CN109731905B - 一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置及方法，该装置为在电动修复装置阴极一侧增设离子交换膜，阻止阴极电解产生的OH^‑迁移。在电场作用下，阳极电解产生的H⁺向阴极迁移，而阴极产生的OH^‑被离子交换膜隔离，聚集在离子交换膜内侧，不会在电场作用下向阳极迁移，避免了与H⁺接触并发生中和反应。随着H⁺的迁移，两个电极之间的土壤/底泥逐步被酸化，使得污染物解离进入孔隙水。解离后的污染物在电场作用下，随孔隙水迁移至阴极附近，一部分污染物通过抽排阴极附近的电渗流而去除，另一部分污染物渗透到离子交换膜内侧，与聚集在阴极的OH^‑发生中和、沉淀反应，实现土壤/底泥污染物自主可控的电动酸化解离去除。

Description

一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置及方法

技术领域

本发明涉及资源保护与环境治理领域，具体是一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置及方法。

背景技术

目前世界上很多国家及地区的土壤和河湖底泥受到重金属等的严重污染。土壤和河湖底泥的污染带来一系列严重问题，并逐渐威胁到了粮食安全和人类生存环境。电动修复技术是一项可以实现从土壤/底泥中分离污染物的技术，其原理为在电场的作用下，通过电迁移或电渗流等方式，将污染物从土壤/底泥中分离并去除。电动修复技术作为一种新兴技术仍处在发展阶段，电解过程中因电极极化而产生的pH不均衡问题和聚焦效应是制约该技术应用发展的主要技术瓶颈。

电动修复过程中电解水阳极产生O₂和H⁺，阴极产生H₂和OH^-，其反应方程如下：

阳极:2H₂O-4e^-→O₂+4H⁺(E₀＝-1.229V)

阴极:2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-(E₀＝-0.828V)

阳极产生的H⁺使得阳极区呈现酸性，阴极产生的OH^-使得阴极区呈现碱性。带正电的H⁺向阴极迁移，带负电的OH^-向阳极迁移，形成酸性迁移带和碱性迁移带，在短时间内阳极pH降低至3以下，阴极pH升高至12以上。阴极区域产生的OH^-与重金属离子形成氢氧化物沉淀，只能使污染物在一定范围内定向迁移，无法实现污染物的彻底分离(即聚焦效应)。同时因两极溶液迁移引起的pH变化会影响土壤中离子的吸附-解吸、沉淀-溶解、电渗流方向和速度，直接或间接的对土壤/底泥中污染物的存在形态和迁移特征产生重大影响，进而影响污染物去除效率。阳极在较低pH环境下会被腐蚀，金属离子则在阴极表面沉积，电流效率和污染物去除率也因此而大幅降低。因此，在电动修复过程中控制H⁺的定向迁移，使足够的H⁺酸化解离污染物是改进电动修复技术的关键。

近年来，为解决电动修复过程中污染物的自主酸化解离问题，众多科研人员从通电方式、工艺组合优化、电极结构改善、电解液调节等方面做了很多研究。目前，国内外公开了一些土壤/底泥污染物的电动修复技术装置。公开号为CN103962372A的专利公开了一种阴极逼近法修复铯污染土壤的装置及其修复方法，该装置的处理方法是将阴极固定，随着电动修复的进行，变换阳极的使用，将污染物不断向阴极逼近，将土壤中的污染物铯集中富集在特定阴极区域，从而有效地将铯污染物迁移出受污染土壤中，以此减少受污染土壤的体积，随后采用吸附材料对铯污染物进行吸附并回收利用。公开号为CN106881339A的专利公开了一种拼装式原位淋洗与EKG电动协同去除土壤重金属的装置及方法，该装置在FeCl₃等淋洗剂的作用下原位酸化洗脱，利用电场作用迁移重金属，并将淋洗后的重金属溶液从土层分离储存，实现重金属的水土分离。公开号为CN100429507C的专利公开了一种控制并防止阴极OH^-扩散的方法，该专利通过一个底部陶瓷砂芯的玻璃套管，实现了通电后阳极pH不升高。公开号为CN203875110U的专利公开了一种土壤pH可控的电动修复装置，该装置通过分别向阴阳极加入缓冲溶液来调节电极极板附近pH。公开号为CN102527707A的专利公开了一种对重金属污染土壤的强化电动修复方法，该方法通过在阴阳两极的石墨或金属电极的表面附着活性材料层，从而形成具有可渗透反应性能的一体式复合电极，通过阴极可渗透反应层中和吸附电极反应产生的OH^-，避免阴极土壤pH升高，同时捕获吸附迁移而来的重金属。公开号为CN206527153U的专利公开了一种重金属污染土壤电动力学修复装置，该装置通过在阴极一侧的阳离子选择性透过膜避免了金属离子的过早沉淀，使金属脱除速度加快。

本发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：现有电动修复pH控制装置或技术存在较大不足：(1)采用阴极逼近法，需要频繁更换电极位置，实际上并未解决电动修复过程中阳极酸化、阴极碱化的问题；(2)采用缓冲溶液或淋洗剂法，需要添加化学试剂，成本较高，且添加化学试剂有可能导致二次污染；(3)采用复合电极、渗透反应墙或者改进电极结构等方式，其本质是中和吸附电极反应产生的OH^-，修复完成后复合电极则无法再次使用，成本较高；(4)现有阳离子交换膜技术将OH^-大量聚集在阴极而未能及时将电迁移而来的金属阳离子等污染物及时分离，这将使大量沉淀堆积在膜和电极表面，导致膜和电极的污染。

综上，在电动修复过程中本身就会产生H⁺和OH^-，如何采取措施实现污染土壤/底泥pH的控制，利用电动修复过程中阳极自发产生的H⁺，同时阻止OH^-向阳极迁移与H⁺接触，避免电动修复过程中的聚焦效应，使H⁺逐步迁移的过程中酸化污染土壤/底泥，提高污染土壤/底泥中污染物的解离率，将是解决此类污染问题的新思路，具有极大的环境、经济、社会效益和应用前景。

发明内容

本发明提供一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置及方法，能够阻止阴极的OH^-迁移，并在不添加淋洗化学试剂的条件下，利用电动修复过程中阳极自发产生的H⁺向阴极逐步迁移，并酸化污染土壤/底泥，提高土壤/底泥污染物的解离程度，操作简单，对土壤/底泥生态环境干扰小。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置，包括直流稳压电源、与直流稳压电源相连的除污电极，所述除污电极分为相对平行设置的阳极和阴极，分别与直流稳压电源的正极和负极相连，所述阳极包括无孔有机玻璃板、导水电极板、设于导水电极板右侧的带孔有机玻璃板、设于带孔有机玻璃板外侧的滤网，导水电极板与无孔有机玻璃板间隔密闭形成补液槽空腔，补水管与所述补液槽空腔连通，用于向所述补液槽空腔补水以实现阳极H⁺稳定的产生并向阴极迁移；所述阴极包括从依次设置的滤网、带孔有机玻璃板、离子交换膜、导水电极板和无孔有机玻璃板、以及设于导水电极板底部的孔隙水存储槽，所述孔隙水存储槽与带孔有机玻璃板与离子交换膜之间形成的空腔连通，所述离子交换膜用于将电解水产生的OH^-隔离以使更多的H⁺迁移到阴极附近。

进一步的，所述阳极还包括电极安装盖板，阳极部分的无孔有机玻璃板、导水电极板、带孔有机玻璃板、滤网通过电极安装盖板上的卡槽按顺序保持合适的间距固定，底部则密封固定在一个三角锥状底座上。

进一步的，所述阴极还包括电极安装盖板，阴极部分的滤网、带孔有机玻璃板、离子交换膜、导水电极板和无孔有机玻璃板通过电极安装盖板上的卡槽按顺序保持合适的间距固定，底部则与孔隙水存储槽密封连接。

进一步的，所述孔隙水存储槽采用上部方形柱状和下部倒三角锥状的结构。

进一步的，带孔有机玻璃板与滤网的开孔的高度和宽度相同。

进一步的，所述孔隙水存储槽与孔隙水外排导管连接，孔隙水外排导管与蠕动泵相连，蠕动泵可与补水管连通以在阳极附近区域酸化达到一定pH范围后，过补水管向导水电极板与无孔有机玻璃板之间形成的补液槽空腔补加水。

进一步的，除污电极的阳极和阴极组装后总体呈楔状构造，其高度约25cm，厚度约4cm。

进一步的，无孔有机玻璃板一侧自下而上标有刻度线。

进一步的，导水电极板的双面带有均匀的竖向布置的导水槽，导水电极板的内部设有与防水导线相连的金属导线，防水导线连接于直流稳压电源。

一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离方法，其采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

选定待处理区域后，将除污电极***土壤/底泥，相邻两个除污电极的间距不超过2.0m；

通直流稳压电源，待处理土壤/底泥内部的孔隙水发生电解反应，分别在阳极生成H⁺，在阴极生成OH^-，在电场作用下，H⁺***极迁移，而离子交换膜阻止OH^-向阳极迁移，避免与H⁺接触，随着H⁺的迁移，表层土壤/底泥酸度增加，促进土壤/底泥污染物的溶解、解吸和大量释放，将土壤/底泥污染物予以分离，并进入孔隙水；

在直流电场作用下，土壤/底泥中金属离子、NH₄ ⁺、H⁺阳离子向阴极导水电极板进行定向迁移，PO₄ ^3-，Cl^-、SO₄ ^2-、OH^-阴离子则向阳极导水电极板定向迁移，在发生电迁移的同时，进入孔隙水的污染物随孔隙水在电渗效应下从阳极导水电极板向阴极导水电极板定向迁移，受到电迁移与电渗的双重作用，污染物与孔隙水从待处理土壤/底泥中进行有效分离；

直流电场作用下，迁移到除污电极阴极附近的污染物或孔隙水，依次通过滤网和带孔有机玻璃板，进入带孔有机玻璃板与离子交换膜之间形成的空腔，然后汇入孔隙水存储槽，孔隙水外排导管与蠕动泵相连，自动将存储于孔隙水存储槽的孔隙水及其所含的污染物从土壤/底泥介质中分离与集中外排；另一部分渗透到离子交换膜内侧的污染物则与离子交换膜与阴极导水电极板之间产生的高浓度OH^-发生中和及沉淀反应而去除；

运行过程中，监测阳极附近区域pH和阴极附近蠕动泵的孔隙水出水量，当阳极酸化达到一定pH范围(例如<3.0)后，将蠕动泵与补水管相连，向阳极补加水，待蠕动泵的孔隙水出水明显减少时，即可停止电动脱水除污操作。

由于采用了上述方案，本发明可对电动修复过程中的pH控制，具有如下有益效果：

(1)以电动修复过程中阳极自发产生的H⁺为土壤/底泥酸化解离提供H⁺来源，通过在阳极附近补给水分，在电场作用下，可以实现阳极H⁺稳定的产生并向阴极迁移。在电场作用下，H⁺及其解离的阳离子污染物随水迁移导排至阴极一侧，实现了对修复土壤/底泥的酸化，这样无需外加化学试剂，即可实现污染物的活化解离，有效提高了电动修复效率；

(2)通过离子交换膜，阻止阴极电解产生的OH^-向阳极迁移，避免与H⁺接触、反应，使得H⁺可以完全迁移至阴极，实现对电极之间土壤/底泥的酸化而阳离子污染物等可以穿透离子交换膜，与膜内侧的OH^-相遇直接沉淀；离子交换膜还避免了OH^-与迁移过来的阳离子在阴极区附近沉淀，实现了原位电动修复过程中污染物的电动迁移富集向污染物与土壤/底泥有效分离的根本性转变。

附图说明

图1是本发明一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置的工作原理示意图；

图2是本发明除污电极中阳极的结构示意图；

图3是本发明除污电极中阴极的结构示意图；

图4是本发明中导水电极板的结构示意图。

图中：1-直流稳压电源，2-污染土壤/底泥，3-蠕动泵，4-1-防水导线，4-2-导水电极板，4-3-滤网，4-4-带孔有机玻璃板，4-5-无孔有机玻璃板，4-6-电极安装盖板，4-7-离子交换膜，4-8-孔隙水存储槽，4-9-孔隙水外排导管，4-10-补水管，5-橡胶软管。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。

请参阅图1-3，本发明基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置其中一个实施例，包括直流稳压电源1、与直流稳压电源1相连的除污电极，所述除污电极分为阴极(图2所示)和阳极(图3所示)，其中阴极部分与直流稳压电源1的负极相连，包括防水导线4-1、导水电极板4-2、滤网4-3、带孔有机玻璃板4-4、无孔有机玻璃板4-5、电极安装盖板4-6、离子交换膜4-7、孔隙水存储槽4-8、孔隙水外排导管4-9；阳极部分与直流稳压电源1的正极相连，包括防水导线4-1、导水电极板4-2、滤网4-3、带孔有机玻璃板4-4、无孔有机玻璃板4-5、电极安装盖板4-6、补水管4-10。

所述导水电极板4-2为通用电极，采用石墨材料制作，既可作阳极也可做阴极。本实施例中有2个导水电极板，分别位于阳极和阴极部分，相对平行设置，分别与直流稳压电源1的正极和负极相连，直流稳压电源1具有数显功能，且电压和电流可调节，并兼顾安装了整个基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置的电路控制(电源闭合断开、通电时间控制、电流/电压调节)与用电能耗计量设备。

请结合参考图4，导水电极板4-2安装于电极安装盖板4-6下方，导水电极板4-2上设有竖向的导水槽4-2-1和金属导线4-2-2，金属导线4-2-2穿出电极板后穿过电极安装盖板4-6与防水导线4-1相接，防水导线4-1连接于直流稳压电源1。

如图2所示，阳极侧的导水电极板4-2与无孔有机玻璃板4-5间隔密闭，形成间距为15mm的补液槽空腔，补水管4-10穿过电极安装盖板4-6与所述补液槽空腔相连。导水电极板4-2外侧间隔一定距离设有带孔有机玻璃板4-4，带孔有机玻璃板4-4外侧铺设有滤网4-3，带孔有机玻璃板4-4固定安装于电极安装盖板4-6下方。阳极一侧的电极板组件依次是无孔有机玻璃板4-5、导水电极板4-2、带孔有机玻璃板4-4和滤网4-3，通过电极安装盖板4-6上的卡槽按顺序保持合适的间距固定，底部则密封固定在一个三角锥状底座上；阴极一侧的电极板组件依次是滤网4-3、带孔有机玻璃板4-4、离子交换膜4-7、导水电极板4-2和无孔有机玻璃板4-5。

如图3所示，位于阴极一侧的无孔有机玻璃板4-5、导水电极板4-2、离子交换膜4-7、带孔有机玻璃板4-4、滤网4-3按照顺序组装，导水电极板4-2底部设有孔隙水存储槽4-8，所述孔隙水存储槽4-8与带孔有机玻璃板4-4与离子交换膜4-7之间形成的空腔连通，与导水电极板4-2则保持密封。带孔有机玻璃板4-4固定安装于电极安装盖板4-6下方，带孔有机玻璃板4-4外侧铺设有滤网4-3。

孔隙水存储槽4-8与孔隙水外排导管4-9连接，孔隙水外排导管4-9与蠕动泵3通过橡胶管相连，蠕动泵3将存储于孔隙水存储槽4-8的孔隙水及其所含的污染物进行集中抽排。所述孔隙水存储槽4-8可采用倒三角锥的结构，便于存储孔隙水和在土壤/底泥中插拔。

带孔有机玻璃板4-4为中下部有孔，上部无孔的结构，带孔有机玻璃板4-4与滤网4-3的开孔高度和宽度完全相同。带孔有机玻璃板4-4与滤网4-3的双重过滤拦截，防止了电动脱水除污过程中表层底泥颗粒随孔隙水流失侵入和堵塞导水电极板4-2的导水槽4-2-2。无孔有机玻璃板4-5的一侧自下而上标有刻度线，用于确定电极板***污染土壤/底泥深度。除污电极阳极和阴极组装后总体呈楔状构造，其高度约25cm，厚度约4cm，长度则可以根据场地实际情况灵活调整。

上述基于孔隙水导排的河湖污染底泥原位减量除污装置使用方法及原理如下：

将除污电极***底泥2，当接通直流稳压电源1后，在直流电场的作用下，表层底泥中的金属离子(Mⁿ⁺)、NH₄ ⁺、H⁺等阳离子向阴极侧的导水电极板4-2进行定向迁移，PO₄ ^3-、Cl^-、SO₄ ^2-、OH^-等阴离子则向阳极侧的导水电极板4-2进行定向电迁移。在发生电迁移的同时，进入孔隙水的污染物，还会随孔隙水一同，在电渗效应下从阳极导水电极板4-2向阴极导水电极板4-2定向迁移。

通电后，在与防水导线4-1相连的导水电极板4-2附近还会发生电解水反应，生成H⁺和OH^-。通过监测阳极附近区域pH当阳极酸化达到一定pH范围后，即通过补水管4-10向导水电极板4-2与无孔有机玻璃板4-5之间形成的补液槽空腔补加水，使阳极产生的H⁺在电场、电渗及水力梯度作用下向阴极发生迁移，从而缓解阳极一侧的极化现象。而在阴极导水电极板4-2一侧，由于离子交换膜4-7的存在，因电解水产生的OH^-被隔离，这样阴极和阳极之间的聚焦效应得到抑制，即更多的H⁺可以迁移到阴极附近，H⁺的增加会促进底泥中污染物的溶解、释放，并提高孔隙水中污染物的浓度。因此在电渗与电迁移的双重作用下，实现了污染物与孔隙水从表层底泥介质中的分离。通过补水减弱了阳极一侧的极化现象，并充分利用了极化产生的H⁺，离子交换膜4-7则有效抑制了聚焦效应，从而提高了孔隙水导排的效率。

迁移到除污电极阴极附近的土壤/底泥污染物或者孔隙水分子，依次通过滤网4-3和带孔有机玻璃板4-4，进入带孔有机玻璃板4-4与离子交换膜4-7之间形成的空腔，然后在重力作用下，汇入孔隙水存储槽4-8。在离子交换膜4-7的作用下，阴极产生的OH^-聚集在导水电极板4-2与离子交换膜4-7之间的空腔中。部分污染物则可以通过离子交换膜4-7进入到导水电极板4-2与离子交换膜4-7之间的空腔，与OH-发生中和及沉淀反应，实现污染物的沉淀分离。在导水电极板4-2不通电的情况下，孔隙水存储槽4-8还可以将导水电极板4-2上方底泥中的孔隙水进行集中收集排放。

离子交换膜对不同电荷的离子具有选择透过性。阳膜只允许通过阳离子，阻止阴离子通过。在外加直流电场作用下，水中离子作定向迁移。其制作方式是以线性高分子材料聚乙烯为载体，制成薄膜，以苯乙烯为导入离子交换基团的官能基单体，二乙烯基苯为交联剂；聚乙烯膜通过含浸苯乙烯、二乙烯基苯，在引发剂存在下水相加热共聚接枝，尔后浓硫酸磺化即可制得阳膜。离子交换膜电阻率低，膜面电阻3.5Ω.cm²，导电性能优良，能耗低，选择透过性高，厚度<0.3mm，交换容量约2meq/g，选择透过率可达98％以上，电流密度<100mA/cm²。

本发明通过在阴极附设置离子交换膜4-7，隔离阴极产生的OH^-，在电场作用下阳极产生的H⁺向阴极迁移，随着H⁺的迁移，两个电极之间的土壤/底泥逐渐被酸化，使得土壤/底泥中的污染物解离进入孔隙水。解离后的污染物在电场作用下，随孔隙水迁移至阴极附近，一部分污染物通过抽排阴极附近的电渗流而去除，另一部分污染物渗透到离子交换膜4-7内侧，与聚集在阴极的OH^-发生沉淀、中和反应，实现污染土壤/底泥的修复。

本发明利用一对除污电极、离子交换膜将污染土壤/底泥分割为产酸区、污染物酸化解离区、污染物分离去除区和产碱区。其中除污电极阳极为产酸区，除污电极阴极和阳极之间的区域为污染物酸化解离区，除污电极阴极的滤网4-3和离子交换膜4-7之间的区域为污染物分离区，离子交换膜4-7与除污电极阴极的导水电极板4-2之间的区域为产碱区。

在产酸区主要为阳极在通电条件下发生电解产酸反应，通过补加水驱动H⁺向污染物酸化解离区迁移，并保持阳极附近pH不低于某一设定值。该区域发生的主要反应为：2H₂O-4e^-→O₂+4H⁺。

在污染物酸化解离区主要为污染物在H⁺的作用下发生酸化解离和离子交换作用，同时在电场作用下，带正电荷的污染物离子向阴极附近迁移。该区域发生的主要反应为：H⁺+M_xO_y→Mⁿ⁺+H₂O，H⁺+M(OH)_n→Mⁿ⁺+H₂O，H⁺+R-Mⁿ⁺→Mⁿ⁺+R-H⁺。

在污染物分离区，污染物在电场作用下发生定向迁移，并随电渗流进入孔隙水存储槽4-8实现污染物与土壤/底泥的分离，孔隙水存储槽4-8中的污染物可通过蠕动泵抽排。

在产碱区主要为阴极极板在通电条件下发生电解产碱反应，而由于离子交换膜的隔离作用OH^-无法迁移，直到阳极一侧的污染物大量迁移至此后发生中和剂沉淀反应。

以下结合图1、图2和图3说明其具体实施过程：

1.了解待处理场地环境及土壤/底泥2污染状况，包括上土壤/底泥2中孔隙水含量与分布，污染物种类、含量及分布等基本参数。基于待处理场地的其他环境条件和土壤/底泥2中主要污染物的赋存特征，确定除污电极***土壤/底泥2的深度等。一般来说，表层0-10cm土壤/底泥2孔隙水含量高，含水率为70％-90％；随着土壤/底泥2的深度增加，孔隙水含量普遍呈下降趋势，当土壤/底泥2的厚度超过30cm时，含水率一般低于50％。为提高土壤/底泥2的脱水除污效率，一般建议选择污染物浓度高、孔隙水释放活跃的表层20cm土壤/底泥2进行处理。

2.选定待处理区域后，将除污电极***土壤/底泥2，一般根据除污电极无孔有机玻璃板4-5一侧的刻度线，确认除污电极是否***到设定深度。为减小直流电场对土壤/底泥生态环境的影响，除污电极的通电电压一般不超过30V，相邻两个除污电极的间距不超过2.0m，电压梯度控制在1V/cm以内。

3.接通直流稳压电源1，待处理土壤/底泥2内部的孔隙水发生电解反应，分别在阳极生成H⁺，在阴极生成OH^-。在电场作用下，H+会向阴极迁移，而离子交换膜4-7则阻止了OH^-向阳极迁移，避免了与H⁺接触。在阴极导水电极板4-2一侧，由于离子交换膜4-7的存在，聚焦效应得到抑制。随着H⁺的迁移，表层土壤/底泥酸度增加，促进土壤/底泥污染物的溶解、解吸和大量释放，将土壤/底泥污染物予以分离，并进入孔隙水。

4.在直流电场作用下，土壤/底泥2中金属离子、NH₄ ⁺、H⁺等阳离子向阴极导水电极板4-2进行定向迁移，PO₄ ^3-，Cl^-、SO₄ ^2-、OH^-等阴离子则向阳极导水电极板4-2定向迁移。在发生电迁移的同时，进入孔隙水的污染物，还会随孔隙水在电渗效应下从阳极导水电极板4-2向阴极导水电极板4-2定向迁移。受到电迁移与电渗的双重作用，污染物与孔隙水从待处理土壤/底泥2中进行有效分离。

5.导水电极板4-2的双面带有均匀的导水槽4-2-2，优先考虑竖向布置。导水电极板4-2属于通用型电极，既可做阳极，也可做阴极，导水电极板4-2的内部金属导线4-2-1与防水导线4-1相连，用于给导水电极板4-2供电，导水电极板4-2可由石墨等导电材料加工而成。

6.直流电场作用下，迁移到除污电极阴极附近的污染物或孔隙水，依次通过滤网4-3和带孔有机玻璃板4-4，进入带孔有机玻璃板4-4与离子交换膜4-7之间形成的空腔。滤网4-3为纤维或棉麻材质，孔径与厚度均不超过1mm；带孔有机玻璃板4-4孔径不超过5mm，厚度不超过3mm。滤网4-3与带孔有机玻璃板4-4开孔高度与待处理土壤/底泥2的深度相同，一般为20cm。

7.带孔有机玻璃板4-4的外部为滤网4-3。通过带孔有机玻璃板4-4与滤网4-3的双重过滤拦截，有效阻止了电动脱水除污过程中表层土壤/底泥颗粒随孔隙水流失侵入和堵塞导水电极板4-2的导水槽4-2-2。

8.在电场或重力作用下，迁移至阴极导水电极板4-2附近的土壤/底泥孔隙水，继续沿着带孔有机玻璃板4-4与离子交换膜4-7之间形成的空腔汇入孔隙水存储槽4-8。孔隙水存储槽4-8采用上部方形柱状和下部倒三角锥状的结构，便于在土壤/底泥2中插拔。

9.孔隙水存储槽4-8的上部方形处，横向连接有孔隙水外排导管4-9。孔隙水外排导管4-9与蠕动泵3通过橡胶软管5相连，自动将存储于孔隙水存储槽4-8的孔隙水及其所含的污染物从土壤/底泥2介质中分离与集中外排；另一部分渗透到离子交换膜4-7内侧的污染物则与离子交换膜4-7与阴极导水电极板4-2之间产生的高浓度OH^-发生中和及沉淀反应而去除。

10.土壤/底泥原位除污电极通过直流稳压电源1与防水导线4-1进行供电。直流稳压电源1具有数显功能，且电压与电流可调，能够计量用电能耗，控制通电时间。为节省能耗，除污电极一般采用间歇通电模式运行。断电期间，导水电极板4-2的导水槽4-2-2可以依靠重力作用收集导水电极板4-2上方土壤/底泥2中的孔隙水。

11.运行过程中，监测阳极附近区域pH和阴极附近蠕动泵3的孔隙水出水量。当阳极酸化达到一定pH范围后，将蠕动泵3与补水管4-10相连，向阳极补加水。待蠕动泵3的孔隙水出水明显减少时，即可停止电动脱水除污操作，将除污电极拔出，经过适当冲洗后，继续开展工作。

12.本装置的除污电极-2具有通用化和可标准化特性，能兼做阳极或阴极。在具体实践中，可以进行多个除污电极的组合或集中，这样便大大提高了单个除污电极的处理面积，并借助集中供电和统一抽排孔隙水，提高装置的运行效率。

本发明通过低压安全直流电场与重力场作用，将表层底泥污染物随孔隙水进行原位横向迁移与纵向收集。在电动修复装置阴极一侧增设离子交换膜，阻止阴极电解产生的OH^-迁移。在电场作用下，阳极电解产生的H⁺向阴极迁移，而阴极产生的OH^-被离子交换膜隔离，聚集在离子交换膜内侧，不会在电场作用下向阳极迁移，避免了与H⁺接触并发生中和反应。随着H⁺的迁移，两个电极之间的土壤/底泥逐步被酸化，使得污染物解离进入孔隙水。解离后的污染物在电场作用下，随孔隙水迁移至阴极附近，一部分污染物通过抽排阴极附近的电渗流而去除，另一部分污染物渗透到离子交换膜内侧，与聚集在阴极的OH^-发生中和、沉淀反应，实现土壤/底泥污染物自主可控的电动酸化解离去除。

Claims (8)

1.一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置，包括直流稳压电源（1）、与直流稳压电源（1）相连的除污电极，所述除污电极分为相对平行设置的阳极和阴极，分别与直流稳压电源（1）的正极和负极相连，其特征在于：所述阳极包括无孔有机玻璃板（4-5）、导水电极板（4-2）、设于导水电极板（4-2）右侧的带孔有机玻璃板（4-4）、设于带孔有机玻璃板（4-4）外侧的滤网（4-3），导水电极板（4-2）与无孔有机玻璃板（4-5）间隔密闭形成补液槽空腔，补水管与所述补液槽空腔连通，用于向所述补液槽空腔补水以实现阳极H⁺稳定的产生并向阴极迁移；所述阴极包括从依次设置的滤网（4-3）、带孔有机玻璃板（4-4）、离子交换膜（4-7）、导水电极板（4-2）和无孔有机玻璃板（4-5）、以及设于导水电极板（4-2）底部的孔隙水存储槽（4-8），所述孔隙水存储槽（4-8）与带孔有机玻璃板（4-4）与离子交换膜（4-7）之间形成的空腔连通，所述离子交换膜（4-7）用于将电解水产生的OH^-隔离以使更多的H⁺迁移到阴极附近；所述阳极还包括电极安装盖板（4-6），阳极部分的无孔有机玻璃板（4-5）、导水电极板（4-2）、带孔有机玻璃板（4-4）、滤网（4-3）通过电极安装盖板（4-6）上的卡槽按顺序保持合适的间距固定，底部则密封固定在一个三角锥状底座上；所述阴极还包括电极安装盖板（4-6），阴极部分的滤网（4-3）、带孔有机玻璃板（4-4）、离子交换膜（4-7）、导水电极板（4-2）和无孔有机玻璃板（4-5）通过电极安装盖板上的卡槽按顺序保持合适的间距固定，底部则与孔隙水存储槽（4-8）密封连接。

2.如权利要求1所述的自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置，其特征在于：所述孔隙水存储槽（4-8）采用上部方形柱状和下部倒三角锥状的结构。

3.如权利要求1所述的自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置，其特征在于：带孔有机玻璃板（4-4）与滤网（4-3）的开孔的高度和宽度相同。

4.如权利要求1所述的自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置，其特征在于：所述孔隙水存储槽（4-8）与孔隙水外排导管（4-9）连接，孔隙水外排导管（4-9）与蠕动泵（3）相连，蠕动泵（3）可与补水管连通以在阳极附近区域酸化达到一定pH范围后，过补水管（4-10）向导水电极板（4-2）与无孔有机玻璃板（4-5）之间形成的补液槽空腔补加水。

5.如权利要求1所述的自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置，其特征在于：除污电极的阳极和阴极组装后总体呈楔状构造，其高度约25cm，厚度约4cm。

6.如权利要求1所述的自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置，其特征在于：无孔有机玻璃板（4-5）一侧自下而上标有刻度线。

7.如权利要求1所述的自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离装置，其特征在于：导水电极板（4-2）的双面带有均匀的竖向布置的导水槽（4-2-2），导水电极板（4-2）的内部设有与防水导线（4-1）相连的金属导线（4-2-1），防水导线（4-1）连接于直流稳压电源（1）。

8.一种自主可控土壤或底泥污染物电动酸化解离方法，其特征在于：其采用权利要求1-7中任一项所述装置进行，所述方法包括如下步骤：

选定待处理区域后，将除污电极***土壤/底泥（2），相邻两个除污电极的间距不超过2.0m；

通直流稳压电源（1），待处理土壤/底泥（2）内部的孔隙水发生电解反应，分别在阳极生成H⁺，在阴极生成OH^-，在电场作用下，H+***极迁移，而离子交换膜（4-7）阻止OH^-向阳极迁移，避免与H⁺接触，随着H⁺的迁移，表层土壤/底泥酸度增加，促进土壤/底泥污染物的溶解、解吸和大量释放，将土壤/底泥污染物予以分离，并进入孔隙水；

在直流电场作用下，土壤/底泥（2）中金属离子、NH₄ ⁺、H⁺阳离子向阴极导水电极板（4-2）进行定向迁移，PO₄ ^3-，Cl^-、SO₄ ^2-、OH^-阴离子则向阳极导水电极板（4-2）定向迁移，在发生电迁移的同时，进入孔隙水的污染物随孔隙水在电渗效应下从阳极导水电极板（4-2）向阴极导水电极板（4-2）定向迁移，受到电迁移与电渗的双重作用，污染物与孔隙水从待处理土壤/底泥（2）中进行有效分离；

直流电场作用下，迁移到除污电极阴极附近的污染物或孔隙水，依次通过滤网（4-3）和带孔有机玻璃板（4-4），进入带孔有机玻璃板（4-4）与离子交换膜（4-7）之间形成的空腔，然后汇入孔隙水存储槽（4-8），孔隙水外排导管（4-9）与蠕动泵（3）相连，自动将存储于孔隙水存储槽（4-8）的孔隙水及其所含的污染物从土壤/底泥（2）介质中分离与集中外排；另一部分渗透到离子交换膜（4-7）内侧的污染物则与离子交换膜（4-7）与阴极导水电极板（4-2）之间产生的高浓度OH^-发生中和及沉淀反应而去除；

运行过程中，监测阳极附近区域pH和阴极附近蠕动泵（3）的孔隙水出水量，当阳极酸化达到一定pH范围后，将蠕动泵（3）与补水管（4-10）相连，向阳极补加水，待蠕动泵（3）的孔隙水出水明显减少时，即可停止电动脱水除污操作。