CN102070288B - 一种用于修复重金属污染淤泥的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于修复重金属污染淤泥的装置及其使用方法。该装置为一电解槽(11)，在该电解槽(11)内依次设置3个挡板(5)，所述的挡板(5)将电解槽按顺序依次分隔成：阳极电解液池(3)、污泥处理室(9)、重金属沉淀池(4)、阴极电解液池(10)，两个与电源(1)相连的石墨电极(2)分别插入阳极电解液池(3)和阴极电解液池(10)中，所述的重金属沉淀池(4)其与污泥处理室(9)相邻的一边的内侧设有阳离子选择透过性膜(6)，重金属沉淀池(4)内与所述的阳离子选择透过性膜(6)相对的另一侧设有阴离子选择通过性膜(7)。该装置及方法修复污泥效率高，操作简单，成本低，可去除淤泥中的大部分重金属。

Description

一种用于修复重金属污染淤泥的装置及方法

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种用于修复重金属污染淤泥的装置及其使用方法。

背景技术

近年来，随着社会和城市建设的发展，重金属污染问题日益突出。大量的工业排放毫无疑问地给我们原本清洁的土地产生巨大的污染；另外，大量未经处理的人类生活垃圾也不断对周边环境产生污染。

土壤重金属污染对环境产生危害主要有下列途径：①受污染的土壤直接暴露在环境中，通过土壤颗粒物等形式能直接或间接地为动物或人所吸收，②通过雨水淋溶作用，土壤中的重金属向下缓慢渗透，可能导致地下水的污染，③外界环境条件的变化，例如酸雨、施加土壤添加剂等因素提高了土坡中重金属的活性和生物可利用性，使得重金属较容易为植物吸收利用而进人食物链，对动物和人体产生毒害作用。随着社会经济的飞跃和人们对人类社会与自然的和谐、生态平衡与可持续发展的认识的不断深化，越来越多的政府和国家逐渐加强对环境污染的治理。对污染后的土进行修复，实现污染土的资源化一种是一个迫切的需要。

重金属在环境中可分为五种状态：可交换的离子态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态。在现行的污染土的修复中，主要可归类分为3种方法：物理修复方法如客土法、淋洗法、玻璃化技术法；化学修复方法如pH控制法、氧化还原法、螯合法；生物修复方法如微生物法、植物修复法。但上述方法均存在一系列缺点，如工程量大，费用较高，处理率低，会造成二次污染。

本发明正是针对如何实现对重金属污染淤泥的高效修复而提出的一种基于电动力的修复污染淤泥方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于修复重金属污染淤泥的装置。

本发明的另一目的在于提供一种修复重金属污染淤泥的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种用于修复重金属污染淤泥的装置，该装置为一电解槽，在该电解槽内依次设置3个挡板，所述的挡板将电解槽按顺序依次分隔成：阳极电解液池、污泥处理室、重金属沉淀池、阴极电解液池，两个与电源相连的石墨电极分别插入阳极电解液池(3)和阴极电解液池中，所述的重金属沉淀池其与污泥处理室相邻的一边的内侧设有阳离子选择透过性膜，重金属沉淀池内与所述的阳离子选择透过性膜相对的另一侧设有阴离子选择通过性膜。

上述的用于修复重金属污染淤泥的装置，其在于所述的两个石墨电极表面涂有电极保护漆，可防止石墨电极的淤堵与破坏以保护电极。

上述的用于修复重金属污染淤泥的装置，其在于所述的挡板既可以将淤泥限制在污泥处理室中又可以使水分子自由通过，重金属沉淀池两边的的挡板还起到支撑离子选择通过性膜，提高离子选择通过性膜强度的作用，可采用多孔塑料板或者土工布。

一种利用上述的装置修复重金属污染淤泥的方法，该方法包括以下步骤：

a、将被重金属污染的淤泥，通过直径为1～3mm的筛子进行筛分，除去杂质及残渣；

b、向筛分后的淤泥中加入适量的水，调节水土质量比为2～4∶1，使淤泥处于过饱和状态，将调制好的淤泥放入污泥处理室，向阳极电解液池、重金属沉淀池和阴极电解液池中分别加入电解液，阳极电解液池采用0.025mol/L的H₂SO₄溶液作为电解液，阴极电解液池和重金属沉淀池采用0.025mol/LNa₂SO₄溶液作为电解液；然后分别在阳极电解液池和阴极电解液池中各插入一个与电源相连的石墨电极，接通直流电源通电，可取恒定直流电压为15～30V。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，电解液的运送量为1～5ml/min，以补充由于电解反应而导致的电解液损失。

在修复过程中，阴阳两极发生如下电解反应：

阳极：H₂O-2e^-→2H⁺+1/2O₂↑

阴极：2H₂O+2e^-→2OH^-+H₂↑

这样会在阳极产生H⁺，阴极产生OH^-，在电场作用下，重金属离子(如Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺等)、H⁺等阳离子向阴极移动，OH^-1等阴离子向阳极移动。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强酸性条件下。

在重金属沉淀池两侧，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⁺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在沉淀区发生化学反应。

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Zn²⁺为例)：

Cu²⁺+OH^-1→Cu(OH)₂↓+H₂O

Zn²⁺+OH^-1→ZnO₂ ^2-+H₂O

对于第一类离子，在沉淀区形成沉淀；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沉淀区中。

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。

c、当电流稳定在一个比初始时小的值时，将重金属沉淀池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。

将修复后的淤泥与阴极中的碱性溶液混合，这样阴极较高浓度的OH^-1，便会中和淤泥中H⁺，静置一段时间后，使酸化淤泥的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)。

上述的修复重金属污染淤泥的方法，所述的两个石墨电极表面涂有电极保护漆，可防止石墨电极的淤堵与破坏以保护电极。

本发明采用离子选择透过性膜，先将淤泥土体进行调制，使结合态中的重金属分离出来，然后重金属离子和OH^-1在由离子选择透过性膜形成的沉淀区中沉淀固定。修复完毕后，将修复后的淤泥与阴极中的碱性溶液混合，使酸化淤泥的pH值得到恢复到原先状态，避免了二次污染。通过该方法可以去除被污染淤泥中的大部分重金属。

本发明的有益效果：

本发明用于修复重金属污染淤泥的装置及利用该装置修复重金属污染淤泥的方法，引入了阴离子选择透过性膜和阳离子选择透过性膜，克服了传统电动力修复技术中的不足，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，成本低，通过该方法处理重金属污染的淤泥可以有效的降低重金属污染对环境的危害。

附图说明

图1为用于修复重金属污染淤泥的装置的结构剖面图。

其中：1-直流电源，2-石墨电极，3-阳极电解液池、4-重金属沉淀池，5-挡板，6-阳离子选择透过性膜，7-阴离子选择通过性膜，8-电极保护漆，9-污泥处理室，10-阴离子选择透过性膜，11-电解槽。

图2为用于修复重金属污染淤泥的装置的立体图。

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：

实施例1：用于修复重金属污染淤泥的装置

用于修复重金属污染淤泥的装置，如图1和2所示，该装置为一电解槽11，在该电解槽11内依次设置3个挡板5，挡板5将电解槽按顺序依次分隔成：阳极电解液池3、污泥处理室9、重金属沉淀池4、阴极电解液池10，两个与电源1相连的石墨电极2分别插入阳极电解液池3和阴极电解液池10中，所述的重金属沉淀池4其与污泥处理室9相邻的一边的内侧设有阳离子选择透过性膜6，重金属沉淀池4内与所述的阳离子选择透过性膜6相对的另一侧设有阴离子选择通过性膜7。两个石墨电极2表面涂有电极保护漆8可防止石墨电极的淤堵与破坏以保护电极。

挡板5的材料要既可以将淤泥限制在污泥处理室9中又可以使水分子自由通过，可采用多孔塑料板或者土工布。重金属沉淀池4两边的挡板5还起到支撑阳离子选择通过性膜6和阴离子选择通过性膜7，提高阳离子选择通过性膜6和阴离子选择通过性膜7强度的作用。

实施例2采用实施例1中的装置修复重金属污染的淤泥的过程

将受重金属污染的淤泥采集，通过直径为2mm的筛子进行筛分，去除杂质及残渣。

向筛分后的淤泥中加入水，按水土比例3∶1，使淤泥处于过饱和状态，这样可以增大淤泥的导电性。

将调制好的淤泥放入污泥处理室9中，向阳极电解液池3加入0.025mol/L的H₂SO₄溶液作为电解液、向重金属沉淀池4和阴极电解液池10中分别加入0.025mol/LNa₂SO₄溶液作为电解液，然后分别在阳极电解液池3和阴极电解液池10中各插入一个与电源1相连的石墨电极2，接通直流电源通电，可取恒定直流电压为25V。通电过程中适时利用电解液补充装置12向阳极电解液池3和阴极电解液池10补充相应的电解液，电解液的运送量为3ml/min，以补充由于电解反应而导致的电解液损失。随着实验的进行，电流会随着时间发生变化，经过3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完成。

将重金属沉淀池4内液体和沉淀物移除，收集起来统一处理，停止通电。然后将修复后的淤泥与阴极中的碱性溶液混合，由于阴极具有较高浓度的OH^-，便会中和淤泥中H⁺，静置一段时间后，使酸化淤泥的pH值恢复到原先状态，避免二次污染。将处理后的淤泥采样，采用硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)、氢氟酸(HF)对淤泥进行消解，将消解后的淤泥液体采用原子吸收(火焰\石墨炉)光谱仪测量重金属含量，与未修复淤泥重金属含量相比。整个淤泥土体中重金属元素去除率达到80％以上(不同金属元素的去除率略有差异，测得Cu为89％，Pb为83％，Cr为85％)。

Claims (7)

1.一种用于修复重金属污染淤泥的装置，该装置为一电解槽(11)，在该电解槽(11)内依次设置3个挡板(5)，所述的挡板(5)将电解槽按顺序依次分隔成：阳极电解液池(3)、污泥处理室(9)、重金属沉淀池(4)、阴极电解液池(10)，两个与电源(1)相连的石墨电极(2)分别插入阳极电解液池(3)和阴极电解液池(10)中，其特征在于所述的重金属沉淀池(4)其与污泥处理室(9)相邻的一边的内侧设有阳离子选择透过性膜(6)，重金属沉淀池(4)内与所述的阳离子选择透过性膜(6)相对的另一侧设有阴离子选择通过性膜(7)。

2.根据权利要求1所述的用于修复重金属污染淤泥的装置，其特征在于所述的两个石墨电极(2)表面涂有电极保护漆(8)。

3.根据权利要求1所述的用于修复重金属污染淤泥的装置，其特征在于所述挡板(5)的材料为能阻止淤泥通过，但不妨碍水分子通过的材料。

4.根据权利要求3所述的用于修复重金属污染淤泥的装置，其特征在于所述挡板(5)采用多孔塑料板或者土工布。

5.一种利用权利要求1至4中任意一项所述的装置修复重金属污染淤泥的方法，其特征在于具体实施步骤为：

a、将被重金属污染的淤泥，通过直径为1～3mm的筛子进行筛分，除去杂质及残渣；

b、向筛分后的淤泥中加入适量的水，调节水土质量比为2～4∶1，将调制好的淤泥放入污泥处理室(9)，向阳极电解液池(3)、重金属沉淀池(4)和阴极电解液池(10)中分别加入电解液，然后分别在阳极电解液池(3)和阴极电解液池(10)中各插入一个与电源(1)相连的石墨电极(2)，接通直流电源(1)通电，通电过程中适时向阳极电解液池(3)和阴极电解液池(10)补充相应的电解液；

c、当电流稳定在一个比初始时小的值时，将重金属沉淀池(4)内沉淀物及溶液取出后，停止通电，然后将修复后的淤泥与阴极的碱性溶液混合，静置。

6.根据权利要求5所述的修复重金属污染淤泥的方法，其特征在于阳极电解液池加入0.025mol/L的H₂SO₄溶液，阴极电解液池和重金属沉淀池加入0.025mol/LNa₂SO₄溶液。

7.根据权利要求5所述的修复重金属污染淤泥的方法，其特征在于步骤b中向阳极电解液池(3)和阴极电解液池(10)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15～30V。

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