一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法

2023-07-25 20:11:31

專利名稱：一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法
技術領域：
本發明涉及一種從土壤中或者從泥狀粉狀堆積物中原位脫除可溶性重金屬離子 的方法。
背景技術：
當今，環境汙染問題日益嚴重，被重金屬汙染的耕地越來越多，從土壤中有效清除 汙染重金屬離子就成為土壤生態修復的關鍵問題。對被重金屬汙染的土壤進行電動力學原 位修復，是國內外近十多年才發展起來的一種成本較低、對環境二次損害最小的土壤原位 修複方法。目前人類工業及生活活動以及環境修復活動中所排出的大量泥狀及粉狀物料堆 積如山，佔用了不少耕地。而且，這些廢料大都含有大量可溶性重金屬離子，因此在露天堆 放過程中，大量重金屬離子被溶出而汙染土壤和地下水乃至地面水，造成嚴重的生態汙染； 而欲對這些泥狀或粉狀物料進行大規模減量化式的資源化利用時，也因為重金屬含量超標 而限制了其利用範圍。因此，為保護環境和對這些廢棄物進行資源化利用，從其中脫除重金 屬離子成為首當其衝的重要技術措施。這類泥狀及粉狀廢棄物包括各種工業泥質或粉質廢 料，汙水處理廠剩餘活性汙泥，以及水體修復過程中大規模清理而出的底泥等等。然而，迄 今為止，從如上物料中脫除重金屬離子，總是將該物料部分挖出並運輸至專門的設備中進 行脫除處理(可稱為異位處理)；而直接在物料堆上進行原地脫除處理(可稱原位處理)的 方法未見公開報導。目前，從大規模堆積的泥質或粉狀物料中脫除可溶性重金屬離子的方法主要是異位脫除處理方法，而且大都效果不佳或對環境造成二次汙染，屬淘汰之列。重金屬離子汙染 土壤的原位修復，目前對環境二次汙染最小且具有真正實用價值的方法有兩類，即生物修 複方法和電動力學修複方法。1生物原位修複方法該法的原理是或者在土壤上種植特殊植物，利用植物吸收可溶性重金屬離子，或 者用特殊微生物製劑液體浸汲物料，讓可溶性重金屬離子被細菌吸收或吸附，最後又對植 物或者細菌浸出液進行焚燒或化學處理，從中回收重金屬。這種方法雖很有應用前景，但是 其處理進程緩慢，難以在短時間達到清除重金屬離子的目的。2直流電動力學原位修複方法汙染土壤的電動力學原位修複方法，是國內外近十多年才出現的一種新方法。該 法的一般原理是在土壤被液體介質浸汲，重金屬離子已經溶入介質液體中的條件下，在物 料堆中一定距離的兩端分別建立陽電極液室和陰電極液室，並插入陽電極和陰電極，用外 部恆定直流電源正負極通過陽電極和陰電極向物料中施加電場力，使得土壤內部發生導電 離子的電遷移和電滲等電化學作用，最後將可溶性重金屬離子由土壤內部驅至陰電極室液 內，從而達到將可溶性重金屬離子從土壤中去除的目的。這種方法最大的優點是修復速度 比生物原位修復快得多，效率較高而且對環境不產生二次汙染。基於如上優點，土壤電動力學修復將會發展為一類今後應用會日益廣泛的綠色技術。
但是，目前已有的這種重金屬汙染土壤的直流電動力學修複方法，存在處理效率 較低能耗較大的缺點，這一缺點使之目前尚難獲得廣泛的實際應用，因而亟待改善。究其原 因，是因為在恆穩直流電源驅動的條件下，其電動力在物料或土壤中所形成的離子遷移作 用和電滲作用脫除可溶性重金屬離子時，電極會逐漸產生「活化極化」、「電阻極化」以及「濃 差極化」三種極化現象。而電極的極化現象將使整個系統呈現出越來越大的導電阻力，致使 同樣大小的電場力遷移可溶性重金屬離子的效率越來越低；而要保證維持一定的效率，就 必須提高所施加的直流電壓以增大電場力，於是造成電能的耗費增大。不僅如此，這種以提 高直流電源電壓來造成更大的電位梯度以克服電極極化現象造成的電壓降的措施，不僅增 加了電耗而且收效甚微，而且還會加速改變土壤的PH值，產生大量0H_離子，使可溶性重金 屬離子形成不可溶氫氧化物或鹽類，反而更降低了重金屬離子的脫除率，其結果造成一種 惡性循環。然而，對於直接從土壤中(或者從其他泥狀粉狀物料堆中)原位脫除可溶性重 金屬離子而言，電能消耗的增大就意味著處理成本的大幅度增高，直接影響到了該方法應 用的經濟可行性。所以，解決電極極化問題是降低該方法處理成本和大幅度提高該方法處 理效率的關鍵問題。

發明內容
本發明的目的是為解決在重金屬汙染土壤電動力學原位修復過程中，現有的恆定 直流方法遷移可溶性重金屬離子時，因三種電極極化鈍化現象而造成處理能耗過大及可溶 性重金屬離子被OH-「固化」於土壤中或物料中，結果造成該方法高能耗低效率的難題，針對 性地提供一種用以消除電極極化現象的脈衝電動力學原位脫除可溶性重金屬離子的方法。本發明的技術解決方案是一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，在含有可溶 性重金屬離子的土壤或物料堆上直接插入陰電極和陽電極，陰電極和陽電極的驅動電源為 脈衝電源，脈衝電源輸出的脈衝電壓正極接陽電極，負極接陰電極。脈衝電源交替產生單一 正向脈衝波和單一反向脈衝波電壓輸出，正向脈衝波施加時段與反向脈衝波施加時段自動 周期性交替倒換。利用單向正脈衝電流(指脈衝電源輸出的脈衝電壓其正極接陽電極，負 極接陰電極)跳躍式地高速電遷移脫除土壤或物料內可溶性重金屬離子；利用單向負脈衝 電流(即指脈衝電源輸出的脈衝電壓其正極接電陰極，電源負極接電陽極)強烈的電衝擊 作用消耗、擊穿並溶解電極極化物質，徹底消除電極上的阻礙電遷移的極化現象。脈衝電源運行參數的設定方式如下在參數設定中，我們稱用於遷移重金屬離子至陰電極的單向電脈衝為「正向脈 衝」，而將與之反向以消除電極極化現象為工作目的的單向電脈衝稱之為「反向脈衝」。參數 設定的步驟是首先設定正向脈衝工作電壓、正向電脈衝頻率、佔空比，正向脈衝電流的連 續工作時間，然後設定反向脈衝脈衝工作電壓、反向電脈衝頻率、佔空比，反向脈衝電流的 連續工作時間。當設備系統硬軟體都連接調適妥當之後，再開動電源。實施對土壤中或者物 料中可溶性重金屬離子的脈衝電動力學原位脫除。此後，在正向脈衝電流工作到達所設定 的遷移重金屬離子的連續工作時間之後，電源將自動切換，向電極反向施加用以清除電極 極化膜的反向脈衝電流；而當反向脈衝電流工作時間達到設定值之後，電源又自動切換為 正脈衝工作方式；正反脈衝連續工作時間的周期性切換交替，構成了脈衝電源的運行模式。
脈衝電源的特徵和功能如下(1)脈衝電源供電輸入端具有交流220V/380V輸入，以及直流12V/24V輸入兩個端 口可供選擇；前者為在緊靠市電地區直接接電使用、或者為在遠離市電地區使用由其他動 力(內燃機、水力、風力、)所拖動的220V/380V50HZ交流發電機現場直接供電而設，後者則 為遠離市電地區使用蓄電池供電或者使用太陽能充電/蓄電系統直接供電、或者使用由其 他動力(內燃機、水力、風力)所拖動的直流發電機現場直接供電而設。(2)脈衝電源輸出端不僅可以交替輸出單一正向脈衝和單一反向脈衝，而且正向 脈衝施加時段與反向脈衝施加時段可以自動周期性交替倒換；(3)用正向脈衝電場力的衝擊跳躍性能，以較小的電能消耗，快速跳躍式電遷移脫
除可溶性重金屬離子；(4)用反向脈衝電場力的逆向衝擊性電化學反應，在不添加任何化學藥劑的條件 下自動周期性消耗、擊穿並溶解清除電極上的極化物並且動態調整土壤或者物料內PH值， 以確保電遷移重金屬離子工作的持續低能耗性和高效率性；(5)為了使用安全，設有空載保護電路空載開不了機；而開機後一旦出現空載或 者低電阻事故(電極線斷路或短路)即自動切斷電源並報警。脈衝電源的特徵技術參數如下(1)電源輸入選擇埠的輸入電壓特徵市電輸入選擇埠交流220V蓄電池或太陽能充電/蓄電系統供電埠 直流12V/24V(2)電源輸出端電壓特徵正向脈衝電工作電壓0-200V連續可調(可施加最大電壓梯度200V/M)正向電脈衝頻率0-100HZ連續可調正向電脈衝波形正單向方波/正單向正弦半波(可選擇設定)正向電脈衝佔空比50-98%可調正向電脈衝電流連續工作時間0_48h連續可調反向脈衝工作電壓0-200V連續可調
反向電脈衝頻率 0-100HZ連續可調反向電脈衝波形負單向方波/負單向正弦半波(可選擇設定)反向電脈衝佔空比50-98%可調反向脈衝電流連續工作時間0_24h連續可調脈衝電源可設定最長一次連續工作總時間0-100天連續可調脈衝電源啟停工作方式手動/自動(電子定時)正向脈衝工作電流與反向脈衝電流的交替方式操作人員事先在電源上對正反向脈衝的運行參數進行事先設定，然後開機由電源 自動切換；反向脈衝工作時段總是夾在正向電脈衝的兩個連續工作時間段之間；電源以自動 控制方式實現正反脈衝的周期性交替切換。本脈衝電源所具有的獨特的輸出脈衝工作模式，其實質可概括為所謂「正脈衝」與「反脈衝」，實質上它們都屬於具有一定脈衝頻率的單向方波脈衝或者單向正弦半波脈衝，只不過它們施加於電極的方向相反而已；正脈衝與反脈衝的連續工作時段自動周期性交替切換。正脈衝與反脈衝有各自獨立可調的工作電壓、脈衝頻率、佔空比、以及連續工作時 間範圍，以供運用時靈活設定。脈衝電源具有脈衝方波和正弦半波的輸出波形轉換功能本方法依據電極布局的方式不同分為二種實施方案(1)在土壤中或者物料堆上直接開挖溝槽作為陰電極室和陽電極室在含有可溶性重金屬離子的物料堆上或土壤中相隔一定距離兩端分別開挖溝槽 作為陰電極室和陽電極室，並在其中分別插入陽電極和陰電極，電極形狀不論，但至少要有 一對電極，開挖溝槽的距離依據實驗所得的「最佳電壓梯度」所計算確定，然後在土壤或物 料堆上加一定量的水，使之滲透入顆粒間隙溶解重金屬離子形成導電液並浸滿電極室，再 在電極上接上脈衝電源並設定好運行參數，繼而開機進行重金屬脫除作業。此後，脈衝電源 將會自動按正反脈衝工作時段反覆交替的模式運行，直至將土壤內或者物料內重金屬離子 脫至允許含量為止，或者直至達到設定運行總時間為止。(2)直接在土壤中或物料堆上插入組合式電極直接使用一種其電極與電極室一體化組合而成的「組合式電極」的電極布局的實 施方案，至少應當有一對組合式電極分別作陰陽電極。而將若干組合式電極按一種最佳的 節能布點方式插入，將之連接成陰陽電極點陣的布局方式則最為理想；即以一個陰電極為 中心，周圍布置若干電陽極，所有陽電極與陰電極保持與最佳電位梯度相應的最佳距離，然 後將所有作陰電極用的組合式電極並聯於脈衝電源負極，將所有作陽電極用的組合式電極 並聯於脈衝電源正極，由此方式而構成電極點陣，並且在土壤或物料堆上加一定量的水，使 之滲透入顆粒間隙內並溶解重金屬離子形成導電液並浸滿各組合式電極室，之後開動運行 參數已經設定好的脈衝電源進行重金屬脫除作業。此後，脈衝電源將會全自動按正反脈衝 工作時段反覆交替的模式運行，直至將土壤內或者物料內重金屬離子脫至允許含量為止， 或者直至達到設定運行總時間為止。本發明的有益效果是本方法提供了 一種能產生強衝擊電場力的脈衝電源，該電 源不僅輸出電壓為脈衝波形，並且其輸出的脈衝波電壓的極性自動周期性反相。即該電源 能按事先設定，自動產生單一正向脈衝連續工作時段與單一反向脈衝連續工作時段周期性 交替的工作模式。這一特點使之能徹底消除原有直流電動力學法無法克服的三種電極極化 現象首先是在脈衝條件下，電遷移及電滲過程中電極上的電阻膜不易形成，或易被衝擊電 流擊穿而破壞，並最終被周期性反向電流在電極上所產生的逆向電化學反應的溶解作用而 徹底從電極上脫落。周期性被徹底動態清潔後的電極又進一步促進反向脈衝電流對活化極 化及濃差極化現象的抑制和削弱，繼而使得土壤或物料內的PH值被周期性調整，由活化極 化產生的OH—與重金屬離子生成不溶性氫氧化物的機率大大降低，從而徹底克服了直流電 動力學方法無法消除電極極化的致命缺點，使以脈衝電源為關鍵設備的「脈衝電動力學法」 原位脫出重金屬離子方法的獲得了低能耗和高效率。本發明具有獨特優越性的最本質原理在於脈衝電源所造成的單向脈衝波工作電 場，其能量在時間上高強度集中並短促釋放時會產生能量衝擊效應，其結果造成一種比同 等消耗的恆流直流電場力強大數倍的瞬間衝擊電場力；在這種衝擊電場力的作用下，造成物料堆內的電離子遷移和電滲現象以一種跳躍式(或稱浪湧式)的方式快速進行，其結果 使得可溶性重金屬離子被衝擊電場力以一種「跳躍式」(或稱「浪湧式」)的方式所遷移，因 而大大提高了其遷移速度和遷移效率，而且這種衝擊電場力打破了電極極化現象極易形成 的靜態環境，使得電極的極化現象不易形成或被有效擊穿。另一方面，由於電源施加於電極 上的脈衝電壓極性周期性倒換，所施加的反向脈衝電流又對陽陰電極施加與正向脈衝電流 完全相反的電化學反應，其結果產生了對正向脈衝電流所產生的極化物質的針鋒相對的消 除和溶解作用，高速動態溶解了電極上的極化物，從而使電極得以清洗，並且周期性動態調 正了 土壤或物料中的PH值，其最終結果是徹底消除了電極極化現象。本脈衝電源可以自動 控制，用作金屬離子電遷移工作的正向(單向)脈衝電流(電源正極接陽電極、負極接陰電 極)與用作清除電極極化工作的反向(單向)脈衝電流(電源正極接陰電極、負極接陽電 極)按各自的設定脈衝頻率和設定時間，相互進行周期性倒換，從而形成本脈衝電源的「電 遷移-清除電極極化」工作自動交錯連續運行的獨特模式和獨特功能，正是本脈衝電源的這 一獨特功能，決定了以之為核心的本脈衝電動力學法脫除土壤中或者其他泥質或粉質物料 堆中可溶性重金屬離子的高效率性和低能耗特性，而且，本脈衝電動力學法是採用反向電 流的反向電化學反應來消除電極極化現象，對環境無二次汙染，這一點比之於目前很多改 善直流電動力學法研究中採用添加化學試劑消除電極極化而不顧及對環境的二次汙染的 做法，具有不可比擬的環保意義。以上特性使本「脈衝電動力學法」極具廣泛實用前景的高 效綠色處理技術。


圖1脈衝電源方波輸出示意2脈衝電源正弦半波輸出示意3實施方案一在土壤或泥狀粉狀物料堆上開挖溝槽作電極室的示意4實施方案二 採用組合式電極插入方案示意5組合式電極的構造示意6圖5的俯視7組合式電極點陣接法示意8本發明方法實施方案一的模擬試驗裝置圖9本發明方法實施方案二的模擬試驗裝置
具體實施例方式一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，在含有可溶性重金屬離子的土壤或物料 堆上直接插入陰電極和陽電極，採用脈衝電源為驅動電源，電極布局的方式分為二種，實施 方案一是在土壤中或者物料堆上直接開挖溝槽作為陰電極室和陽電極室，實施方案二是在 土壤中或物料堆上插入組合式電極。組合式電極是由不鏽鋼柱狀或管狀電極3和由孔管狀外殼7所包圍空間形成的電極室8的組合體。在電極室8內中上部設置有電極室液注入/抽取管道11和電極室液電 導傳感器12、底部設置有電極釘入錐10。組合式電極部件裝配結構以不鏽鋼柱狀或管狀電極3、過濾膜6安裝用孔管狀支架5、過濾膜6、孔管狀外殼7、及兼作電極3和電導傳感器12及電極室液注入/抽取管道 11以及過濾膜安裝孔管狀支架5的安裝定位上骨架的上螺旋端蓋4、以及底部呈圓錐型的 釘入錐10、併兼作電極3及過濾膜6安裝孔管狀支架5的安裝定位下骨架的不鏽鋼下螺旋 端蓋9按圖5組裝而成；其上螺旋端蓋4、下螺旋端蓋9與孔管狀外殼7之間以螺紋連接， 三者共同構成組合式電極的封閉和保護層； 組合式電極的過濾膜6、孔管狀支架5、孔管狀外殼7、上螺旋端蓋4既可以用不鏽 鋼材質製造，也可以用高強度耐腐蝕耐磨蝕絕緣工程塑料製造；組合式電極，當上螺旋端蓋4用不鏽鋼製造時，其上的電極定位安裝孔與電極3之 間必須加裝絕緣擊穿電壓大於2000V的絕緣環；組合式電極，不鏽鋼柱狀或管狀電極3的上密封絕緣蓋2和下定位絕緣蓋13由高 強度絕緣工程塑料製造，且絕緣擊穿電壓必須大於2000V組合式電極，其過濾膜6的材質既可選用高強度耐腐蝕透水布料也可選用透水薄 毛毯，過濾膜剪裁及安裝方式，既可將布料或薄毯剪裁成與過濾膜6的孔管狀支架5的直徑 和長度相當的長方形料，然後將之卷貼於孔管狀支架5的外壁，以形成封閉筒狀過濾膜，或 者直接使用已經事先按相應尺寸加工好的封閉筒狀過濾膜；組合式電極各部件的作用說明如下(1)組合式電極的上螺旋端蓋4和下螺旋端蓋9與多孔管狀外殼7不僅起封閉保 護組合電極作用，而且三者為其他所有部件的組合裝配提供了安裝定位骨架。(2)組合式電極中，過濾膜6的作用是阻擋固體物懸浮顆粒進入電極室而只讓水 及可溶性離子進入電極室，從而保證電極室及電極的清潔和正常工作。(3)組合式電極中，不鏽鋼螺旋下端蓋9與釘入錐10實質上是一個一體化加工的 整體；釘入錐10的作用是可以直接輕巧地往土地上或者物料堆上插入並且可即插即用。(4)由於具有電極室液注入/抽取管道11，可以方便地完成注入電解液或者將飽 和陰極室液抽出的操作，從而為陰極室液電解還原提純回收其中的重金屬的工作創造了方 便條件；(5)由於具有在線監測電導傳感器12，可以連續監測並顯示重金屬離子的脫除情 況以及時調整各種工藝參數，從而使脫除工藝更加優化。組合式電極直徑一般在10-30mm，組合式電極外直徑一般在30_100mm，長度一般 在0. 5-30M，可做成若干尺寸系列，視插入點的汙染土壤深度或者物料堆積高度而恰當選用。電極點陣是指若干陰陽電極在一起工作時所列成的材耗和能耗最小，對脈衝電壓 要求最低的經濟上最合算的排列方式。本方法的電極排列方式見圖7。電極點陣的特點是 以陰電極組合式電極為中心，以在實驗所確定的「最佳電位梯度」所對應的陰陽電極最佳距 離為布置依據，在每一根陰電極周圍均勻配置1 50個陽電極，以確保各陽電極與陰電極 之間具有相同的最佳的電場梯度。陰電極和陽電極之間的最佳距離，對應著電場在物料或 土壤中的最佳的電壓梯度數據，它決定了脈衝電源工作的最佳電壓。而最佳的電場梯度數 據，則依據對於該物料的模擬電遷移實驗中直接確定。因為本實驗裝置中，模擬料樣的體積 是極其有限的，故其體電阻必大於體積龐大的現場物料堆或大面積土地，故使用該數據進 行現場電極布點，實際電遷移效果將總是優於實驗效果，故稱之為「最佳的電壓梯度」。
當陰電極室液的重金屬離子達到飽和狀態後，有必要抽取飽和室液並替換新室 液。該項工作對於實施方案一，採用自吸式微型離心泵來完成；對於實施方案二，則採用具 有強勁自動抽吸能力的微型隔膜泵來完成。由於本專利申請的「脈衝電動力學法」是對已有」直流電動力學法」脫除土壤中重 金屬離子方式的改進和應用領域的擴展，而這兩種方法的主要區別就在於所使用的電源不 同。因此，要考察本方法的實施效果，就必須與已有方法進行相同條件下實施效果的實驗對 比來加以說明。為達到此目的，在每次試驗中，皆作了兩種方法的平行對比實驗。本發明設計了 一個標準模擬工業現場實驗裝置。該裝置既可用以對已有的「直流 電動力學法」與本發明的「脈衝電動力學法」進行實驗對比，還可以直接通過它確定「最佳 電位梯度」，以供工業現場確定最佳陰陽電極間距或者設定電源最佳施加電壓值之用。本發明模擬工業現場脫除重金屬離子的實施方案1的實驗裝置及其操作是在一 個長1050mm，寬100mm，深150mm，兩端分別設有電極室的有機玻璃矩形槽內，首先在陰陽 電極室與槽主體之間分別安置好一塊多孔擋板，以阻隔實驗中槽內試樣固體微粒進入電極 室，繼而在陽陰電極室內並分別插入不鏽鋼板式電極，然後，均勻裝入質量一定的、含有一 定的可溶性重金屬的某種物料或土壤，以模擬該物料的自然堆積狀態。然後，在槽中加入一 定量的蒸餾水或者自來水使物料具備一定的有利於電化學遷移重金屬離子的含水率，經過 一定時間的浸汲後，物料 內的重金屬離子溶入水中形成一定濃度的重金屬浸汲液。而在往 槽內加水的同時，也在電極室內加上與物料槽內液體持平的同一蒸餾水或者自來水，之後， 將脈衝電源正負極分別接於不鏽鋼板式陽電極和陰電極上。繼而設定好所需要的操作參 數，調整到所需脈衝電壓、脈衝電壓頻率及佔空時間，開通電源進行重金屬離子的電遷移脫 除。在正脈衝電遷移脫除工作進行到設定時間之後，脈衝電源電壓將自動反向開始施加反 向脈衝，在一段設定的反脈衝工作設定時間內以反向脈衝電流清除電極極化現象。之後，電 源再自動返回正脈衝狀態，開始下一回合的電遷移脫除重金屬離子工作。如此反覆交替進 行，直至達到設定之重金屬脫除指標標。實驗裝置見附圖8。在作與「直流電動力學法」對等比較實驗時，只要將脈衝電源換成直流電源，而保 持其餘初始條件完全相同即可；或者使用兩個完全相同的實驗槽，分別接上脈衝電源和直 流電源，同時同初始條件作對等平行運行實驗。本發明模擬工業現場脫除重金屬離子的實施方案2的實驗裝置及其操作是在一 個長1050mm，寬100mm，深150mm，兩端分別裝有直徑為30mm的組合式陰電極和組合式陽電 極的有機玻璃矩形槽內，均勻裝入質量一定的、含有一定的可溶性重金屬的某種物料或土 壤，以模擬該物料的自然堆積狀態。然後，在槽中加入一定量的蒸餾水或者自來水使物料具 備一定的有利於電化學遷移重金屬離子的含水率，經過一定時間的浸汲後，物料內的重金 屬離子溶入水中形成一定濃度的重金屬浸汲液。而在往槽內加水的同時，也在組合式電極 的電極室內加上與物料槽內液體持平的同一蒸餾水或者自來水，之後，將脈衝電源正負極 分別接於組合式陽電極和組合式陰電極上。繼而設定好所需要的操作參數，調整到所需脈 衝電壓、脈衝電壓頻率及佔空時間，開通電源進行重金屬離子的電遷移脫除。在正脈衝電遷 移脫除工作進行到設定時間之後，脈衝電源電壓將自動反向開始施加反向脈衝，在一段設 定的反脈衝工作設定時間內以反向脈衝電流清除電極極化現象。之後，電源再自動返回正 脈衝狀態，開始下一回合的電遷移脫除重金屬離子工作。如此反覆交替進行，直至達到設定之重金屬脫除指標標。而假如電源預設有運行總時間時，脈衝電源會自動按時停止。實驗 裝置圖9。在作與「直流電動力學法」對等比較實驗時，只要將脈衝電源換成直流電源，而保 持其餘初始條件完全相同即可；或者使用兩個完全相同的實驗槽，分別接上脈衝電源和直 流電源，同時同初始條件作對等平行運行實驗。應當特別指出的是這個實驗室模擬裝置是充分考慮了工業放大而設計的，用它 進行一系列條件實驗後，所確定的對應於該物料的最佳重金屬離子的脫除效果的最重要電 遷移操作參數——物料中的最佳「電位梯度」量值，其單位是「每米距離上的電位降」這一標 準量值，所以可以直接提供作工業現場作業設計之用。之所以稱之為「最佳電位梯度」，是因 為實驗試樣在實驗槽中的體積是有限的，因此其相應的體電阻比實際龐大體積的自然堆 積物料堆或土壤中都要大；換言之，即在本實驗裝置上所獲得的「最佳電壓梯度」對應IM 的陰陽電極距離，也對應著IM電極間距時可能出現的最大的體電阻。而在實際土壤中或者 物料堆中，在IM間距的陰陽電極之間，所對應的體電阻都比實驗裝置的小，因此，能使得實 驗槽中較高的體電阻試樣高效脫除重金屬離子的實驗電壓梯度，用以作實際現場土壤或者 物料中陰陽電極的布點間距或者作為設定脈衝電源最佳輸出電壓的計算依據，必然能獲得 比實驗效果更高的重金屬離子脫除效果。A)長曆時運行探索比較實驗實例為了全面對比性說明「脈衝電動力學法」與已有「直流電動力學法」的脫除重金屬 離子效率 之優劣，提供了 「長曆時運行對比」與「短歷時運行對比」兩類實例。所謂長曆時運行，是指兩種方法分別使用兩個尺寸結構完全相同的電遷移槽，在 除了電源不同之外其餘初始條件完全相同的條件下，同時分別一次性開機後不停機連續運 行5天(120h)或5天以上的運行方式，主要考查兩種方法在能有效脫除重金屬離子範圍內 的效果差異和方法的一次性可持久運行性能。本系列長曆時對比實驗採用了本發明實施方案1的模擬實驗裝置，詳見圖8。長曆時運行實例1兩種方法對銅離子汙染土壤的120h修復效果對比為保證對比實驗的準確性，特向同一無重金屬汙染實驗土壤內均勻溼態配製入含 量為500mg/kg的銅離子，形成Cu+2含量為500mg/kg試驗土樣再烘乾待用，然後在保證除電 源不同而其他初始條件及操作步驟完全相同的前提下，以120h的長曆時運行時間對脈衝 電動力學法和直流電動力學法脫除重金屬離子效率進行對比實驗。1)電源操作條件直流電源電壓梯度1. Ov/cm ；第一次開機後保持初始電壓梯度不停機連續運行 時間 120h(5d)。脈衝電源輸入埠選市電輸入埠，選用220V市電直接供電；輸出為正脈衝峰 值電壓梯度1. Ov/cm,正脈衝頻率25HZ，正脈衝佔空比50%，，正脈衝施加時段600s ；反脈衝 峰值電壓梯度1. Ov/cm,反脈衝頻率25HZ，反脈衝佔空比50%，反脈衝施加時段10s，第一次 開機後保持初始峰值電壓梯度不停機連續運行時間120h。2)實驗現象及結果在開始24h內，兩種方法的極間電流呈逐漸上升趨勢，但脈衝法的極間脈衝峰值電流(平均值60mA)總是略大於直流法的極間電流(平均值50mA)；當一次性連續運行48h之後，脈衝法的峰值電流穩定在80mA左右，直流法電流穩定在55mA左右；當運行120h後，脈衝峰值電流仍舊穩定在80mA左右，而直流電流法電流銳 減至19mA左右，正常有效運行已難以為繼，也就是說，「直流法「運行120h之後，電極出現嚴 重的極化現象而導致電阻增大並呈現出低效或無效運行狀態；此時若要能再有效運行，必 須或者提高直流電源電壓，或者停止運行以化學方法清洗電極和調整PH值後再開機。兩種方法運行120h後，分別取處理土並樣檢測其中可溶性重金屬離子殘留量，結 果是直流電動力學法處理土樣中重金屬平均殘留含量為234mg/kg，去除率僅為53. 2% ； 而脈衝電動力學法處理土壤中平均殘留量為僅為51. 5mg/kg，去除率已達89. 7%。對比實 驗說明在120h長曆時運行時，脈衝電動力學法遷移重金屬離子的效果遠優於直流電動力 學法。120h以後，直流法若還要繼續運行必須重新進行如下操作或者在停機狀態下重 新調整土樣PH值並清洗一次電極，或者提高供電電壓方能再繼續運行，然而這兩種種狀況 已經屬於其第二次運行了。由此我們可以有一個概括性的結論對一次性開機後就不停機 的長曆時連續運行方式而言，脈衝電動力學法可以保持初始電位梯度和較高的重金屬離子 脫除效率而一直堅持到使脫除重金屬指標達標目的為止，而直流法電動力學法則因電極極 化致使電阻越來越大而無法一次性開機堅持到底；因此，在長曆時原位處理方式之下，脈衝 電動力學法具有的優勢令直流電動力學法望塵莫及；從這一角度來看，在一次性開機後即 不停機的長曆時運行條件下，「直流電動力學法」幾乎失去了與「脈衝電動力學法」的對等可 比性。長曆時運行實例2兩種方法對剩餘活性汙泥中重金屬離子的120h脫除效率對比同樣，為保證對比實驗的準確性，特向同一汙水廠所取的脫水後剩餘活性汙泥內 均勻溼態配製入一定含量的銅離子，使之形成重金屬離子總含量為700mg/kg試驗泥樣，然 後在保證除電源不同而其他初始條件完全相同的前提下，以120h的長曆時運行時間對脈 衝電動力學法和直流電動力學法脫除重金屬離子效率進行對比實驗。1)電源操作條件直流電源電壓梯度1. Ov/cm ；第一次開機後保持初始電壓梯度不停機連續運行 時間 120h(5d)。脈衝電源輸入埠 12V/24V直流埠，選擇實驗室型太陽能充電/蓄電供電器， 供電電壓直流12V，最大電流200mA ；輸出正脈衝峰值電壓梯度1. Ov/cm,正脈衝頻率25HZ， 正脈衝佔空比50%，，正脈衝施加時段1200s ；反脈衝峰值電壓梯度1. Ov/cm，反脈衝頻率 25HZ，反脈衝佔空比50%，反脈衝施加時段20s，第一次開機後保持初始峰值電壓梯度不停 機連續運行時間120h。2)實驗現象及結果在開始24h內，兩種方法的極間電流呈逐漸上升趨勢，但脈衝法的極間脈衝峰值 電流(平均值86mA)總是略大於直流法的極間電流(平均值64mA)；當一次性連續運行48h之後，脈衝法的峰值電流穩定在95mA左右，直流法電流穩 定在78mA左右；當運行120h後，脈衝峰值電流仍舊穩定在95mA左右，而直流電流法電流下降至24mA左右，正常有效運行已難以為繼，此時若要能有效運行，必須提高直流電源電壓， 在更高的電位梯度下方能維持原有78mA左右電流。兩種方法運行120h後，分別取處理泥樣並樣檢測其中可溶性銅離子殘留量，結果 是直流電動力學法處理土樣中重金屬平均殘留含量為302. 4mg/kg，去除率僅為56. 8% ； 而脈衝電動力學法處理土壤中平均殘留量為僅為87. 5mg/kg，去除率已達87. 5%。對比實 驗說明在120h長曆時運行時脈衝電動力學法從汙泥中脫除可溶性重金屬離子的效果也遠 優於直流電動力學法。而且運行至此，脈衝電動力學法仍能繼續高效運行，直流電動力學法 因電極極化而電阻越來越大，已經無法繼續有效運行而幾乎失去與脈衝電動力學法的對等 可比性了。
( 二 )短歷時(24h)脫除重金屬離子效率對比鑑於電動力學脫除可溶性重金屬離子方法若要進行到土壤或者物料中重金屬離 子低於容許含量，需數百小時甚至數千小時，運行時間很長，而在這樣長的時間段內，「直流 電動力學法」因電極極化嚴重和土壤或物料中PH不均衡的問題根本不可能一次性開機後運 行到底，而是必須多次中斷運行以人工清洗電極和調整PH值，這與本發明提供的因為具有 以周期性自動施加的反向脈衝電流動態消除了電極極化現象、而且不加任何藥劑不停機自 動調適PH值的優點、故可以在一次性開機後即可不停機長時間運行到底的「脈衝電動力學 法」難以對等比較，而且做這種比較實驗的時間太長，因此，為縮短對等比較實驗時間，在往 後試驗中，我們採用在除電源不同之外的其他初始實驗條件完全相同的前提下，比較「直流 電動力學法」和「脈衝電動力學法」在相同短歷時運行時間段(24h)上的重金屬離子脫除率， 或者在該時間段內比較在達到相同重金屬離子脫除率時各自所用的時間，以此來快速評價 並進一步證實這兩種方法孰優孰劣。顯然，對於運行相同時間後，重金屬離子脫除率高者為 優，而相應地，對於達到相同去除率，所用時間短者為優。探索實驗證實，兩種判斷方式可能 數據上有微小差異，但其所評判的優劣結論卻都是一樣的。短歷時(24h)運行對比實驗，採用本專利實施方案2的實驗模擬裝置，詳見圖9。為保證對比性實驗結論的準確性，首先就必須保證實驗條件的嚴格相同。即是除 了電源不相同之外，其他實驗原始條件都嚴格相同。這些原始條件包括採用同樣重量的含 可溶性重金屬離子量一定的同一物料的試樣、同樣的電極和電極間距，同量同種同樣方式 加入的用以浸融重金屬離子的水，以確保試樣中均勻分布有等量的含重金屬離子濃度相等 的水而呈現其含水率的相同。具體作法是選用兩個結構尺寸完全一樣的有機玻璃(槽尺 寸1060*100*150mm，電極皆為相同結構直徑為30mm的組合式電陰極和電陽極，電極間距 1000mm)實驗槽，分別裝入重量精確相等的同一種實驗泥樣(為準確控制對比實驗，該物料 事先被人為配製)加入一定量一定濃度的重金屬鹽類溶液，均勻混合併晾乾後待用，因此其可溶性 重金屬離子含量是已知的，並且分別均勻壓實到兩槽泥樣兩端用插入電阻表筆以同樣的測 量方式所測得的物料體電阻完全相同為止(即保證兩個槽中物料的堆比重完全相同)，再 分向槽中別加入相同體積的蒸餾水，也向陰陽極室加入同樣高度的蒸餾水以作電極室液。 實施如上措施後，最終形成兩個實驗槽完全相同的初始實驗條件。之後，將其中一套實驗裝 置作為對比實驗樣接上直流電源，而另一套實驗裝置作為主實驗樣接上脈衝電源，並分別 調整兩電源至相同的電壓值，並同時開始各自的脫除可溶性重金屬離子的實驗。值得一提的是所謂「相同的電源電壓值」，是指直流恆定電源的電壓量值與脈衝電源的峰值電壓 量值相等；但事實上，在直流恆定電源的恆定電壓量值與脈衝電源的峰值電壓量值相等相 等的條件下，脈衝電源的電耗比直流電源的小，原因是在相同的施加時段內，脈衝電源的連續施加時間比率必然小於直流恆定電源的連續施加的時間比率；但 是由於脈衝電場力具有衝擊式的做功特性，因此其對物料中重金屬離子呈現跳躍式的遷 移，因此，脈衝電源在能耗低於直流恆流電源的情況下，對重金屬離子遷移的遷移脫除速度 卻高於直流恆定電源。這一原理就是本發明的技術本質和創新性之所在。。鑑於陰極室液的電導率的增加直接正相關於被電場力從物料中所移出來的重金 屬離子的量，而當汙染物中重金屬離子佔絕大比重的情況下，可以認為陰極室液的電導率 的增加直接正比於被電場力從物料中所移出來的重金屬離子的量。因此，為在短時間內獲 得實時比較實驗數據，本實驗採用測量陰極室液電導變化的方式來衡量設備系統的重金屬 離子的脫出效果；又鑑於要證明本發明技術的先進性及優越性的最好辦法，莫過於通過與 已有的直流電動力學法進行對比性實驗以比較出而者重金屬離子脫除效果之高低，因此決 定以直流電脫除裝置的陰極室的電導為計量基準來衡量脈衝電脫除裝置陰極室液的電導 變化，即是以直流電脫除實驗裝置的陰極室液的在某時間點上的相對於初始時間點的實 測電導增量為100%，來衡量同一時間點上的脈衝電脫除實驗裝置陰極室液的電導變化增 量，以此獲得兩種脫除方法效果優劣的相對對比數據。具體計算公式是 「脈衝法」陰極室液的實際電導率增量
「脈衝法」陰極室液相對電導增量--100%
「直流法」陰室液的實際電導率增量換言之也即等同於
「脈衝法」相對於「直流法」 「脈衝法」陰極室液的實際電導率增量
去除重金屬離子的效率 = -100%
「直流法」陰室液的實際電導率增量以下列出若干「脈衝電動力學法」與「直流電動力學法」脫除重金屬離子效果優劣 的短歷時實驗對比系列實例。實例採用24小時連續運行終了時的兩種方法對重金屬離子 的相對脫除率來加以定量比較。為了便於比較，更為了比較結論的準確，選用單一 Cu+2鹽類加入土壤或泥狀粉狀 固廢物料中，人工製備成含可溶性Cu+2離子為準確已知的模擬含重金屬離子實驗樣，這樣 可以使陰極電導率增量基本正比於Cu+2脫除率。短歷時(24h)運行對比系列實例1—對不同重金屬離子含量土壤重金屬離子脫除的短歷時運行效果對比匯總對同一實驗土壤均勻配製入不同含量的銅離子，然後分別按上述其他相同初始條 件，對含Cu+2量不同的試樣進行對比實驗。短歷時試驗中，脈衝電源輸入埠的選擇一律使 用市電輸入埠，直接由交流220V市電供電。1-1Cu+2含量為0.002%試驗土樣1)電源操作條件直流電源電壓梯度0. 5v/cm ；連續運行時間24h。
脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5v/cm，正脈衝頻率25HZ，正脈衝佔空比50%，， 正脈衝施加時段600s ；反脈衝峰值電壓梯度0. 5v/cm,反脈衝頻率25HZ，反脈衝佔空比 50%，反脈衝施加時段3s，連續運行時間24h。2)脫除重金屬離子效率對比直流法100 %脈衝法110%，脈衝法效率比直流法效率提高10 %1-2Cu+2含量為0.003%試驗土樣1)電源操作條件直流電源電壓梯度1. 5v/cm ；連續運行時間24h。脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度1. 5v/cm，正脈衝頻率25HZ，正脈衝佔空比50%， 正脈衝施加時段600s ；反脈衝峰值電壓梯度1. 5v/cm,反脈衝頻率25HZ，反脈衝佔空比 50%，反脈施加時段5s，連續運行時間24h。2)脫除重金屬離子效率對比直流法100%脈衝法122.6%，脈衝法效率比直流法效率提高22. 6 %1-3Cu+2含量為0.004%試驗土樣1)電源操作條件直流電源電壓梯度2v/cm ；連續運行時間24h。脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度2v/cm，正脈衝頻率25HZ，正脈衝佔空比50%，正 向脈衝施加時段600s ；反脈衝電壓梯度2v/cm，反脈衝頻率25HZ，反脈衝佔空比50%，反脈 衝施加時段6s，連續運行時間24h。2)脫除重金屬離子效率對比直流法100%脈衝法128.3%，脈衝法效率比直流法效率提高28. 3 %1-4Cu+2含量為0.04%試驗土樣1)電源操作條件直流電源直流電壓梯度1. 5v/cm ；連續運行時間24h。脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度1. 5v/cm，正脈衝頻率25HZ，正脈衝佔比50%，正 脈衝施加時段600s ；反脈衝電壓梯度2v/cm，反脈衝頻率25HZ，反脈衝佔空比50%，反脈衝 施加時段3s，連續運行時間24h。2)脫除重金屬離子效率對比直流法100%脈衝法120%， 脈衝法效率比直流法效率提高20 %1-5Cu+2含量為0.01%試驗土樣1)電源操作條件直流電源直流電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1. 0、1. 5、2. 0四組實驗)；連續運行時間 24h。脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1.0、1.5、2.0四組實驗)，正脈衝頻率25HZ，正脈衝佔空比50%，正脈衝施加時段600s ；反脈衝峰值電壓梯度0. 5~2v/cm(0. 5、1.0、1.5、2.0四組實驗)，反脈衝頻率25HZ，反脈衝佔空比50%，反脈衝施加時段 7s，連續運行時間24h。2)脫除重金屬離子效率對比直流法100%脈衝法 111.2%-124. 6%，脈衝法效率比直流法效率提高11. 2% -24. 6%1-6Cu+2含量為0.05%試驗土樣1)電源操作條件直流電源直流電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1. 0、1. 5、2. 0四組實驗)；連續運行時間 24h。脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,正脈衝頻率25HZ，正脈衝佔空比 50 %，正脈 衝施加時段600s ；反脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1. 0、1. 5、2. 0四組實 驗)，反脈衝頻率25HZ，反脈衝佔空比50%，反脈衝施加時段5s ；連續運行時間24h。2)脫除重金屬離子效率對比直流法100%脈衝法 110. 6%-128. 8%，脈衝法效率比直流法效率提高10. 6% -28. 8%1-7Cu+2含量為0.試驗土樣1)電源操作條件直流電源直流電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1. 0、1. 5、2. 0四組實驗)；連續運行時間 24h。脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1. 0、1. 5、2. 0四組實驗)，正脈衝 頻率25HZ，正脈衝佔空比，正脈衝施加時段900s ；反脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,反脈衝 頻率25HZ，反脈衝佔空比50%，反脈衝電流作用時段IOs ；連續運行時間24h。2)脫除重金屬離子效率對比直流法100%脈衝法 119.8%-138.8%，脈衝法效率比直流法效率提高19. 8% -38. 8%1-8Cu+2含量為0.試驗土樣1)電源操作條件直流電源直流電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1. 0、1. 5、2. 0四組實驗)；連續運行時間 24h。脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,正脈衝頻率25HZ，正脈衝佔空比 50%，正脈衝施加時段1200s ；反脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1.0、1.5、2. 0四組實 驗)，反脈衝頻率25HZ，反脈衝佔空比50%，反脈衝施加時段5s ；連續運行時間24h。2)脫除重金屬離子效率對比直流法100%脈衝法 118. -131. 5%，脈衝法效率比直流法效率提高18. 1% -31. 5%l-9Cu+2含量為0.試驗土樣變動電壓梯度對比實驗1)電源操作條件直流電源直流電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1. 0、1. 5、2. 0四組實驗)；連續運行時間 24h。
脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm(0. 5、1. 0、1. 5、2. 0四組實驗)，正脈衝 頻率0. 017HZ，正脈衝佔空比97%，正脈衝施加時段1200s ；反脈衝峰值電壓梯度0. 5~2v/ cm，反脈衝頻率0. 017HZ，反脈衝佔空比95%，反脈衝施加時段30s ；連續運行時間24h。2)脫除重金屬離子效率對比直流法100%脈衝法 125% _155，7%，脈衝法效率比直流法效率提高25 % -55. 7 %歸結1-1至1-9的系列對比運行實驗可以證實，經過24h短歷時對比運行， 兩種方法對重金屬汙染土壤中可溶性重金屬離子的電動力學脫除效果比較而呈現出的規 律是在直流電源工作電壓梯度與脈衝電源峰值工作電壓梯度量值相同、以及在試樣的各 種初始條件完全相同的下，脈衝電動力學脫除效果皆優於直流電動力學脫除效果。即當 土壤中Cu+2在含量在0. 002% -0. 之間，所施加直流電源的直流電壓梯度為0. 5-2v/cm, 脈衝電源的正脈衝峰值電壓梯度為0. 5-2v/cm，正脈衝頻率為0.017-25HZ，正脈衝佔空比 50-97%，正脈衝施加時段600s-1200s，反脈衝峰值電壓梯度為0. 5-2v/cm,反脈衝頻率為 0.017-25HZ，反脈衝佔空比為50-95%，反脈衝施加時段3-30s的電源操作條件取值範圍 內，同時經過24h短歷時運行，脈衝法脫除重金屬離子效率普遍比直流法提高10%-55%左 右ο短歷(24h)時運行系列對比實驗實例2對活性汙泥中可溶性重金屬離子的去除以下實驗是一系列不同重金屬含量活性汙泥試樣，並變動不同操作條件的實驗結果匯總ο兩種方法分別同時連續運行24h終了的對比實驗表明在直流電源施加於試樣的 電壓梯度與脈衝電源施加於相同原始條件試樣的脈衝峰值電壓梯度數值相等的條件下，脈 衝電動力學法對活性汙泥中可溶性重金屬離子的脫除效率也總是優於直流電動力學脫除 法。具體系列實例為而當活性汙泥中Cu+2含量範圍為0. 002% -0. 1%，電操作參數的設定 值取值範圍為直流電源工作電壓梯度0. 5-2v/cm ；脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/ cm,正脈衝頻率0. 017HZ-25HZ，脈衝佔空比50% -98 %，正脈衝施加時段600s_1800s，反脈 衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,反脈衝頻率0. 017HZ-25HZ,反脈衝佔空比50% -98%，反脈衝 施加時段l-30s的電源操作條件範圍內，脈衝法比直流法效率普遍提高了 8% -52%左右。短歷(24h)時系列對比運行實驗實例3湖泊清淤底泥中可溶性重金屬離子的去除兩種方法分別同時連續運行24h終了的對比實驗表明在直流電源施加於試樣的 電壓梯度與脈衝電源施加於相同原始條件試樣的脈衝峰值電壓梯度數值相等的條件下，脈 衝電動力學法對水體清淤底泥的可溶性重金屬離子的脫除效率也皆優於直流電動力學法。 具體系列實例為而當活性汙泥中Cu+2含量為0. 002% -0. 1%，採用直流電源工作電壓梯 度0. 5-2v/cm,；脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,正脈衝頻率0. 017HZ-25HZ，正脈 衝佔空比50-98%，正脈衝施加600s-1800s ；反脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm，反脈衝頻率 0.017HZ-25HZ，反脈衝佔空比50% _98%，反脈衝施加時段l_30s的電源操作條件範圍內， 脈衝法比直流法效率普遍提高了 7% -50%左右。短歷時(24h)運行系列對比實驗實例4
電鍍混合汙泥中重金屬離子的去除兩種方法分別同時連續運行24h終了的對比實驗表明在直流電源施加於試樣 的電壓梯度與脈衝電源施加於相同原始條件試樣的脈衝峰值電壓梯度數值相等的條件下， 脈衝電動力學法對電鍍混合汙泥的可溶性重金屬離子的脫除效率皆優於直流電動力學法。 而當活性汙泥中各種重金屬離子總含量為0. 002% -0. 1%，採用直流電源工作電壓梯度 0. 5-2v/cm,；脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,正脈衝頻率0. 017HZ-25HZ，正脈衝 佔空比50-98%，正脈衝施加時段600s-3600s，反脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,反脈衝頻 率0.017HZ-25HZ，反脈衝佔空比50% -98 %，反脈衝施加時段l_60s的電源操作條件範圍 內，脈衝法比直流法效率普遍提高了 6% -48%左右。
短歷時(24h)運行系列對比實驗實例5學校化學實驗室排水溝清淤底泥中重金屬離子的去除兩種方法分別同時連續運行24h終了的對比實驗表明在直流電源施加於試樣的 電壓梯度與脈衝電源施加於相同原始條件試樣的脈衝峰值電壓梯度數值相等的條件下，脈 衝電動力學法對化學實驗室排水溝清淤底泥中的可溶性重金屬離子的脫除效率皆優於直 流電動力學法。具體實例為而當活性汙泥中各種重金屬離子總含量為0. 002%-0. 1%，採 用直流電源工作電壓梯度0. 5-2v/cm ；脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,正脈衝頻 率0. 017HZ-25HZ，正脈衝佔空比50-98%，正脈衝施加時段600s_3600s，反脈衝峰值電壓梯 度0. 5-2v/cm,反脈衝頻率0. 017HZ-25HZ,反脈衝佔空比50% -98%反脈衝施加時段1-60s 的電源操作條件範圍內，脈衝法比直流法效率普遍提高了 5% -45%左右。短歷時(24h)運行系列對比實例6銅礦尾礦礦泥中重金屬離子的去除兩種方法分別同時連續運行24h終了的對比實驗表明在直流電源施加於試樣的 電壓梯度與脈衝電源施加於相同原始條件試樣的脈衝峰值電壓梯度數值相等的條件下，脈 衝電動力學法對銅礦尾礦礦泥中的可溶性重金屬離子的脫除效率亦皆優於直流電動力學 法。而當活性汙泥中各種重金屬離子總含量為0.002% -0. 1%，採用直流電源工作電壓梯 度0. 5-2v/cm ；脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,正脈衝頻率0. 017HZ-25HZ，正脈 衝佔空比50-98%，正脈衝施加時段600s-3600s，反脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,反脈衝 頻率0. 017HZ-25HZ，反脈衝佔空比50% -98%反脈衝施加時段l_60s的電源操作條件範圍 內，，脈衝法比直流法效率普遍提高了 5% -47%左右。短歷時(24h)運行系列對比實驗實例7校醫院X光膠片衝洗陰溝清淤底泥中重金屬離子去除兩種方法分別同時連續運行24h終了的對比實驗表明在直流電源施加於試樣的 電壓梯度與脈衝電源施加於相同原始條件試樣的脈衝峰值電壓梯度數值相等的條件下，脈 衝電化學法對X光膠片衝洗陰溝清淤底泥中的可溶性重金屬離子的脫除效率皆優於直流 電化學脫除法。而當該底泥中重金屬離子總含量為0. 002% -0. 1%，採用直流電源工作電 壓梯度0. 5-2v/cm ；脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,正脈衝頻率0. 017HZ-25HZ， 正脈衝佔空比50-98%，正脈衝電流連續工作時間600s-3600s ；反脈衝峰值電壓梯度 0. 5-2v/cm，反脈衝頻率0. 017HZ-25HZ，反脈衝佔空比50% -98%反脈衝施加時段l_60s的 電源操作條件範圍內，脈衝法比直流法效率普遍提高了 5% -42%左右。
短歷時(24h)運行系列對比實驗實例8金礦浮選尾礦礦泥中重金屬離子的去除兩種方法分別同時連續運行24h終了的對比實驗表明在直流電源施加於試樣 的電壓梯度與脈衝電源施加於相同原始條件試樣的脈衝峰值電壓梯度數值相等的條件下， 脈衝電動力學法對金礦浮選尾礦礦泥中的可溶性重金屬離子的脫除效率皆優於直流電動 力學法。而當該底泥中重金屬離子總含量為0.002% -0. 1%，採用直流電源工作電壓梯度 0. 5-2v/cm ；脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,正脈衝頻率0. 017HZ-25HZ，正脈衝 佔空比50-98%，正脈衝施加時段600s-3600s，反脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,反脈衝頻 率0. 017HZ-25HZ,反脈衝佔空比50 % -98 %反脈衝施加時段l_60s的電源操作條件範圍內， 脈衝法比直流法效率普遍提高了 8% -41%左右。短歷時(24h)運行系列對比實驗實例9帶豐富腐殖質的褐色粘土中重金屬離子的去除(亦即電化學修復)兩種方法分別同時連續運行24h終了的對比實驗表明在直流電源施加於試樣的 電壓梯度與脈衝電源施加於相同原始條件試樣的脈衝峰值電壓梯度數值相等的條件下，脈 衝電動力學法對帶豐富腐殖質的褐色粘土中的可溶性重金屬離子的脫除效率皆優於直流 電動力學法。而當該土壤中重金屬離子總含量為0.002% -0. 1%，採用直流電源工作電壓 梯度0. 5-2v/cm ；脈衝電源正脈衝峰值電壓梯度0. 5-2v/cm,正脈衝頻率0. 017HZ-25HZ，正 脈衝佔空比50-98%，正脈衝電流連續工作時間600s-3600s ；反脈衝峰值電壓梯度0. 5~2v/ cm,反脈衝頻率0. 017HZ-25HZ,反脈衝佔空比50% -98%反脈衝施加時段l_60s的電源操作 條件範圍內，脈衝法比直流法效率普遍提高了 5% -35%左右。對以上九種物料中的可溶性重金屬離子的脫除對比性實驗皆顯示對於電動力學 方法從物料堆中或者土壤中去除可溶性重金屬離子而言，所施於物料中的工作電壓梯度是 一個重要的電參數；而在直流工作電壓梯度與脈衝工作峰值電壓梯度在數值上相等的條 件下，脈衝電動力學法在重金屬離子去除效率上不僅都普遍高於直流電動力學法的效率， 而且電耗降低。究其原因，就是因為在直流工作電壓梯度與脈衝工作峰值電壓梯度在數值 上相等的條件下，在同一時間段上脈衝電流的施加時間比率總小於直流電流的施加時間比 率；而且，脈衝電化學場所產生的對重金屬離子的「跳躍式」遷移方式，比之於直流電化學 場產生的平穩遷移方式不僅省電力而且省時間。在達到相同遷移效果(陰極室液電導增量 相同)的情況下，脈衝電動力學法在時間上比之於直流電動力法在時間上普遍縮短了大約 5%-50%;而從另一種角度來評價，則是在處理時間相同(以上實例皆以24h為連續運行時 間)的情況下，脈衝電動力學法在遷移重金屬離子效率上比之於直流電動力學法在移出重 金屬離子的效率(亦即該時間末陰極室液中電導增量的比較)普遍提高了大約5%-50%。值得提醒的是隨著一次開機即不停機連續運行時間的推移，這兩種方法的重金屬離子相對脫除率差距將越來越大，實驗表明，當連續運行時間大於240h後，直流電動力 學方法的電極間電流已經衰減了初始值的90%而使重金屬離子脫除絕對量大幅度減少， 此時必須停機進行電極極化清除及PH調整，否則只能靠提高處理電壓(等同於提高電能 損耗)來克服電極極化，以維持能有效脫除重金屬離子的極間電流；而相比之下，本發明的 「脈衝電動力學法」，則基本保持著初始脈衝峰值電流的幅值，除非土壤中或物料中可溶性 重金屬離子已經絕大部分被脫除才會產生明顯衰減。
對於採用電動力學去除物料堆或者土壤中可溶性重金屬離子而言，由於直流電動 力學方法不能克服電極極化現象，因此隨著電源施加的時間越長，電耗越大，故難於支持長 時間(如數十天)一次連續運行達到預期去除目標(即物料或土壤中可溶性重金屬離子的 含量已經等於或低於容許值)，而中途必須多次停下來採取一些物理或化學措施對電極加 以清理以及對土壤PH值加以調適才能繼續進行；而相比之下，由於脈衝電動力學法具有能 及時動態消除並遏制電極極化現象以及自動動態調適土壤PH值的功能，因此它可以做到 第一次開機後即可長曆時(如數十天乃至數月)不停機處理達到預定去除目標。這不僅體 現出本專利所提供的這種脈衝電動力學法比較於已有直流電動力學法有著無可比擬的優 越性，而且也同時是本專利大量對比實驗中，只將兩種方法在短歷(24h)時脫除處理時段 內進行比較的原因——因為在長曆時(例如等於或大於120h以後)脫除處理條件下，直流 電動力學法因所需施加電壓越來越高而難以一次性進行到底，中途需多次停頓進行電極清 理和PH調整再進行第二次運行；而脈衝電動力學法則能長期維持一定的脈衝峰值電壓，一 次性將脫除作業進行到底。也就是說，脈衝電動力學法可以一次性長期運行直至預設的最 終脫除率，而要達到這最終脫除率，直流電動力學要經歷數次停頓清理調適，數次停機開機 操作才能達到。(三)脈衝電動力學法與直流電動力學法去除重金屬離子以外的其他汙染離子的 效果對比以下兩組對比實驗是為了考查脈衝電動力學法相對於直流電動力學法去除重金 屬以外的其他汙染離子的效率。以全面判斷脈衝電動力學法相對於直流電動力學法在原位 去除土壤或泥狀粉狀物料中所有汙染物離子的相對規律。
1)兩種方法從土壤中原位(陽極)脫除硫酸根離子S04_2的短歷時(24h)運行系 列比較實驗在電動力學方法將可溶性重金屬離子遷移往陰極的同時，土壤內的陰離子基團也 電泳往陽極，導致陽極電導也發生正相關變化；當準確配入硫酸根離子的含量而且S04_2配 入量佔土壤中其他陰離子比例較大時，可以認為陽極電導增量正比於陽極對S04_2的脫除 量，因此只要測定陽極電導變化的增量比，據此也可以算出脈衝電動力學法相對於直流電 動力學法脫除S04_2的相對效率。入配試劑採用了硫酸銅，當土壤中Cu+2在含量在0.002之間時，土壤中的 S04_2則在0. 003-0. 15%之間。所施加直流電源的直流電壓梯度為0. 5-2v/cm，脈衝電源的 正脈衝峰值電壓梯度為0. 5-2v/cm,正脈衝頻率為0. 017-25HZ,正脈衝佔空比50-98%，正 脈衝施加時段600s-1200s，反脈衝峰值電壓梯度為0. 5-2v/cm,反脈衝頻率為0. 017-25HZ, 反脈衝佔空比為50-98 %，反脈衝施加時段3-30s的電源操作條件取值範圍內，運行時間 24h後，脈衝法相對於直流法陽極脫除S04_2的效率普遍為112-153%;也就是說，在運行24h 之後，脈衝法比之於直流法其陽極脫除S04_2的效率普遍提高了 12% -53%左右，這基本與 陰極脫除銅離子的效率(10-55% )相當。2)兩種方法從土壤中原位脫除苯酚的短歷時(24h)運行系列比較實驗配製土壤樣，使其內含苯酚量為500mg/kg。在試樣初始條件完全相同，而且直流 電源的直流電壓梯度為lv/cm，脈衝電源的正脈衝峰值電壓梯度為0. 5v/cm，正脈衝頻率為 1HZ，正脈衝佔空比60%，正脈衝施加時段1200s，反脈衝峰值電壓梯度為lv/cm，反脈衝頻率為1HZ，反脈衝佔空比為60%，反脈衝施加時段20s的電源操作條件下，同時運行24h之 後，分別取處理后土樣化驗測定其中苯酚的殘留量。化驗結果是脈衝電動力學與直流電動 力學處理土樣中的苯酚殘留量分別為121. 5mg/kg和246. 2mg/kg,即是脈衝法與直流法的 苯酚脫除率分別為75. 7%和50. 76% ；也就是說，在運行24h之後，脈衝法比直流法陽極脫 除苯酚的效率高出24. 94% ；由數次具體實驗歸結而得的規律表明脈衝電動力學法除了對重金屬離子脫除效 果比直流電動力學法優異之外，對其它汙染離子也有著比直流電動力學法優異的的脫除效 ^ ο由上述一系列實例概括出的幾點重要結論是1在一次開機後即不停機連續運行時間超過120h(5d)的「長曆時」運行模式下，原 有直流電動力學法已經不能再堅持有效運行而是必須多次調整電源提高電壓或多次停機 清洗電極和調整PH值，而脈衝電動力學法則仍能繼續保持初始電源參數不變條件下高效 運行；因此，對於長曆時運行而言，脈衝電動力學法遠遠勝於直流電動力學法，或者乾脆說 二者之間幾乎失去可比性。2在短歷時(24h)對比運行模式下，脈衝電動力學法原位脫除重金屬離子的效率 也總是優於直流電動力學法。3實驗證實在去除重金屬以外的其他汙染離子方面，脈衝電動力學法的效率也 是優於直流電動力學法。4總而言之，實驗證實無論是長曆時(大於120h)或者是短歷時(24h)對比運行， 無論是去除重金屬離子或者是其他汙染離子，脈衝電動力學法都比直流電動力學法優異， 由此可見本專利方法的先進性。本發明所提供的方法，以不對環境產生二次汙染的方式，徹底克服了原有直流電 動力學原位脫除重金屬離子方法難以克服或者難以以不產生二次汙染的方式克服因而導 致其運行高能耗低效率的三種電極極化現象(活化極化、電阻極化、濃差極化)，從而極大 提高了在土壤中或者泥狀粉狀廢棄物料中採用已有直流電動力學方法原位遷移脫除其中 可溶性重金屬離子的效率。實驗還證實，本發明方法不僅對原位脫除土壤或物料中重金屬離子具有高效低耗 性能，而且對其中的其他汙染正負離子或基團也同樣具有脫除的高效低耗性能。因此，本發 明方法作為一種先進的綠色處理技術必將獲得日益廣泛的應用前景。
權利要求
一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是在含有可溶性重金屬離子的土壤或物料堆上直接插入陰電極和陽電極，陰電極和陽電極的驅動電源為脈衝電源，脈衝電源輸出的脈衝電壓正極接陽電極，負極接陰電極。
2.如權利要求1所述的一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是脈衝電源交 替產生單一正向脈衝波和單一反向脈衝波電壓輸出，正向脈衝波施加時段與反向脈衝波施 加時段自動周期性交替倒換。
3.如權利要求2所述的一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是脈衝電源輸 出的正向脈衝峰值電壓為0-200V，正向脈衝頻率為0-100HZ，正向脈衝佔空比為50 98%， 正向脈衝連續施加時段為0-48h ；脈衝電源輸出的反向脈衝峰值電壓為0-200V，反向脈衝 頻率為0-100HZ，反向脈衝佔空比為50 98%，反向脈衝連續施加時段為0_24h。
4.如權利要求3所述的一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是脈衝電源的 正向脈衝和反向脈衝輸出波形有方波和正弦半波兩種選擇轉換模式。
5.如權利要求1所述的一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是在含有可溶 性重金屬離子的土壤或物料堆上分別開挖溝槽作為陰電極室和陽電極室，在陰電極室插入 陰電極，在陽電極室插入陽電極。
6.如權利要求1所述的一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是在含有可溶 性重金屬離子的土壤或物料堆上直接插入的陰電極和陽電極是帶有電極室的組合電極，至 少有一對組合電極分別作為陰電極和陽電極。
7.如權利要求6所述的一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是組合電極由 電極室(8)和電極(3)構成，電極室(8)上部設有螺旋上端蓋(4)，電極室(8)底部設有圓 錐形螺旋下端蓋(9)，螺旋下端蓋(9)底部是釘入錐(10)，電極(3)安裝在電極室(8)的中 部，分別固定在螺旋上端蓋(4)和螺旋下端蓋(9)上，電極(3)上設有密封絕緣蓋(2)和電 極進線柱(1)。
8.如權利要求7所述的一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是電極室(8) 是由孔管狀外殼(7)圍成的空間，孔管狀外殼(7)與螺旋上端蓋(4)和螺旋下端蓋(9)用 螺紋連接，孔管狀外殼(7)內壁設有過濾膜(6)，過濾膜(6)用孔管狀支架(5)安裝在孔管 狀外殼(7)上。
9.如權利要求7所述的一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是在電極室 (8)內設有電導傳感器(3)、電極室液注入/抽取管(11)，電導傳感器(3)和電極室液注入 /抽取管(11)固定在螺旋上端蓋(4)上。
10.如權利要求6所述的一種原位脫除可溶性重金屬離子的方法，其特徵是組合電極 採用點陣布置方式，以一個陰電極為中心，周圍布置1 20個陽電極，陰電極與陽電極的最 佳距離是最佳電位梯度的距離，陰電極並聯後與脈衝電源負極連接，陽電極並聯後與脈衝 電源正極連接。
全文摘要
本發明涉及一種從土壤中或者從泥狀粉狀堆積物中原位脫除可溶性重金屬離子的方法。本發明方法是在含有可溶性重金屬離子的土壤或物料堆上直接插入陰電極和陽電極，陰電極和陽電極的驅動電源為脈衝電源，脈衝電源輸出的脈衝電壓正極接陽電極，負極接陰電極。本方法提供了一種能產生強衝擊電場力的脈衝電源，消除原有直流電動力學法無法克服的三種電極極化現象，對環境無二次汙染，極大提高了在土壤中或者泥狀粉狀廢棄物料中採用已有直流電動力學方法原位遷移脫除其中可溶性重金屬離子的效率。
文檔編號C22B7/00GK101838740SQ201010147868
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者張智良, 查振林, 羅亞田, 董有 申請人:中鋼集團武漢安全環保研究院有限公司;中鋼武漢安環院華安設計工程有限公司;武漢理工大學