在所述支架上的风力发电装置、光伏发电装置和变压箱；所述变压箱内设有控制器、逆变器和蓄电池；所述风力发电装置和光伏发电装置均与所述控制器、所述逆变器和所述蓄电池电连接；所述蓄电池的正极连接所述阳极，负极连接所述阴极。
10.进一步地，所述电解液储备桶与所述土壤室通过第一管道连通；所述第一管道上设有第一蠕动泵；所述清洗液储备桶与所述阴极室通过第二管道连通；所述第二管道上设有第二蠕动泵。
11.进一步地，所述蓄电池能够为所述第一蠕动泵和所述第二蠕动泵供电。
12.进一步地，所述电解液储备桶内的电解液为电解质与解析质的混合溶液；所述电解质为氯化钾溶液、磷酸二氢铵溶液或纯净水中的一种；所述解析质为吐温-80溶液或皂角苷溶液中的一种。
13.进一步地，所述清洗液储备桶内的清洗液为柠檬酸溶液、乙二胺四乙酸二钠溶液或乙酸溶液。
14.进一步地，所述电解碳的制备方法包括以下步骤：s1、按1:0.5～4的质量比称取铁粉和碳粉混合，再掺入铁粉和碳粉混合物总质量的10％～50％的膨润土，混合均匀后，加水制成球状材料；s2、将球状材料用锡纸包裹后放入烘箱中，先加热至50～60℃烘30～60min，再加热至105～120℃烘干30～60min；s3、将烘干的材料放入管式炉中，以氮气为保护气体，5℃
·
min-1升温到600～1200℃，烧结20～60min成型，制得电解碳。
15.另一方面，本技术的实施例还提供了一种基于上述复合污染土壤的绿色低碳修复装置的修复方法，包括以下步骤：步骤一、将太阳能风能发电系统与阳极和阴极连接；将待修复土壤装入土壤室内，将阳极插入土壤室内，阴极插入阴极室内；将电解碳装入电解室内；步骤二、通电并使电解液储备桶中的电解液进入土壤室内，清洗液储备桶中的清洗液进入阴极室内；在水流和电场力的作用下，土壤中的带正电荷的重金属离子和其它污染物往阴极移动进入电解室，并在电解室内发生电化学反应，通过氧化还原、吸附、絮凝过程降解污染物；步骤三、进行间歇通电操作：待通电修复12～24小时后断电，断电时间为4～8小时；然后重复通电和断电操作持续96～180小时，直至土壤中的重金属离子和其它污染物被去除；步骤四、将修复筒内的土壤取出、回填，再开始下一轮修复。
16.本技术具有以下有益效果：
17.1、本技术实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置利用太阳能和风能修复土壤，节能减碳，绿色环保。
18.2、本技术实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置通过在阳极添加电解液，在阴极添加清洗液与现有技术中的阴极、阳极均使用电解液相比可减少电解液对土壤的二次污染。
19.3、本技术实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置同时利用电解碳的吸附、氧化还原作用去除土壤中的重金属和其它污染物。
20.4、本技术实施例复合污染土壤的绿色低碳修复方法采用间歇通电法可以缩短通电时间，减少作业时间，同时降低能耗和成本。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本技术一个实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置的结构示意图；
23.图2为本技术一个实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置中修复筒的主视剖视图；
24.图3为本技术一个实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置中修复筒的俯视示意图(阳极数量为六个)；
25.图4为本技术一个实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置中电解碳放大500倍的sem图；
26.图5为本技术一个实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置中电解碳放大50000倍的sem图；
27.图6为本技术一个实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置的去除率和能耗图；
28.图7为本技术另一个实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置中修复筒的俯视示意图(阳极数量为三个)；
29.图8为本技术另一个实施例复合污染土壤的绿色低碳修复装置中修复筒的俯视示意图(阳极数量为四个)；
具体实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
32.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
33.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
34.参照图1，本技术的实施例提供了一种复合污染土壤的绿色低碳修复装置，包括太阳能风能发电系统(图中未示)、修复筒1、阳极2、阴极3、电解液储备桶4、清洗液储备桶5、第一蠕动泵6和第二蠕动泵7。太阳能风能发电系统与阳极2、阴极3、第一蠕动泵6和第二蠕动
泵7均电连接。
35.太阳能风能发电系统包括支架和设置在支架上的风力发电装置、光伏发电装置和变压箱10。变压箱10内设有控制器、逆变器和蓄电池。风力发电装置和光伏发电装置均与控制器、逆变器和蓄电池电连接。由此，风力发电装置和光伏发电装置的电线并联到变压箱10，风力发电装置和光伏发电装置均能够为蓄电池充电。蓄电池的正极连接阳极2，负极连接阴极3。
36.参照图2和图3，修复筒1的外形为圆柱形，其深度为10cm，直径为20cm。修复筒1由外至内依次限定出土壤室11、电解室12和阴极室13。其中，土壤室11和电解室12均为开口朝上的环腔，阴极室13为位于修复筒1中心且开口朝上的圆形腔。土壤室11内充填待修复土壤，口部设有顶盖14，顶盖14上靠近侧壁的位置沿周向均布六个第一通孔15。需要说明的是，参照图7和图8，第一通孔15的数量还可以是三个、四个、五个或七个，此处不做限定。阳极2经第一通孔15插入土壤室11内。电解室12和阴极室13的侧壁上均设有多个第二通孔16，由此，电解室12与土壤室11和阴极室13均连通。
37.继续参照图1至图3，阳极2的数量也为六个。阳极2为直径为1cm，长度7cm的圆柱体结构。阳极2采用不锈钢材料制成。阳极2连接蓄电池的正极。安装时，阳极2从顶盖14的第一通孔15处垂直插入土壤室11内。
38.阴极3的数量也为一个。阴极3也为直径为1cm，长度7cm的圆柱体结构。阴极3采用石墨材料制成。阴极3连接蓄电池的负极。安装时，阴极3从上部垂直插入阴极室13内。
39.电解室12内充填电解碳。本实施例中电解碳的制备方法包括以下步骤：
40.s1、按1:3的质量比称取铁粉和碳粉混合，再掺入铁粉和碳粉混合物总质量的20％的膨润土，混合均匀后，加水制成球状材料。
41.s2、将球状材料用锡纸包裹后放入烘箱中，为避免升温过快引起材料破裂，先加热至℃烘30min，再加热至120℃烘干30min。
42.s3、将烘干的材料放入管式炉中，以氮气为保护气体，5℃
·
min-1升温到800℃，烧结30min成型，制得电解碳。
43.图4为本技术实施例中的电解碳放大500倍的sem图，图5为本技术实施例中的电解碳放大50000倍的sem图。
44.电解液储备桶4内的电解液为0.1m的氯化钾溶液和2g
·
l-1
的皂角苷溶液的混合溶液。电解液储备桶4与土壤室11通过第一管道8连通，第一管道8上设有第一蠕动泵6。电解液通过第一管道8和第一蠕动泵6从顶盖14的第一通孔15处加入土壤室11内。由此，电解液储备桶4能够为土壤室11提供电解液。需要说明的是，电解液储备桶4和第一蠕动泵6均可以为多个。
45.清洗液储备桶5内的清洗液为0.05m的柠檬酸溶液。清洗液储备桶5与阴极室13通过第二管道9连通，第二管道9上设有第二蠕动泵7。清洗液通过第二管道9和第二蠕动泵7从阴极室13的上部流入。由此，清洗液储备桶5能够为阴极室13提供清洗液。阴极室13的底部还设有液体排放口(图中未示)，液体排放口设有液体排放管(图中未示)，液体排放管能够把汇集到阴极室13的电解液和清洗液排出修复筒1。
46.蓄电池与第一蠕动泵6和第二蠕动泵7均电连接，蓄电池能够为第一蠕动泵6和第二蠕动泵7供电。
47.另一方面，本技术的实施例还提供了一种基于上述复合污染土壤的绿色低碳修复装置的修复方法，包括以下步骤：
48.步骤1、将蓄电池与阳极2、阴极3、第一蠕动泵6和第二蠕动泵7分别连接。由此，在阳光充足时光伏发电装置为蓄电池充电，有风时风力发电装置为蓄电池充电。
49.步骤2、直接获取或模拟制备cu—2，4-dcp复合污染土壤，其中：模拟制备cu—2，4-dcp复合污染土壤包括以下步骤：
50.步骤2.1、将阴干备用的土壤按照1比1(w
·
v-1)的比例加入硫酸铜溶液，反复搅拌，形成均匀泥浆，使土壤中铜的浓度达到1000mg
·
kg-1，每天搅拌，自然风干；风干的重金属污染土壤过筛后，称取2.0kg；
51.步骤2.2、称取0.4g的2，4-dcp溶于200ml甲醇中，向土壤中均匀添加含2，4-dcp的甲醇溶液，使土壤中2，4-dcp的浓度达到200mg
·
kg-1
，放入通风橱内进行24h的风干并过筛后得到待修复土壤；
52.步骤3、用无纺布裹在阴极室13周围，称取待修复土壤装入土壤室11内，将阳极2插入土壤室11内，组成一个正六边形。阴极3插入阴极室13内，确保阴极3位于正六边形的中心处；将电解碳装入电解室12内。
53.步骤4、接通电源，将电压梯度设为2.5v
·
cm-1
，电解液储备桶4中的电解液进入土壤室11内，清洗液储备桶5中的清洗液进入阴极室13内。液体排放管把汇集到阴极室13的电解液和清洗液排出修复筒1。在水流和电场力的作用下，土壤中的带正电荷的重金属离子和其它污染物往阴极3移动进入电解室12，并在电解室12内发生电化学反应，通过氧化还原、吸附、絮凝等过程降解污染物。
54.步骤5、进行间歇通电操作：
55.待通电修复12小时后断电，断电，进行间歇通电操作，每次间断通电时间据上一次通电时间间隔4h。参照图6，经过120小时的修复，土壤中cu的去除率达86.4％，2，4-dcp的去除率达到81.4％，电动强化修复总能耗为22.8kw
·
h。
56.步骤6、将土壤室11内的土壤取出、回填，再开始下一轮修复。需要说明的是，电解碳需要定期更换。
57.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何在本技术揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种复合污染土壤的绿色低碳修复装置，其特征在于，包括太阳能风能发电系统、修复筒、阳极、阴极、电解液储备桶和清洗液储备桶；所述修复筒内限定出土壤室、电解室和阴极室；所述土壤室、所述电解室和所述阴极室由外至内依次设置，且所述电解室与所述土壤室和所述阴极室均连通；所述土壤室用于容置待修复土壤；所述阳极插入所述土壤室内；所述电解室用于容置电解碳；所述阴极插入所述阴极室内；所述太阳能风能发电系统为所述阳极和阴极供电；所述电解液储备桶为所述土壤室提供电解液；所述清洗液储备桶为所述阴极室提供清洗液。2.根据权利要求1所述的复合污染土壤的绿色低碳修复装置，其特征在于，所述修复筒为圆筒；所述土壤室、电解室和阴极室均为开口朝上的腔体，且所述土壤室的口部设有顶盖；所述顶盖上沿周向均布多个第一通孔；所述阳极经所述第一通孔插入所述土壤室内；所述电解室和阴极室的侧壁上均设有第二通孔。3.根据权利要求2所述的复合污染土壤的绿色低碳修复装置，其特征在于，所述阴极室的底部设有液体排放口。4.根据权利要求1所述的复合污染土壤的绿色低碳修复装置，其特征在于，所述太阳能风能发电系统包括支架和设置在所述支架上的风力发电装置、光伏发电装置和变压箱；所述变压箱内设有控制器、逆变器和蓄电池；所述风力发电装置和光伏发电装置均与所述控制器、所述逆变器和所述蓄电池电连接；所述蓄电池的正极连接所述阳极，负极连接所述阴极。5.根据权利要求4所述的复合污染土壤的绿色低碳修复装置，其特征在于，所述电解液储备桶与所述土壤室通过第一管道连通；所述第一管道上设有第一蠕动泵；所述清洗液储备桶与所述阴极室通过第二管道连通；所述第二管道上设有第二蠕动泵。6.根据权利要求5所述的复合污染土壤的绿色低碳修复装置，其特征在于，所述蓄电池能够为所述第一蠕动泵和所述第二蠕动泵供电。7.根据权利要求5所述的复合污染土壤的绿色低碳修复装置，其特征在于，所述电解液储备桶内的电解液为电解质与解析质的混合溶液；所述电解质为氯化钾溶液、磷酸二氢铵溶液或纯净水中的一种；所述解析质为吐温-80溶液或皂角苷溶液中的一种。8.根据权利要求5所述的复合污染土壤的绿色低碳修复装置，其特征在于，所述清洗液储备桶内的清洗液为柠檬酸溶液、乙二胺四乙酸二钠溶液或乙酸溶液。9.根据权利要求1所述的复合污染土壤的绿色低碳修复装置，其特征在于，所述电解碳的制备方法包括以下步骤：s1、按1:0.5～4的质量比称取铁粉和碳粉混合，再掺入铁粉和碳粉混合物总质量的10％～50％的膨润土，混合均匀后，加水制成球状材料；s2、将球状材料用锡纸包裹后放入烘箱中，先加热至50～60℃烘30～60min，再加热至105～120℃烘干30～60min；s3、将烘干的材料放入管式炉中，以氮气为保护气体，5℃
·
min-1
升温到600～1200℃，烧结20～60min成型，制得电解碳。10.一种基于权利要求1～9任一所述的复合污染土壤的绿色低碳修复装置的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将太阳能风能发电系统与阳极和阴极连接；将待修复土壤装入土壤室内，将阳
极插入土壤室内，阴极插入阴极室内；将电解碳装入电解室内；步骤二、通电并使电解液储备桶中的电解液进入土壤室内，清洗液储备桶中的清洗液进入阴极室内；在水流和电场力的作用下，土壤中的带正电荷的重金属离子和其它污染物往阴极移动进入电解室，并在电解室内发生电化学反应，通过氧化还原、吸附、絮凝过程降解污染物；步骤三、进行间歇通电操作：待通电修复12～24小时后断电，断电时间为4～8小时；然后重复通电和断电操作持续96～180小时，直至土壤中的重金属离子和其它污染物被去除；步骤四、将修复筒内的土壤取出、回填，再开始下一轮修复。

技术总结
本申请公开了一种复合污染土壤的绿色低碳修复装置及方法，涉及土壤修复技术领域。通过太阳能和风能为装置提供修复动力，在修复复合污染土壤的的同时实现节能减碳、绿色发展。该装置包括太阳能风能发电系统、修复筒、阳极、阴极、电解液储备桶和清洗液储备桶；修复筒内限定出土壤室、电解室和阴极室；土壤室、电解室和阴极室由外至内依次设置，且电解室与土壤室和阴极室均连通；土壤室用于容置待修复土壤；阳极插入土壤室内；电解室用于容置电解碳；阴极插入阴极室内；太阳能风能发电系统为阳极和阴极供电；电解液储备桶为土壤室提供电解液；清洗液储备桶为阴极室提供清洗液。本申请同时公开了一种复合污染土壤的绿色低碳修复方法。公开了一种复合污染土壤的绿色低碳修复方法。公开了一种复合污染土壤的绿色低碳修复方法。


技术研发人员：董凡 万玉山 张志鹏
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/13