CN104959377B - 一种应用双极膜技术去除土壤中铬的电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可同时去除土壤中三价铬和六价铬的双极膜电解槽。本发明所涉及的双极膜电解槽，为长方体槽状结构，电解槽内由阳极、阴离子交换膜和阴极依序排列而成，并自然分隔为阳极室和阴极室，阳极和阴极分别与直流电源的正负两极相连接，其特征是在阳极和阴离子交换膜之间设置有由阴离子交换膜、双极膜和阳离子交换膜构成的土壤处理单元，由此将电解槽分隔为阳极室、土壤室、土壤室、金属离子室和阴极室，双极膜和离子交换膜之间为土壤室。本发明构建的电解槽，无需外加酸或其它阴离子，节约了成本；可同时去除三价铬和六价铬；可串联，通过一对阴、阳电极处理多个土壤室，从而提高电流效率和电槽空间利用率，降低能耗和成本。

Description

一种应用双极膜技术去除土壤中铬的电解槽
技术领域
本发明涉及一种环境污染治理设备技术领域，特别涉及一种应用双极膜技术同时去除土壤中三价铬和六价铬的电解槽。
背景技术
随着城市化进程的加快、铬工业的高速发展，城市污水、垃圾、污泥以及各种工业铬渣成为了土壤铬的一个主要来源。铬通常以Cr3+和Cr6+两种稳定价态存在于土壤中。Cr3+可被吸附固定，极易被土壤胶体吸附或形成沉淀；Cr6+主要以HCrO-和CrO4 2-的形态存在，具有溶于水、化学活性大、毒性强的特点，是土壤铬污染中的主要污染物。
目前，国内外处理铬污染土壤的方法主要有：1)固化稳定法：将铬污染土壤与黏合剂充分混合，将铬包埋在固体基质中，降低铬迁移能力，该方法无法对土壤中的铬离子进行消除，铬仍然存留在土壤环境中；2)化学还原法：利用还原剂将Cr(Ⅵ)还原并形成难溶化合物沉淀，但还原效果不够彻底，对于颗粒内部的Cr(Ⅵ)难以接触并还原；2)淋洗法：常用淋洗剂有无机酸、有机酸、表面活性剂、人工螯合剂或水，会产生大量的污水，容易造成地下水的污染；3)电动化学法：铬金属在外加电场作用下，迁移至电极附近，再通过其它方法去除，能耗较大；4)植物修复法：植株小，处理速度慢，植株高大对重金属耐受力差；5)微生物修复法：时效慢，培养条件苛刻，微生物难成活。单一技术都有其局限性，无法在实际应用中加以推广。
双极膜是一种新型的离子交换复合膜，利用双极膜技术修复铬污染土壤，具有电流效率和电槽空间利用率高、电极表面副反应少、能耗低、无需外加大量酸溶液、不产生二次污染等优点。双极膜技术去除土壤中铬的基本原理是双极膜在直流电场作用下，中间界面层中水发生解离，源源不断生成氢离子(故无需外加酸溶液，不会产生大量污水)和氢氧根离子，氢离子透过双极膜的阳膜层进入土壤室中把土壤中的三价铬阳离子洗脱出来，被洗脱出来的铬离子在电场作用下，进入金属离子室；同时双极膜中间界面层水解离产生的氢氧根离子，氢氧根离子透过双极膜的阴膜层进入另一土壤室，同时，该土壤室中六价铬阴离子向阳极移动，透过阴离子交换膜进入金属离子室，从而达到土壤中的三价铬离子和六价铬离子同时去除的目的。重金属离子在氢离子洗脱和电场作用下易于洗脱、迁移而从土壤中去除，应用双极膜技术去除土壤中铬的方法是将淋洗法和电动化学法有机结合起来，兼具二者优点，克服其缺点。本发明还可用于污泥、铬渣及其他固体废弃物中铬的去除。
发明内容
本发明提供一种安全有效的应用双极膜技术去除土壤中不同价态铬的电解槽。该电解槽利用双极膜技术同时去除土壤中的三价铬和六价铬，将淋洗法与电动化学法有机结合起来，处理后土壤中铬含量大幅减少，且不产生二次污染。
本发明所涉及的一种可同时去除土壤中三价铬和六价铬的电解槽，为长方体槽状结构，电解槽内由阳极、阴离子交换膜和阴极依序排列而成，并自然分隔为阳极室和阴极室，阳极和阴极分别与直流电源的正负两极相连接，其特征是在阳极和阴离子交换膜之间设置有1～3组由阴离子交换膜、双极膜和阳离子交换膜构成的土壤处理单元，由此将电解槽分隔为阳极室(金属离子室)、土壤处理单元和阴极室，双极膜和离子交换膜之间为土壤室。其中所述的土壤处理单元包含有土壤室、土壤室和金属离子室。
所述的双极膜，是特种离子交换膜，它是由阳膜层和阴膜层复合制成的阴、阳离子复合膜。
所述的双极膜，在面向土壤室的侧表面还设置有微孔陶瓷板。
所述的阳离子交换膜和阴离子交换膜，在面向土壤室的侧面还设置有微孔陶瓷板。
所述的多个由阴离子交换膜、双极膜和阳离子交换膜构成的土壤处理单元，如1～3个，形成两端头为阳极室(或金属离子室)和阴极室，中间为串联式的土壤室、土壤室、金属离子室……土壤室、土壤室、金属离子室……分室结构。
上述的电解槽中的双极膜在直流电场作用下，中间界面层中水发生解离，生成的氢离子透过双极膜阳膜层进入土壤室中，把土壤中的三价铬阳离子洗脱出来，被洗脱出来的三价铬阳离子在电场作用下，进入金属离子室；同时双极膜中间界面层水解离产生的氢氧根离子透过双极膜阴膜层进入另一土壤室中，置换六价铬阴离子向阳极移动，透过阴离子交换膜进入金属离子室，从而使土壤中的三价铬离子和六价铬离子同时去除。
本发明具有的优点和积极效果是：1、双极膜在直流电场作用下，中间界面层中水发生解离而产生氢离子和氢氧根离子，无需外加酸或其它阴离子，节约了成本，减少污水的产生。2、被洗脱出来的三价铬阳离子在氢离子洗脱和电场作用下易于洗脱、迁移而从土壤中去除。3、同时六价铬阴离子在氢氧根离子置换和电场作用下易于洗脱、迁移而从土壤中去除。4、可串联，从而提高了电流效率和电槽空间利用率、减少电极表面副反应发生、降低能耗和成本。
附图说明
图1是本发明所述的一种应用双极膜技术去除土壤中铬的电解槽结构示意图。
图2是本发明所述的一种设置多个土壤处理单元的应用双极膜技术去除土壤中铬的电解槽结构示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹结合附图，以实施例的方式做详细说明。
图1、图2中：1是电解槽；2是阳极；3是双极膜；4是微孔陶瓷板；5是阴离子交换膜；6是阳离子交换膜；7是阴极；Ⅰ是阳极室；Ⅱ是土壤室；Ⅲ是金属离子室；Ⅳ是阴极室。
实施例1
采用如图1所示的一种应用双极膜技术去除土壤中铬的电解槽，2个土壤室以双极膜隔开，土壤室与金属离子室用离子交换膜隔开，另外土壤与膜之间用微孔陶瓷板隔开。阳极和阴极分别与直流电源的正负两极相连接。
本实施例所处理的土壤中含有总Cr、Pb、Fe、Mn、Mg、Ca等重金属，电压梯度为1.0V/m，电极间距为18cm，***连续运行5d。阳极室和阴极室中均添加以0.5mol/L的Na2SO4溶液作为支持电解液，其液面高度与土壤平齐，土壤处理前后铬含量见表1。
表1：土壤处理前后铬含量(mg/Kg)
注：由阳极向阴极依次为土壤室1、2。
实施例2
采用如图2所示的一种设置多个土壤处理单元的应用双极膜技术去除土壤中铬的电解槽，相邻土壤室以双极膜隔开，土壤室与金属离子室用离子交换膜隔开，另外土壤与膜之间用微孔陶瓷板隔开，2个土壤处理单元交替串联。阳极和阴极分别与直流电源的正负两极相连接。
本实施例所处理的土壤中含有总Cr、Pb、Fe、Mn、Mg、Ca等重金属，电压梯度为1.0V/m，电极间距为36cm，***连续运行5d。阳极室和阴极室中均添加以0.5mol/L的Na2SO4溶液作为支持电解液，其液面高度与土壤平齐，土壤处理前后铬含量见表2。
表2：土壤处理前后铬含量(mg/Kg)
注：由阳极向阴极依次为土壤室1、2、3、4。
实施例3
采用如图2所示的一种设置多个土壤处理单元的应用双极膜技术去除土壤中铬的电解槽，相邻土壤室以双极膜隔开，土壤室与金属离子室用离子交换膜隔开，另外土壤与膜之间用微孔陶瓷板隔开，2个土壤处理单元交替串联。阳极和阴极分别与直流电源的正负两极相连接。
本实施例所处理的土壤中含有总Cr、Pb、Fe、Mn、Mg、Ca等重金属，电压梯度为1.0V/m，电极间距为36cm，***连续运行4d。阳极室和阴极室中均添加以0.5mol/L的Na2SO4溶液作为支持电解液，其液面高度与土壤平齐，土壤处理前后铬含量见表3。
表3：土壤处理前后铬含量(mg/Kg)
注：由阳极向阴极依次为土壤室1、2、3、4。
实施例4
采用如图2所示的一种设置多个土壤处理单元的应用双极膜技术去除土壤中铬的电解槽，相邻土壤室以双极膜隔开，土壤室与金属离子室用离子交换膜隔开，另外土壤与膜之间用微孔陶瓷板隔开，2个土壤处理单元交替串联。阳极和阴极分别与直流电源的正负两极相连接。
本实施例所处理的土壤中含有总Cr、Pb、Fe、Mn、Mg、Ca等重金属，电压梯度为1.0V/m，电极间距为36cm，***连续运行6d。阳极室和阴极室中均添加以0.5mol/L的Na2SO4溶液作为支持电解液，其液面高度与土壤平齐，土壤处理前后铬含量见表4。
表4：土壤处理前后铬含量(mg/Kg)
注：由阳极向阴极依次为土壤室1、2、3、4。

Claims (4)

1.一种可同时去除土壤中三价铬和六价铬的双极膜电解槽，为长方体槽状结构，电解槽内由阳极、阴离子交换膜和阴极依序排列而成，并自然分隔为阳极室和阴极室，阳极和阴极分别与直流电源的正负两极相连接，其特征是在阳极和阴离子交换膜之间设置有1～3组由阴离子交换膜、双极膜和阳离子交换膜构成的土壤处理单元，由此将电解槽分隔为阳极室、土壤处理单元和阴极室，土壤处理单元中双极膜和阴离子交换膜之间以及双极膜和阳离子交换膜之间均为土壤室，其中所述的土壤处理单元包含有土壤室和金属离子室。
2.根据权利要求1所述的一种可同时去除土壤中三价铬和六价铬的双极膜电解槽，其特征是所述的双极膜是特种离子交换膜，它是由阳膜层和阴膜层复合制成的阴、阳复合膜。
3.根据权利要求1所述的一种可同时去除土壤中三价铬和六价铬的双极膜电解槽，其特征是所述的双极膜，在面向土壤室的侧表面还设置有微孔陶瓷板。
4.根据权利要求1所述的一种可同时去除土壤中三价铬和六价铬的双极膜电解槽，其特征是所述的阴离子交换膜和阳离子交换膜，在面向土壤室的侧面还设置有微孔陶瓷板。
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