專(zhuān)利名稱(chēng)：預(yù)防土壤及地下水電動(dòng)修復(fù)聚焦現(xiàn)象的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如何在污染土壤和地下水電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中預(yù)防或減弱聚焦現(xiàn)象發(fā)生的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水和固體廢物進(jìn)入土壤時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤和地下水的污染，當(dāng)該場(chǎng)地改為居住、農(nóng)業(yè)等用地時(shí)，必須進(jìn)行土壤和地下水的修復(fù)，消除其中的污染物。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(dòng)修復(fù)等；( 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)、氧化還原修復(fù)等；C3)生物修復(fù)預(yù)備床法、土壤堆腐法、泥漿生物反應(yīng)器法、土地耕作法等。按照土壤是否要挖掘，這些技術(shù)可分為原位(in situ)修復(fù)技術(shù)和異位(ex situ) 修復(fù)技術(shù)。原位修復(fù)技術(shù)又可分為原位處理技術(shù)和原位控制技術(shù)。原位處理技術(shù)是指通過(guò)物理、化學(xué)、生物等方法在原位將污染物從土壤和地下水中去除；而原位控制技術(shù)是指通過(guò)各種方法將污染物限制在原位的一定區(qū)域內(nèi)阻止其向外擴(kuò)散。異位修復(fù)技術(shù)是指將污染土壤從原來(lái)的位置挖出來(lái)在場(chǎng)地內(nèi)的某個(gè)地方或場(chǎng)地外某個(gè)地方進(jìn)行修復(fù)或控制填埋。電動(dòng)修復(fù)技術(shù)是利用電化學(xué)原理(圖1)，在污染土壤1、2、3的兩端插入正電極4 和負(fù)電極5，形成直流電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，土壤和地下水中的污染物(主要是以離子態(tài)存在的重金屬污染物)根據(jù)各自所帶電荷的不同而向兩電極遷移(即電遷移)，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。電動(dòng)修復(fù)技術(shù)通常作為原位修復(fù)技術(shù)進(jìn)行使用。當(dāng)采用電動(dòng)修復(fù)技術(shù)對(duì)污染土壤和地下水進(jìn)行原位修復(fù)時(shí)，通常會(huì)發(fā)生聚焦現(xiàn)象 2(圖1和圖幻，S卩目標(biāo)污染物在修復(fù)場(chǎng)地內(nèi)的某些區(qū)域2積聚，導(dǎo)致這些區(qū)域污染物濃度異常增高，可高達(dá)電動(dòng)修復(fù)前濃度的數(shù)倍。聚焦帶出現(xiàn)的位置與污染物濃度的初始分布情況并無(wú)直接關(guān)系，即重金屬初始濃度高的區(qū)域并不一定是聚焦帶出現(xiàn)的位置。聚焦位置出現(xiàn)的不確定性和超高濃度為場(chǎng)地修復(fù)后的驗(yàn)收采樣和評(píng)估工作帶來(lái)了巨大的困難。此外，聚焦帶的移動(dòng)速度非常緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于重金屬在非聚焦帶的移動(dòng)速度，導(dǎo)致整個(gè)場(chǎng)地電動(dòng)修復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)數(shù)倍、電耗也相應(yīng)增加數(shù)倍。電動(dòng)修復(fù)的研究至今已有近三十多年的歷史， 實(shí)驗(yàn)室研究有大量成功案例，但極少見(jiàn)到工程實(shí)際應(yīng)用，聚焦現(xiàn)象導(dǎo)致的實(shí)地修復(fù)效果、費(fèi)用及時(shí)間的不穩(wěn)定性是其主要原因之一。對(duì)于聚焦現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理鮮見(jiàn)專(zhuān)門(mén)的研究，一般認(rèn)為是由于重金屬離子在遷移過(guò)程中與Off離子或其他陰離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀的結(jié)果， 但這無(wú)法解釋只要施加足夠高的電壓、通電時(shí)間足夠長(zhǎng)，聚焦帶依然可以緩慢定向移動(dòng)的現(xiàn)象(沉淀物是電中性，是不會(huì)在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)的)。本專(zhuān)利申請(qǐng)人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究證明，電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中聚焦帶2的形成并不是一種化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，而是一種物理現(xiàn)象，只有在重金屬離子由低電導(dǎo)區(qū)域1電遷移進(jìn)入高電導(dǎo)區(qū)域3的情況下才會(huì)發(fā)生，位置在兩個(gè)區(qū)域的交界處3。這是由于陽(yáng)極4和陰極5之間的低電導(dǎo)區(qū)域1和高電導(dǎo)區(qū)域3為串聯(lián)關(guān)系， 導(dǎo)致低電導(dǎo)區(qū)域1上的電壓梯度高于高電導(dǎo)區(qū)域3，而重金屬離子在土壤中電遷移速率與施加在土壤上的電壓梯度(電場(chǎng)強(qiáng)度)成正比，因此，當(dāng)重金屬離子從高電壓梯度區(qū)域(即低電導(dǎo)區(qū)域1)電遷移進(jìn)入低電壓梯度區(qū)域(即高電導(dǎo)區(qū)域3)時(shí)，遷移速度陡降，在兩個(gè)區(qū)域的交界處2聚集形成聚焦帶(就像汽車(chē)從快車(chē)道突然進(jìn)入慢車(chē)道形成的塞車(chē)現(xiàn)象一樣)。 高電導(dǎo)區(qū)與低電導(dǎo)區(qū)的電導(dǎo)差異越大，聚焦現(xiàn)象越嚴(yán)重，而且高電導(dǎo)區(qū)的電導(dǎo)越大，聚焦帶的移動(dòng)越慢。但如果重金屬離子從低電壓梯度區(qū)域(即高電導(dǎo)區(qū)域幻電遷移進(jìn)入高電壓梯度區(qū)域(即低電導(dǎo)區(qū)域1)時(shí)，就不會(huì)發(fā)生聚焦現(xiàn)象(就像汽車(chē)從慢車(chē)道突然進(jìn)入快車(chē)道不會(huì)形成塞車(chē)現(xiàn)象一樣)。這種由于土壤水中離子濃度的不同引起的土壤電導(dǎo)不同，進(jìn)而導(dǎo)致電動(dòng)修復(fù)中電壓梯度不同的情況稱(chēng)之為離子誘導(dǎo)電壓阱捕集效應(yīng)(ion-induced potential well trapping effect)。在含水率相同的情況下，土壤電導(dǎo)的高低主要由土壤水中離子的總濃度決定，這些離子包括K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Cl_、S042_、N03_等以及作為修復(fù)目標(biāo)污染物的重金屬離子。通常，重金屬離子在其中所占的比例非常低(百分之幾到萬(wàn)分之幾)，因此，僅依靠目標(biāo)重金屬離子的濃度一般不能判定土壤電導(dǎo)的高低，需要實(shí)際測(cè)量。天然場(chǎng)地由于土壤理化性質(zhì)的不均性導(dǎo)致其土壤電導(dǎo)分布也不均勻，在場(chǎng)地上建設(shè)了工廠之后，由于建設(shè)和排污的影響，整個(gè)場(chǎng)地電導(dǎo)分布的不均勻性進(jìn)一步加大，因此， 在污染土壤和地下水的電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中，聚焦現(xiàn)象或輕或重地普遍存在。此外，在電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中如果電極工作液控制不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致在電極附近土壤中發(fā)生聚焦現(xiàn)象(圖2)。電極工作液6中加入電解質(zhì)的主要目的是為了導(dǎo)電或中和電解產(chǎn)物(如H+離子和0H—離子)。但如果電解質(zhì)濃度高了，會(huì)導(dǎo)致由電極工作液6擴(kuò)散進(jìn)入電極區(qū)土壤的電解質(zhì)量大于由電極區(qū)土壤擴(kuò)散進(jìn)入電極工作液6的量，使得電極附近土壤電導(dǎo)升高，形成高電導(dǎo)區(qū)3。當(dāng)這種電導(dǎo)升高幅度較大時(shí)，就會(huì)在電極附近土壤中發(fā)生明顯聚焦現(xiàn)象2。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述聚焦現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理，本發(fā)明提出了一套共5個(gè)預(yù)防或減弱聚焦現(xiàn)象發(fā)生的方法方法一使電場(chǎng)方向與土壤電導(dǎo)梯度方向垂直(圖3)。首先利用電壓梯度預(yù)測(cè)法測(cè)量繪制場(chǎng)地內(nèi)電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中潛在的聚焦帶的位置，然后按照?qǐng)D3所示重新安排電極的位置，使電場(chǎng)方向(箭頭方向)與電極之間土壤的電導(dǎo)梯度(3至1方向)垂直。此種電極排布方式使得低電導(dǎo)區(qū)1中的離子在電遷移過(guò)程中不經(jīng)過(guò)高電導(dǎo)區(qū)3，預(yù)防了聚焦現(xiàn)象的發(fā)生。方法二采用高電導(dǎo)區(qū)在上游方向的電極布置方式。對(duì)于帶正電的重金屬離子 (要去除的目標(biāo)污染物)使高電導(dǎo)區(qū)位于陽(yáng)極端，低電導(dǎo)區(qū)位于陰極端(圖4)；如果目標(biāo)離子帶負(fù)電(如Cr042—)則使高電導(dǎo)區(qū)位于陰極端，低電導(dǎo)區(qū)位于陽(yáng)極端。方法三按電導(dǎo)的不同對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行分區(qū)修復(fù)(圖5)。當(dāng)兩個(gè)相鄰區(qū)域的電導(dǎo)差異較大、面積也較大時(shí)，可采用圖5所示分區(qū)電動(dòng)修復(fù)，使兩個(gè)區(qū)的離子不跨區(qū)遷移，預(yù)防或減弱聚焦現(xiàn)象的發(fā)生。方法四采用低濃度電極工作液預(yù)防電極附近發(fā)生聚焦現(xiàn)象2(圖。采用電解質(zhì)濃度較低的電極工作液6 (如0. 05M的醋酸/醋酸鈉緩沖液)，以防電極附近土壤的電導(dǎo)受工作液影響而升高，導(dǎo)致聚焦現(xiàn)象發(fā)生。方法五用清潔水做電極工作液預(yù)防電極附近發(fā)生聚焦現(xiàn)象2(圖2、。當(dāng)土壤中水溶性電解質(zhì)濃度較高時(shí)，可用清潔的地表水或飲用水做電極工作液6加入電極池中，浸泡一段時(shí)間，使電極附近土壤中的電解質(zhì)溶解進(jìn)入電極工作液6中，使原先電導(dǎo)率非常低的地表水或飲用水導(dǎo)電，然后再通電進(jìn)行電動(dòng)修復(fù)。


圖1 土壤及地下水電動(dòng)修復(fù)聚焦帶形成原理示意圖。圖2電極附近土壤聚焦帶形成原理圖。圖3電場(chǎng)方向與土壤電導(dǎo)梯度方向垂直的電極排布示意圖(頂視)。圖4高電導(dǎo)區(qū)在上游方向的電極布置方式圖5按電導(dǎo)不同分區(qū)修復(fù)示意圖(頂視)。
具體實(shí)施例方式(1)首先，利用“土壤及地下水電動(dòng)修復(fù)聚焦現(xiàn)象預(yù)測(cè)方法及裝置”(見(jiàn)同時(shí)提交的另一發(fā)明專(zhuān)利)測(cè)量整個(gè)修復(fù)場(chǎng)地內(nèi)的土壤電導(dǎo)分布的情況并預(yù)測(cè)可能發(fā)生聚焦現(xiàn)象的位置。(2)根據(jù)第一步的測(cè)量結(jié)果，結(jié)合場(chǎng)地的地形地貌等條件，分別或聯(lián)合采用上文所述的5個(gè)方法預(yù)防或減弱聚焦現(xiàn)象的發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一套通過(guò)對(duì)電極的合理布局預(yù)防或減弱污染土壤及地下水電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中發(fā)生聚焦現(xiàn)象的方法；其特征在于通過(guò)三種電極的合理布局來(lái)預(yù)防或減弱污染土壤及地下水電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中可能發(fā)生的聚焦現(xiàn)象；第1種電極排布方式是讓電場(chǎng)方向與陽(yáng)極和陰極之間土壤的電導(dǎo)梯度方向垂直，此種電極排布方式使得低電導(dǎo)區(qū)中的離子在電遷移過(guò)程中不經(jīng)過(guò)高電導(dǎo)區(qū)，預(yù)防了聚焦現(xiàn)象的發(fā)生；第2種電極排布方式是讓高電導(dǎo)區(qū)位于目標(biāo)離子遷移方向的上游，對(duì)于帶正電的重金屬離子(要去除的目標(biāo)污染物)使高電導(dǎo)區(qū)位于陽(yáng)極端，低電導(dǎo)區(qū)位于陰極端，如果目標(biāo)離子帶負(fù)電(如Cr042_)則使高電導(dǎo)區(qū)位于陰極端，低電導(dǎo)區(qū)位于陽(yáng)極端；第3種電極排布方式是按電導(dǎo)的不同對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行分區(qū)修復(fù)，當(dāng)兩個(gè)相鄰的電導(dǎo)差異較大的區(qū)域面積都較大時(shí)，采用分區(qū)電動(dòng)修復(fù)，使兩個(gè)區(qū)的離子不跨區(qū)遷移，避免聚焦現(xiàn)象的發(fā)生。
2.一種通過(guò)對(duì)電極工作液濃度的合理控制預(yù)防或減弱污染土壤及地下水電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中在電極附近土壤內(nèi)發(fā)生聚焦現(xiàn)象的方法；其特征在于通過(guò)兩種對(duì)工作液濃度的合理控制預(yù)防或減弱由于電極工作液濃度控制不當(dāng)導(dǎo)致的在電極附近土壤內(nèi)發(fā)生聚焦現(xiàn)象；第1種方法是采用低濃度電極工作液(如 濃度不高于0. 05M的醋酸/醋酸鈉緩沖液)，預(yù)防電極附近土壤的電導(dǎo)因工作液中電解質(zhì)濃度高而升高，導(dǎo)致聚焦現(xiàn)象發(fā)生；第2種方法是將清潔的地表水、飲用水或當(dāng)?shù)氐叵滤⑷腚姌O池中，浸泡一段時(shí)間后，電極池壁四周土壤中的電解質(zhì)逐漸溶解進(jìn)入池中，使電極池中的水電導(dǎo)升高，形成電極工作液，這時(shí)再通電進(jìn)行電動(dòng)修復(fù)，可預(yù)防電極附近土壤中發(fā)生聚焦現(xiàn)象。
全文摘要
本發(fā)明基于污染土壤及地下水電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中導(dǎo)致聚焦現(xiàn)象發(fā)生的離子誘導(dǎo)電壓阱捕集效應(yīng)提出了一套預(yù)防聚焦現(xiàn)象發(fā)生的方法，分2個(gè)類(lèi)型共5種方法。第一類(lèi)方法是通過(guò)對(duì)電極的合理布局來(lái)預(yù)防電動(dòng)修復(fù)過(guò)程中聚焦現(xiàn)象的發(fā)生，共有3種方法，即(1)使電場(chǎng)方向與土壤電導(dǎo)梯度方向垂直；(2)將高電導(dǎo)區(qū)置于目標(biāo)離子遷移方向的上游；(3)按土壤電導(dǎo)的不同對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行分區(qū)修復(fù)。第二類(lèi)方法是通過(guò)對(duì)電極工作液濃度的合理控制預(yù)防在電極附近土壤內(nèi)聚焦現(xiàn)象的發(fā)生，共有2種方法，即(1)采用低濃度電極工作液；(2)用清潔的地表水、飲用水或當(dāng)?shù)氐牡叵滤芙怆姌O池周?chē)寥乐械碾娊赓|(zhì)制成電極工作液。上述方法根據(jù)場(chǎng)地情況可組合使用。
文檔編號(hào)B09C1/08GK102259111SQ20111008251
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者李 東 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)