一种用于污染土壤的电修复柱、电修复系统及电修复方法与流程

本发明涉及土壤重金属修复技术领域，尤其涉及一种用于污染土壤的电修复柱、电修复系统及电修复方法。

背景技术：

2014年全国土壤污染状况调查公报的数据显示，全国土壤总的超标率为16.1％，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2％、2.3％、1.5％和1.1％。无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8％。其中，影响农用地土壤环境质量的主要污染物是重金属，土壤污染状况总体不容乐观。

目前，土壤重金属修复方法主要有物理法、化学法和生物修复法。其中，电修复和生物修复法相对较为绿色环保，对土壤的不良副作用也较少，修复较为彻底；但两种方法都存在着一定的局限性。

一般电修复方法需要异位修复，使用edta等溶剂，不仅修复成本较高且会将土壤中营养元素一同去除，影响土壤肥力。若使用直流电场修复还会造成土壤ph的变化，改变土壤的理化性质。对于植物修复而言，电修复方法虽然是一种绿色环保的修复方式，但因存在植物生理活动速率等因素的限制，所以修复效率较为缓慢。

因此，在目前技术和方法都存在一定不足和缺点的情况下，亟需一种高效且绿色环保的土壤重金属修复方法及配套设备。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于污染土壤的电修复柱、电修复系统及电修复方法，该电修复柱通电后能够形成若干垂直电场和若干水平电场，活化土壤中重金属使之向有效态转变的同时，还能促进重金属离子在土壤中的转运，从而提高土壤修复效果。

具体技术方案如下：

本发明一种用于污染土壤的电修复柱，包括柱本体；

所述柱本体的外周壁上固定有至少一对上、下对应设置的板框，板框所在平面与水平面呈0°～70°或110°～180°，上、下板框的框架内部放置有通电后能够形成垂直电场的电极片；

所述柱本体的外周壁上还套设且固定有环形套框，环形套框所在平面与柱本体外周面平行，环形套框与柱本体之间所形成的空隙内放置有通电后能够形成水平电场的电极片。

本发明的创新之处在于：将能够形成垂直电场的电极片和形成水平电场的电极片集成在一个柱体上，同时利用垂直电场和水平电场的作用，提高土壤修复效果；此外，本发明还可根据需求改变电极的极性、大小、变换频率等参数，形成特定方向、频率、强度的电场以此适应不同修复环境。

进一步地，所述柱本体的内部开有供电线通过的通道，与所述板框和环形套框位置相对应的通道壁上开有通孔；所述通道的一端与外界连通，另一端通过通孔与电极片相连通。将过线的通道设置于柱本体内部可避免电线过多裸露在泥土中，防止长时间使用后造成电线过快损坏；通孔的设置可以避免电线与电极片连接处暴露在泥土中或者外界，延长电线的使用寿命。

进一步地，所述柱本体的顶部开口，所述通道与顶部连通；所述柱本体的底部封闭，且底部呈锥形。底部呈锥形有利于促使电修复柱顺利插入土壤中。

为了便于电极片的安装和拆卸以及固定，进一步地，所述板框的一侧壁上开有供电极片插入的插口，其他侧壁内侧设有插槽；在所述板框的一侧面设置支撑板，另一侧面为使电极片裸露在外与污染土壤相接触的窗口，上板框与下板框上设置的窗口位置相对；所述环形套框的框面内设有若干垂直设置的限位杆。

进一步地，所述柱本体上固定有三对上、下对应设置的板框，每对板框的上板框均设于柱本体的上部，下板框均设于柱本体的下部，板框所在平面与水平面均呈45°～60°或120°～135°；所述柱本体上套设有两个环形套框，均设于柱本体的中部。

为方便使用，装置的集成式结构设计利于实际运用中的安装和回收；进一步地，所述柱本体由上、中、下三个可拆卸的分件构成；上分件的上部固定有上板框，下部固定有第一环形套框；下分件的上部固定有第二环形套框，下部固定有下板框；上分件和下分件通过中分件进行连接。

进一步地，所述中分件的顶部和底部分别向外延伸出一段与上分件和下分件连接的连接段；所述第一环形套框远离中分件的一端密封固定于上分件外周壁上，另一端与上分件外周壁之间形成第一插入口；所述第二形套框远离中分件的一端密封固定于下分件外周壁上，另一端与下分件外周壁之间形成第二插入口；上分件和下分件与中分件连接时，上分件和下分件的端面正好与第一插入口和第二插入口相对。

本发明还提供了一种污染土壤用电修复系统，该方法包括：如上所述的电修复柱、电场源、检测探头和操作平台；所述电修复柱与电场源电连接；探头与操作平台电连接或信号连接；电场源也与操作平台电连接或信号连接；操作平台包括现场手动操作平台和云端操作平台。

本发明还提供了一种利用如上所述的污染土壤用电修复系统进行重金属污染土壤电修复的方法，包括：将若干根污染土壤用电修复柱插入至待修复的重金属污染土壤中，开启电场电源，使污染土壤用电修复柱上同时产生垂直电场和水平电场进行电修复，直至电修复结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将能够形成垂直电场的电极片和形成水平电场的电极片集成在一个柱体上，同时利用垂直电场和水平电场的作用，活化土壤中重金属使之向有效态转变的同时，还能促进重金属离子在土壤中的转运，从而提高土壤修复效果。

(2)本发明还可根据需求改变电极的极性、大小、变换频率等参数，形成特定方向、频率、强度的电场以此适应不同修复环境。

(3)通过多组特殊排列的电极形成有效的混合作用电场，增强了修复效果。

(4)本发明将电极集成化成为单一修复柱，便于使用和维护；本发明可以改变自身参数，适应多种使用环境和修复需求；本发明可以通过不同组合排列方式适应不同地形上的修复需求。

附图说明

图1为实施例1中用于污染土壤的电修复柱的结构示意图。

图2为实施例1中分体形式的电修复柱的结构示意图。

图3为实施例1中上分件横向放置的结构示意图。

图4为图3所示上分件的a-a处的剖视图。

图5为实施例1的中分件的结构示意图。

图6为图5所示中分件的b-b处的剖视图。

图7为实施例1中下分件的结构示意图。

图8为图7所示下分件的c-c处的剖视图。

图9为实施例1中用于污染土壤的电修复系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，以下列举的仅是本发明的具体实施例，但本发明的保护范围不仅限于此。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种用于污染土壤的电修复柱，主要包括柱本体100、板框200、电极片300和环形套框400。

其中，柱本体100的柱身呈内部中空的圆柱状，柱本体100的顶部101开口，底部102封闭且呈圆锥形。柱本体100的内部中空结构形成供电线通过的通道104，并且与板框200和环形套框400位置相对应的通道壁上均开有通孔103(见图2)，通道104的一端通过柱本体的顶部开口与外界连通，另一端通过通孔103与电极片300相连通。电线从柱本体100的顶部101开口处伸入，再穿过通孔103与电极片300连接，使用时通电即可使电极片产生电场。

柱本体100的外周壁上固定有三对上、下对应设置的板框，分别是上板框201和下板框202；板框所在平面均与水平面呈60°。板框的结构可以设计成环绕并固定于柱本体100外周壁上的一圈环形板框，也可以如本实施例图1所示，由若干个板框构成，板框数量视情况而定；但需要注意的是板框所在平面不可垂直于水平面，或者与垂直平面所成角度过小，否者无法形成有效的垂直电场，可行的范围是板框所在平面与水平面呈0°～70°或110°～180°，优选45°～60°或120°～135°。板框所在平面若平行于水平面虽然形成的垂直电场面积最大，但是不利于电修复柱向土壤中插入以及从土壤中拔出，容易破坏插入点的土壤整体性。所以，本发明优选采用三对上、下对应设置的板框，且使板框所在平面均与水平面呈60°，在电修复柱使用时可以旋转着插入土壤中，取出时旋转着取出，对插入点的土壤整体性破坏较小。此外，为了使电修复柱顺利插入土壤，柱本体100的底部102不仅封闭而且呈圆锥形。

上、下板框的框架内部放置有电极片300，该电极片可以是任何非金属导电材料；其中，若采用石墨烯电极片可以通交流电，形成交变电场。电极片300可以直接固定于上、下板框的框架内，为了便于电极片300更换，板框200的一侧壁上开有供电极片300插入的插口203，电极片300通过插口203插入至板框200内；为了使电极片300插入后更加稳固，板框200除插口203所在侧壁以外，其他侧壁内侧均设有插槽。板框200可以是一个框型结构，也可以是一侧面设有支撑板的槽型结构；由于电极片较为柔软，即便可以通过插槽进行固定，但是仍然容易从板框中掉落或者变性，所以在板框200的一侧面设置支撑板204，可以进一步支撑电极片，避免电极片掉落或者变型。而板框200的另一侧面设为可使电极片裸露在外与污染土壤相接触的窗口205。为了保证上、下板框内的电极片通电后能够形成垂直电场，除了板框的角度外，还需要保证上板框与下板框上设置的窗口位置相对，也就是上板框的窗口应当朝下，下板框的窗口应当朝上。为了增大垂直电场的面积，可以将每对板框的上板框均设于柱本体的上部，下板框均设于柱本体的下部，以增大上、下电极片之间的距离。

柱本体100的外周壁上还套设且固定有环形套框400，环形套框400所在平面与柱本体外周面平行，环形套框400与柱本体100之间所形成的空隙401内放置有电极片，该电极片通电后能够形成水平电场。插入环形套框的电极片可以直接固定于环形套框400的框架内，或者直接固定于环形套框400与柱本体100之间所形成的空隙401内，也可以可拆卸的设置。为了确保电极片插入空隙401内更佳稳固，所述环形套框的框面内设有若干垂直设置的限位杆402，避免电极片从空隙401中掉落或变型。环形套框400设置在柱本体100的任意高度均可，为了配合板框的设置，本实施例将环形套框400设置于柱本体100的中部，而且为了加强水平电场的强度，采用两个环形套框。

柱本体100可以是一体的，也可以是分体的。为了便于电修复柱的拆装，以及板框内不同极的电极片的任意组合，本实施例提供了柱本体为分体结构的案例。如图2～8所示，柱本体100由上、中、下三个可拆卸的分件构成，分别为上分件105、中分件106和下分件107；上分件105位中空的筒状，上分件105的上部固定有上板框201，下部固定有第一环形套框403，第一环形套框403与上分件105的外周壁形成第一空隙405；下分件107的上部为内部中空的圆柱状，底部为密封的圆锥形，下分件107的上部固定有第二环形套框404，第二环形套框404与下分件107的外周壁形成第二空隙406，下部固定有下板框202；上分件105和下分件107通过中分件106进行连接。

中分件106呈内部中空的筒状，中分件106的顶部向上延伸出一段与上分件底部连接的上连接段1051，底部向下延伸出一段与下分件顶部连接的下连接段1052，连接段与上分件和下分件的连接方式可以通过螺纹连接等方式进行连接。第一环形套框403的顶部与上分件105的外周壁密封固定连接，底部与上分件105的外周壁形成供电极片插入的第一插入口407；而第二环形套框404的底部与下分件107的外周壁密封固定连接，顶部与下分件107的外周形成壁供电极片插入的第二插入口408。将电极片通过第一插入口407和第二插入口408插入至第一空隙405和第二空隙406后，上分件105和下分件107分别通过中分件106的上连接段1051和下连接段1052进行连接，与此同时，中分件106的上顶面和下顶面正好与第一插入口407和第二插入口408相对，盖住第一插入口407和第二插入口408，避免电极片的掉落。

如图9所述，在提供上述污染土壤用电修复柱的基础上，本实施例还提供了用于污染土壤的电修复系统，该污染土壤用电修复系统包括若干根电修复柱10、电场源20、操作平台30以及用于土壤指标检测的探头40；

其中，电修复柱10与电场源20电连接；探头40与操作平台30电连接或信号连接；电场源20也与操作平台30电连接或信号连接；操作平台30包括现场手动操作平台31和云端操作平台32；电场源20包括信号源21和放大电路22。

应用例1

采集浙江省杭州市富阳区某地的cd污染土壤(全镉含量为0.73ppm)进行试验，采用实施例1中提供的用于污染土壤的电修复系统处理上述污染土壤。

具体步骤为：

将7kg供试土壤置于长宽高分别为185mm、165mm、100mm的矩形盒中；将实施例1中提供的修复柱紧靠且垂直置于盒子四角；再向土壤加入一定量的蒸馏水，一组保持土壤含水量为田间持水量的80％，另一组加水至饱和。每种水分含量组再分为六组，分别接入50、100、200、300、400hz(80％田间持水量的分别记为hc05、hc10、hc20、hc30、hc40，饱和水量的分别记为sc05、sc10、sc20、sc30、sc40)，强度为15v的正弦波交变电场于实施例1中提供的修复柱(ck组不接电)，开始进行修复。每6小时检查土壤含水量，及时补充水分。处理六天后采样，用0.1m盐酸浸提后，使用石墨炉测定cd有效态含量。

结果如表所示，经过实施例1中提供的用于污染土壤的电修复系统处理6天的土壤，其有效态cd含量平均值较ck组均有较大提升。

表180％田间持水量土壤各处理后土壤有效态cd含量表

表2饱和水量土壤各处理后土壤有效态cd含量表