鐵鹽強化電動修復電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤裝置的製作方法

2023-10-09 13:24:44

本實用新型涉及一種電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤的修復裝置，特別是一種鐵鹽強化電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤的電動力學修復裝置。

背景技術：

隨著科技的快速發展，新的環境殺手電子垃圾已成為迅猛增長的種類繁多的固體電子廢棄物。固體電子廢棄物一般分為兩類：一類是所含材料比較簡單，拆解對環境危害較輕的廢舊電子產品，如電冰箱、洗衣機、空調機等家用電器以及科研和醫療電器等；另一類是所含材料比較複雜，拆解對環境危害極大的廢舊電子產品，如計算機，電視機顯像管內的鉛，計算機元件中含有的砷、汞及其它有害物質，手機原材料中的砷、鎘、鉛以及其它多種有毒物質等。

在國外廢舊電子垃圾拆解業正在演變為一個獨立行業，有效拆解處理電子垃圾一方面可以使資源循環利用，回收電子產品中的貴金屬；另一方面避免了電子垃圾汙染環境，獲得環保、經濟的雙重效益。但是在我國由於電子垃圾處理行業還不成熟不規範，存在諸多問題，小作坊式拆解主要採取溶融、熱融化、酸浸泡、焚燒等方式，大量的種類繁多的固體電子廢棄物汙染了土壤，從而導致嚴重的重金屬環境汙染，直接影響到人們的生存安全。因此，解決電子垃圾拆解地土壤中的汙染物，恢復其土壤的原有功能，日益引起了國內外學者們的關注，也成為當前環境汙染治理的重之中重。

現有重金屬汙染土壤修復的方法主要包括電動力學修復法，螯合劑修複方法，鈍化修複方法，可滲透反應牆方法等。其中電動力學修復法是將電極插入受汙染的土壤並通入直流電，土壤中的汙染物質在外加電場作用下發生定向移動並在電極附近累積，定期將電極抽出處理，可將汙染物去除。電動力學修復技術以其可以有效的去除土壤中的有機和無機汙染物，並且相比傳統的土壤修復技術具有成本低、操作簡單、接觸毒害物質少、不易造成二次汙染等優點，近年來在國內外發展的越來越快，同時也有一些實際應用的工程案例，其電動力學修復技術的原理是在汙染土壤兩端加上低壓直流電場，利用電場產生的電滲析、電遷移和電泳等電動效應，使水溶的或者吸附在土壤顆粒表層的汙染物根據各自所帶電荷的不同而向不同的電極方向運動，使汙染物富集在電極區得到集中處理或分離。其中電滲析是土壤中的孔隙水在電場作用下從陰極向陽極方向流動；電遷移是帶電離子向電性相反的電極方向遷移；電泳是土壤中帶電膠體粒子的遷移運動，但由於電極反應會在陰、陽極分別產生大量的OH-和H+，使得陰極和陽極電解液的pH值分別升高和降低，如果沒有外加限制，在OH-和H+相遇處會產生pH突變，使得重金屬沉積堵塞土壤孔隙，降低了修復效率。同時當電解液為水時，電解的效率不高。在大多數的電動力學實驗裝置中，都會因為人為因素產生各種實驗誤差，導致較低的修復效率。電動力學修復實驗中最重要的影響因素是pH，為了控制pH的影響，研究提供了很多修復的裝置及其方法，如極性交換裝置及其方法，離子交換膜裝置及其方法，緩衝溶液裝置及其方法等，這些裝置及方法在一定程度上提高了修復效率，但是也增加了實際應用的複雜性。

本實用新型通過向陰極添加導電性溶液可以促進電動效應，利用鐵鹽溶液作為陰極電解液時，不僅可以促進電動效應，還能消耗電解產生OH-，通過與陽離子膜法結合可以有效的控制OH-進入土壤，改善土壤pH值，提高電動力學修復效率。

技術實現要素：

本實用新型針對現有技術中陰極電解水產生的氫氧根離子進入土壤修復區形成鹼性帶，使重金屬離子發生沉澱，抑制電動力學修復，現有一些控制pH的技術存在操作成本高，實際應用複雜的問題，本實用新型提供一種用於電子垃圾汙染土壤的電解液自動修復裝置，以較低的操作成本，控制修復體系中汙染土壤的pH值。

為實現上述目的，本實用新型採用鐵鹽作為陰極電解液，Fe(Ш)與陰極電解產生的OH-生成沉澱，消耗一部分OH-，與加入的陽離子膜結合，可有效的控制土壤的pH值，具體控制修復體系中汙染土壤pH值的電解液自動修復裝置的技術方案如下。

一種鐵鹽強化電動修復電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤裝置，包括電控制結構和電解槽結構；其特徵在於：所述電控制結構與所述電解槽結構是通過氣體出口契合在一起，並利用鐵鹽電解液對電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤進行電動修復；

所述電控制結構是位於電解槽結構的上方，其中陽極pH控制室是由pH感應導線連接陽極pH感應探頭延伸至陽極室中部，實時監測pH值的變化，通過感應器控制泵入電解液；陽極加藥罐是通過陽極加液管延伸至陽極室，通過電控閥來控制進藥量；酸液儲備室是通過陽極泵提昇陽極電解溢出液，並連通多個陰極酸液管及其相應的酸液噴頭延伸至土壤室上方，通過電控制閥門控制周期性的噴入酸液調節陰極土壤pH；陰極加藥罐是通過陰極加藥管延伸至陰極室，通過電控閥來控制進藥量；陰極pH控制室是由pH感應導線連接陰極pH感應探頭延伸至陰極室中部，實時監測pH值的變化，通過感應器控制泵入電解液；各控制線連接於設定好參數的電腦，進行實時檢測與控制，實現對電子垃圾汙染土壤的電動修復；

所述電解槽結構是一凹型槽，其中陽極電解液溢出口和陰極電解液溢出口位於通風口下方與電極上方；陽極電解液進口管和陰極電解液進口管位於陽極室和陰極室的中下部位；陽極電極和陰極電極通過凹型槽固定於陽極室和陰極室相同水平的中部；土壤室通過凹型槽和孔隙隔板固定在整個電解槽中部，其中靠近陰極室的一側是碳纖維室，通過凹型槽和空隙隔板與土壤室隔開；陽離子膜處於碳纖維室和陰極室之間，在陽極室底端設置有曝氣裝置調節電解液，接通外接電源進行電動修復。

具體的技術方案還在於：所述陽極室、陰極室與土壤室、碳纖維室的容積比是2：2：5-20：1；所述土壤室和陰極室間設置有吸附層和陽離子膜（32），所述吸附層是活性碳纖維層；所述活性碳纖維層的寬度是5-20 cm，質量是10-150 g；所述電極是石墨外接電源的電壓是5-50V；所述電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤的修復時間是36-500小時；所述陽極室的檸檬酸濃度是0.1-6 g/L，陰極室的鐵鹽溶液濃度是0.02-10 mol/L，所述鐵鹽是Fe2(SO4)3或者是Fe(NO3)3、FeCl3；所述陽極電解液和陰極電解液與土壤室的高度相同。

一種鐵鹽強化電動力學修復電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤的修復裝置的修複方法如下：

（1）將電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤置於土壤室，向炭纖維室中加入活性炭纖維，然後將陽離子膜附著在孔隙隔板上由濾紙包裹；

（2）陰極pH控制室和陽極pH控制室通過陰極pH感應探頭和陰極pH感應探頭感應電解液的pH值，通過陰極泵和陽極泵控制泵的陰極電解液和陽極電解液，並對電解液的pH進行調節；

（3）電控制結構和電解槽結構通過氣體出口結合，電動修復裝置進行電動修復。

本實用新型上述所提供的一種鐵鹽強化電動修復電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤的修復裝置，與現有技術相比，其特點在於本裝置在陽極室內設置有曝氣裝置，使電解液混合均勻；通過在陰極和陽極設置流量恆流泵和調節閥，使兩極室液位與電解槽中土壤的高度平齊；本裝置在電動力學方面將鐵鹽作為陰極電解液與陽離子膜法結合，很好的控制了土壤的pH值，保持了酸性環境，提高了修復效率；本裝置由於電動效應存在電遷移作用，即帶電離子向電性相反的電極方向進行遷移，陰極電解液中存在的Fe3+並不會進入土壤，不會造成二次汙染；本裝置在活性炭纖維室中設置有活性炭纖維，吸附電解產生的氣體和鹽類物質以及一些細菌；本裝置將電控制結構與電解槽結構通過通風口契合在一起， 實現了鐵鹽電解液對電子垃圾汙染土壤的電動修復，通過移動軌道更換裝置B實現連續式處理；本裝置在陰極室和陽極室設有pH感應探頭，實時監測陰極室和陽極室電解液pH值，並進行調節提高了電解修復效率；本裝置在電動力修復過程中實現了自動化，減少了人為因素帶來的修復誤差，且在在組合處設計了通風口，用於排出電解時產生的氣體。

附圖說明

圖1是本裝置的結構示意圖。

圖2是本裝置的電控制室結構示意圖。

圖3是本裝置的電解槽結構示意圖。

圖中：1：陽極pH控制室；2：陽極加藥罐；3：外接電源；4：酸液儲備室；5：陰極加藥罐； 6：陰極pH控制室；7：陽極室；8：土壤室；9：碳纖維室；10：陰極室；11：陰極電極；12：陰極pH感應探頭；13：陰極加藥管；14：酸液噴頭；15：陰極酸液管；16：陽極泵控制線；17：陽極電解溢出液提升泵；18：氣體出口；19：陰極電解液溢出口；20：陰極泵控制線；21：陰極電解液進口管；22：陰極泵；23：陽極電極；24：陽極pH感應探頭；25：pH感應導線；26：陽極加藥管；27：陽極電解液進口管；28：陽極泵；29：陽極電解液溢出口；30：陽極酸液管；31：曝氣裝置； 32：陽離子膜。

具體實施方式

下面對本實用新型的具體實施方式作出進一步的說明。

實施一種鐵鹽強化電動修復電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤的修復裝置，該裝置包括電控制結構和電解槽結構；其中：所述的電控制結構與所述電解槽結構是通過氣體出口18契合構成一整體，並通過鐵鹽電解液對電子垃圾汙染土壤的電動力學修復。

具體實施一種電控制結構，該結構是位於電解槽結構的上方水平位置，其中，該陽極pH控制室1是由pH感應導線25連接陽極pH感應探頭24延伸至陽極室7的中部，用於實時監測pH值的變化情況，並通過感應器控制泵入電解液；該陽極加藥罐2是通過陽極加液管26延伸至陽極室7中，並通過電控閥來控制進藥量；該外接電源3的電壓是5-50 V；該酸液儲備室4是通過陽極泵28提昇陽極電解溢出液，並連通多個陰極酸液管15及其相應的酸液噴頭14延伸至陰極土壤室8上方，在電控制閥門下周期性的噴入酸液調節陰極土壤pH；陰極加藥罐5是通過陰極加藥管13延伸至陰極室10，並通過電控閥來控制進藥量；陰極pH控制室6是由pH感應導線25連接陰極pH感應探頭12延伸至陰極室10中部，實時監測pH值的變化，並通過感應器控制泵入電解液；各控制線連接於設定好參數的電腦，進行實時檢測與控制，實現對電子垃圾汙染土壤的自動化修復。

具體實施一種電解槽結構，該結構是一凹型槽，其中陽極電解液溢出口29和陰極電解液溢出口19位於氣體出口18下方與電極上方；陽極電解液進口管27和陰極電解液進口管21位於陽極室7和陰極室10的中下部位；陽極電極23和陰極電極11通過凹型槽固定於陽極室7和陰極室10相同水平的中部；土壤室8通過凹型槽和孔隙隔板固定在整個電解槽中部，其中靠近陰極室10的一側是碳纖維室9，通過凹型槽和空隙隔板與土壤室8隔開；陽離子膜32位於碳纖維室9和陰極室10之間，通過附著濾紙的空隙隔板隔開；土壤室8與碳纖維室9位於電極中部，氣體出口18位於陽極電解液溢出口29和陰極電解液溢出口19的上方，在陽極室7底端設置有曝氣裝置31調節電解液，通過外接電源進行電動修復。

在上述實施方式中，該陽極室10和陰極室7與土壤室8、碳纖維室9的容積比是2：2:5-20:1；陽極室7的檸檬酸濃度是0.01-6 g/L，陰極室10的鐵鹽溶液濃度是0.02-10 mol/L；該土壤室8和陰極室10間設置有吸附層和陽離子膜32，該吸附層是活性碳纖維層，其寬度是5-20 cm，質量是10-150 g。

在上述實施方式中，電極是石墨材質，高度與汙染土壤深度基本一致，或略高出3-6 cm，長度與汙染土壤寬度一致，或略窄的板狀電極，穩壓直流電源輸出能保證施加在土壤的電壓梯度≥0.5 V/m，所採用的外接電源的電壓是5-50 V，在對電子垃圾汙染土壤的自動化修復時，電極室進水和排水是由電控閥調節控制，採用可編程邏輯控制器或計算機系統遠程控制整套工藝過程，實現自動管理電磁閥進液和出液以及故障監控報警，並保證陽極電解液和陰極電解液與土壤室8的高度相同。

在上述實施方式中，用於電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤電動力學修復裝置的修複方法如下：

（1）將電子垃圾拆解地重金屬汙染土壤置於土壤室8，並將土壤室8置於電解槽結構中的相應位置，後向碳纖維室中加入活性碳纖維，然後將陽離子膜附著在孔隙隔板上用濾紙包裹。

（2）陰極pH控制室6和陽極pH控制室1通過陰極pH感應探頭24和陽極pH感應探頭12監測電解液的pH值，通過陰極泵22和陽極泵28控制泵入陰陽極電解液，對電解液的pH進行調節。

（3）電控制結構和電解槽結構通過氣體出口18結合為電解液自動修復裝置進行電動修復，電動修復時間是36-500小時。

（4）將修復後的土壤室8提升置換為下一個土壤修室8進行修復，實現連續修復處理電子垃圾汙染土壤，並在置換土壤室8的同時，對土壤室8進行機械清洗，或者置換電極和活性碳纖維。

在上述實施電動力學修復修復時，在陰極和陽極內設置曝氣裝置31，用於電解液攪拌均勻，減小濃差極化，使陽極電解產生的O2排出室外，減小電化學極化，節約能耗；修復過程中陰極電解溶液採用鐵鹽替代其他電解液，避免了陰極電解產生的氫氧根離子進入修復區，形成鹼性帶而影響修復效率，陽極電解產生H+進入電解槽使土壤酸化，促進重金屬的遷移，電解槽中設置的活性炭纖維吸附產生的氣體和重金屬鹽類物質。

下面結合附圖通過具體實施例作出進一步說明。

實施例1

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用1 mol/L FeCl3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：76.2%、70.41%、71.23%。

實施例2

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用3 mol/L FeCl3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：79.76 %、73.64 %、74.16 %。

實施例3

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用5 mol/L FeCl3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：82.46 %、74.12 %、74.84 %。

實施例4

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用7 mol/L FeCl3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：83.92%、74.72%、75.74%。

實施例5

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用9 mol/L FeCl3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：85.27 %、75.93 %、76.78 %。

實施例6

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45%，放置於電解槽中，陰極電解液使用1 mol/L Fe2(SO4)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：78.6%、71.5%、72.4%。

實施例7

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45%，放置於電解槽中，陰極電解液使用3 mol/L Fe2(SO4)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：80.56 %、74.12 %、75.39 %。

實施例8

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45%，放置於電解槽中，陰極電解液使用5 mol/L Fe2(SO4)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：83.2 %、75.13 %、76.82 %。

實施例9

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45%，放置於電解槽中，陰極電解液使用7 mol/L Fe2(SO4)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：84.85%、75.83%、77.16 % 。

實施例10

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45%，放置於電解槽中，陰極電解液使用9 mol/L Fe2(SO4)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：86.18 %、76.95 %、77.24 % 。

實施例11

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用1 mol/L Fe(NO3)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：79.5%、74.01%、75.14%。

實施例12

將將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用3 mol/L Fe(NO3)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：82.2%、75.41%、76.23%。

實施例13

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用5 mol/L Fe(NO3)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：84.6 %、76.5 %、77.4 % 。

實施例14

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用7 mol/L Fe(NO3)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：85.5 %、77.3 %、78.2 % 。

實施例15

將土樣pH值為7.45、鉛、鎘、鋅濃度分別是150、15、750 mg/kg的電子垃圾拆解地汙染土壤3000.0 g，調整土壤的含水率為45 %，放置於電解槽中，陰極電解液使用9 mol/L Fe(NO3)3溶液，陽極為0.5 g/L檸檬酸溶液，修復過程通過恆流泵加入鐵鹽溶液維持電解液的濃度。修復400 h後得到Pb、Cd、Zn的去除率分別為：87.3 %、78.13 %、78.6 % 。

當利用鐵鹽作為陰極電解液時，提高鐵鹽的濃度對重金屬的去除率有一定的促進效果。

上述實例只是具體應用中列舉的幾種，本實用新型並不局限於這幾種具體的實施方案，本領域內的普通技術人員都可在實用新型的權利要求範圍內，做出多種形式的具體實施方案，這些實施方案都屬於實用新型的保護範圍。