CN112222173B - 一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置 - Google Patents

Abstract

一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，属于污染场地土壤修复技术领域，可解决现有技术中存在的能耗高，效果差等问题，包括壳体，在壳体上设有顶盖，在壳体下方设有支撑装置，在壳体侧面上设有土壤入口，在顶盖上设有臭氧接口、液体循环接口、废气排出口，在壳体的下部设有微泡沫进口、废液排出口以及气流接入口，在壳体外设有超声振动器。本发明实现了“少量化”淋洗剂的高效洗脱。将表面活性剂以微泡沫的形式应用于有机污染土壤异位修复，实现了通过少量的表面活性剂与污染物充分接触，达到污染物高溶出率，且溶出时间缩短，节约成本。

Description

一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置

技术领域

本发明属于污染场地土壤修复技术领域，具体涉及一种可实现臭氧辅助的土壤污染物异位去除的多功能沸腾式微泡沫脱附装置。

背景技术

焦化场地土壤中多环芳烃及苯系物、石油烃等挥发性有机污染物（VOCs）的去除是当前的热点和难点，土壤淋洗法由于操作简单、成本低、修复效果好被广泛的应用于VOCs污染土壤的修复工程中。该方法也常用与其他处理技术联合使用，起富集污染物的作用，减少后续处理土壤的体量。现有的淋洗剂多为表面活性剂，施加方式多为直接向污染土壤中喷洒表面活性剂进行淋洗，缺点表现在淋洗剂和污染物接触面积小，易发生孔道效应而产生固定通道流，易受土壤渗透性影响，淋洗剂消耗量大，成本高，修复效果不理想。

为克服传统淋洗修复存在的诸多弊端，已有一些发明专利对传统的土柱淋洗方法进行了改进。例如公布号为CN 110877044 A的发明专利，名称为一种淋洗式土壤修复装置，该装置最大的改进之处是将土壤破碎、筛分与土壤淋洗的过程流水线化，在土壤淋洗的过程中利用搅拌叶片进行摩擦洗涤，但该装置加工复杂，且淋洗效率低，淋洗过程需消耗大量淋洗液。又如公布号为CN 109821871 A的发明专利，名称为一种高效土壤淋洗装置，该装置处理箱体内设有旋转过滤筒，旋转过滤筒内设有搅拌装置、喷淋装置和离心过滤装置，搅拌装置可以有效提高喷淋效果，离心过滤装置对淋洗后的土壤进行固液分离。此项发明中涉及的装置虽然在一定程度上能够加强污染物的溶出效果，但机械化程度要求相对较高，装置制作成本较高，因采用搅拌实现土壤运移与增大接触面积的方式，易导致搅拌叶片未触及区域淋洗不足现象。

上述发明仍未克服溶液淋洗消耗量大的弊端，将溶液转化为微泡沫是一种增大淋洗有效表面积的方法，微泡沫具有比表面积大，传质效率高，停留时间长，可产生大量自由基等特性。此外，由于泡沫流量可以通过压力梯度来控制，因此泡沫输送可以更好地控制注入的流体量，从而最大程度地减少污染物扩散和淋洗液的浪费。微泡沫技术现已在水污染修复领域得到广泛应用，而在土壤污染治理中的应用有待进一步探索。

而现有发明中亦有将超声振动装置应用于土壤淋洗修复中，例如：申请号为2013107194889的专利记载了一种有机污染场地土壤超声强化修复的设备及方法。在该技术方案中公开了使用高速搅拌粉碎器、超声波发生器等装置，在超声波以及粉碎装置的作用下，再使用泥水洗脱，达到将污染物清除的目的。申请号为2007101913182的专利公开了一种超声波修复多环芳烃污染土壤的方法，利用一定功率和频率的超声波对污染土壤进行辐照处理，可以消减土壤中的多环芳烃等污染物。

在上述文献中，超声波可以作为一种辅助手段，利用超声波再结合机械粉碎的双重作用，使土壤内的污染物更容易被去除。但是在上述方案中，对于土壤的处理，都是直接粉碎，通过大量的水进行洗脱，浪费能源，还有可能对土壤理化性质产生较大的影响。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的能耗高，效果差等问题，本发明提供了一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置。

实现本发明的技术方案是，一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，包括壳体，在壳体上设有顶盖，在壳体下方设有支撑装置，在壳体侧面上设有土壤入口，在顶盖上设有臭氧接口、液体循环接口、废气排出口，在壳体的下部设有微泡沫进口、废液排出口以及气流接入口，在壳体外设有超声振动器。

在壳体中部水平固定有微孔承托板，微孔承托板中设有贯穿气孔和微孔，贯穿气孔通过气道连接气流接入口，该贯穿气孔上方设有伞状气流循环挡板，所述的贯穿气孔和微孔在微孔承托板上均布设置，在壳体内部上方设有气流均质化挡板。

本发明装置使用方法是，将污染土壤通过侧面的土壤入口放入壳体内，然后封闭土壤入口。在臭氧接口连接臭氧发生器，气流接入口连接空气泵，“沸腾化”处理后在泡沫通入口连接泡沫发生器，在超声振动的作用下进行土壤污染物的脱附处理。

具体使用方法为，首先将土壤从土壤入口处送入壳体内，土壤处理量不多情况下，可用药匙将土壤送至脱附圆盘内部；土壤处理量大时，可通过输送结构实现土壤的稳定连续输送；打开臭氧发生器开关，将臭氧流量控制在0.3L/min，对污染土壤进行预氧化，同时，臭氧排出时可带走土壤中的一些挥发性气体；然后打开空气泵，空气通过装置下方的接口接入，气流通过伞状气流循环挡板进入土壤室，通过土壤室中的挡板以及进气量的调节，使土壤实现“沸腾化”。所述气流进气口流速为23.4~32.4m/s；2min后停止输入臭氧及气流，打开液相管路的蠕动泵，同时启动液相管路的空气泵，在控制气液比的前提下泵入一定浓度的表面活性剂溶液，经过微泡沫发生器产生微泡沫，然后通过微泡沫接口进入脱附装置，待泡沫充满整个容器后关闭蠕动泵和空气泵，停止输入泡沫，将连接泡沫发生装置的软管一端转至连接顶盖上的液体循环接口，通过空气泵实现泡沫回流。整个壳体置于超声振动容器中，在超声波的作用下进行污染土壤污染物的脱附；15min后，关闭超声振动，将连接顶盖部分液体循环接口的软管一端连接至真空泵和废液收集瓶，将反应后含有有机污染物的微泡沫表面活性剂溶液排出，并进行消泡和污染物的后续处理。若在废液抽出过程中有土壤堵塞承托板微孔现象，可打开空气泵由下至上进行反吹。整个过程排出的废气进入废气收集瓶后用活性炭进行吸附。

与现有技术相比，本发明所提供的表面活性剂泡沫脱附装置具有以下突出的优点：

1. 实现了“少量化”淋洗剂的高效洗脱。将表面活性剂以微泡沫的形式应用于有机污染土壤异位修复，实现了通过少量的表面活性剂与污染物充分接触，达到污染物高溶出率，且溶出时间缩短，节约成本。

2. 实现了土壤脱附装置的“无死角”洗脱。通过多孔结构实现微泡沫均质化，泡沫较为均匀地分布，布满整个脱附装置，将土壤无死角的充分浸没。超声振动实现了脱附过程的高频振动态，加强了颗粒间的摩擦作用，提升洗脱剂与污染物的接触概率，实现土壤吸附污染物无死角的洗脱快速化与降解提速化。

3. 实现了装置脱附过程“沸腾化”运行。通过预设的不同质地土壤沸腾化的气体临界流速，可实现较低能耗下不同质地土壤的沸腾化赋存状态，并可通过不同阶段的不同沸腾状态，实现挥发性有机污染物和吸附于土壤介质中污染物的针对性氧化、洗脱，进而实现污染物的去除。

4. 实现了一套装置的“多用途”功能。该装置的应用广泛，可用于多种污染物的洗脱作用，通过更换表面活性剂，可实现对多环芳烃、苯系物的洗脱，辅以臭氧功能和营养液、菌剂添加功能，可对土壤中抗生素等污染物实现活化降解。

综合来说，本发明所述的装置可以使用表面活性剂溶液变换为具有纳米属性微泡沫的活性剂以增大其比表面积，减少淋洗液使用量，同时利用气流冲击使土壤呈“流态化”，有利于表面活性剂微泡沫与污染物的充分接触。该装置在超声振动的作用下可利用泡沫对污染土壤进行无死角“沸腾式”浸渍，泡沫推流式上升以免发生类似于传统土柱淋洗中产生的固定液相流通道的现象。此外，在装置运行过程中还可实现土壤有机污染物的分阶段处理。可应用于焦化场地多环芳烃等有机污染物的溶出、臭氧氧化、以及其他有机污染物如土壤抗生素的去除。通过超声振动增加泡沫与污染土壤之间的接触频率。超声振动利用毛细作用的原理收集土壤微孔中含多环芳烃的表面活性剂微乳液，利用超声波使表面活性剂微泡沫乳液振动、分解，形成更小的液滴以便于移动，通过超声振动和气流冲击实现土壤“沸腾”而高效洗脱污染物质。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为本发明的顶盖的俯视结构示意图；

图4为本发明的伞状气流循环挡板的结构示意图；

图5为本发明的土壤输入口的结构示意图；

图6为ANSYS软件模拟的气流运动情况；

其中：1-壳体；2-土壤入口；3-上挡板；4-伞状气流循环挡板；5-微孔承托板；6-微泡沫进口；7-废液排出口；8-气流接入口；9-支撑装置；10-顶盖；11-臭氧接口；12-液体循环接口；13-废气排出口；14-下挡板；15-贯穿气孔；16-微孔；17-气道；18-超声发生器；19-盖。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步说明。

如图1、2所示意，一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，包括壳体1，在壳体1上设有顶盖10，在壳体1下方设有支撑装置9，在壳体1侧面上设有土壤入口2，在顶盖10上设有臭氧接口11、液体循环接口12、废气排出口13，在壳体1的下部设有微泡沫进口6、废液排出口7以及气流接入口8，在壳体1外设有超声发生器18。

在壳体1中部水平固定有微孔承托板5，微孔承托板5中设有贯穿气孔15和微孔16，贯穿气孔15通过气道17连接气流接入口8，该贯穿气孔15上方设有伞状气流循环挡板4，所述的贯穿气孔15和微孔16在微孔承托板5上均布设置，在壳体1内部设有气流均质化挡板。

所述的微孔承托板5上的贯穿气孔15上方设有支架，支架固定伞状气流循环挡板4。

如图2所示意，气流均质化挡板包括上挡板3和下挡板14。

所述的上挡板3上方与顶盖10连接，上挡板3为两块，呈八字形设置，两个上挡板3将壳体1上部的空间分为三部分，臭氧接口11位于一侧空间，废气排出口13位于另一侧空间，液体循环接口12位于中部空间，所述的下挡板14向上倾斜设置，且位于废气排出口13下方的空间。

在微孔承托板5上设有尼龙网，尼龙网的孔径为60-450目。

所述壳体1为亚克力材质，所述顶盖圆心处的液体循环接口12，接口外壁为螺纹结构，配有盖子，不进行泡沫循环时可拧紧盖子；土壤污染物脱附过程中用软管将其与微泡沫进口6连接，通过空气泵实现淋洗泡沫的循环。所述顶盖圆心两端同一直径上的两个1/4直径处设有两个小孔，一个与臭氧发生器连接用以通入臭氧，另一个与活性炭吸附柱连接用以排出废气。通过螺栓可将顶盖固定于脱附装置上。

所述壳体1为直径：高=5：4的圆柱体，侧面设有直径为圆柱高度1/4的土壤入口2，土壤处理量不多情况下，可用药匙将土壤送至脱附圆盘内部；土壤处理量大时，可通过输送结构实现土壤的稳定连续输送。

如图5所示意，在土壤入口2外设有螺纹段，在螺纹段上设有盖19。开始脱附工作中，需要将盖19拧紧，防止泄露。

如图4所示意，所述的贯穿气孔15孔径为1mm，微孔16孔径为0.1mm。一定压力的气流从气流接入口8进入，通过管道17连接至伞状气流循环挡板4下方的贯穿气孔15实现气流在装置内部的均流化。

微孔承托板5为倒锥形结构，在倒锥形装置下端设有三个接口，微泡沫进口6、废液排出口7以及气流接入口8。

以微孔承托板5为界，装置上半部分主要用于放置污染土壤，气流流动和超声振动可实现土壤与泡沫“沸腾式”混合，保证充分接触，并且加强了土壤与泡沫、土壤与容器壁之间的摩擦，有利于污染物的快速去除。装置下半部分主要用来使气流和泡沫均匀进入脱附容器，同时收集反应后的液体。通过压缩空气泵产生的压力差将泡沫破裂后的溶液通过承托板上的小孔流入底部进行暂时储存。

一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，其组装和污染物脱附过程如下：

（1）微泡沫脱附装置路线的组装

①管路连接：将废气排出口13通过软管连接至活性炭吸附柱，臭氧输送管路连接臭氧接口11，泡沫发生器连接微泡沫进口6，废液排出口7连接废液收集瓶，空气泵通过气流输送管路连接底部气流接入口8，气流接入口8上端通过气道17分流后接至贯穿气孔15。

②在壳体内固定尼龙网，直径与壳体微孔承托板5相同，盖上顶盖并拧紧螺丝。

（2）微泡沫脱附过程

①将土壤从土壤入口2处送入壳体内部装置，土壤处理量不大时，可用药匙将土壤送至脱附圆盘内部；土壤处理量大时，可通过输送带实现土壤的稳定连续输送；

②打开臭氧发生器开关，将臭氧流量控制在0.3L/min，对污染土壤进行预氧化，同时，臭氧排出时可带走土壤中的一些挥发性气体；

③打开空气泵，空气通过装置下方的气流接入口8接入，气流通过气道17在通过伞状气流循环挡板4改变流向后进入壳体1上部，再通过其中的三个挡板以及进气量的调节，使土壤实现“沸腾化”；

④2min后关闭臭氧发生器和空气泵，打开泡沫发生器连接的液相管路的蠕动泵，启动空气泵，在控制气液比的前提下泵入一定浓度的表面活性剂溶液，经过微泡沫发生装置产生的微泡沫通过接口6注入，待泡沫充满整个容器后关闭蠕动泵和空气泵；使用软管连接液体循环接口12和泡沫发生装置，通过循环泵实现泡沫回流。整个脱附装置置于超声振动容器中，进行污染土壤污染物的脱附；

⑤15min后，关闭超声振动，使用真空泵将反应后的微泡沫表面活性剂抽出，通过液体收集瓶收集，并进行消泡和污染物的后续处理。若在废液抽出过程中有土壤堵塞承托板微孔现象，可打开空气泵由下至上进行反吹。反应过程中排出的废气进入废气收集瓶后通过活性炭吸附。

具体实施例主要探究微泡沫均质化后的稳定性、不同质地土壤在本装置气流带动下的运动情况（结合ANSYS软件）以及利用该装置进行污染物洗脱的效果。

实施例1（泡沫均质化后的稳定性）：配制20mmol/L的吐温80表面活性剂作为发泡剂，在气液比为30：1的条件下利用微泡沫发生装置中产生微泡沫，参照附图1，在脱附容器的底部分别固定不同孔径的尼龙网纱，验证在该装置中使用不同孔径均质化结构对泡沫的影响。结果见下表1。

表1：

实施例2（流态化过程模拟）：

取相同量不同质地土壤加入脱附装置中，用空气泵从接口8鼓入气流，调节气流大小以实现土壤“沸腾”，验证不同质地土壤对气流的阻碍作用，以便根据土壤质地选择合适的气体流速将挥发性有机物带出，排气口气流速度根据ANSYS软件模拟所得。结果见表2，通过实施例2得出处理砂土时实现土壤“沸腾”所需的气流流速最小，最小为23.4m/s，砂土最易实现流态化效果。

表2：

实施例3（挥发性有机物去除效果验证）：

污染土壤制备：采集未被污染的砂土、壤土、黏土，风干，研磨并过2mm筛，将土壤和丙酮以25：1的质量比混合，在相对密封的环境下充分搅拌保证混合均匀，随后将制备的含丙酮的土壤置于附图1所示装置的土壤室中。

土壤“沸腾化”：开启气流输送管路，在气流的运动下，易挥发有机物通过气体排出口进入活性炭吸附装置，同时启动臭氧发生器，沸腾化过程约持续2min。

微泡沫制备：配制浓度为20mmol/L的吐温80溶液，置于烧杯中，装置组装完毕后，将吐温80与空气以气液比30：1通入微泡沫发生器，形成的微泡沫从底部通入脱附装置中，通过100目孔径的尼龙网纱，与含丙酮的土壤接触，待泡沫充满整个洗脱容器后（约2min）停止通入泡沫，脱附装置置于超声振动装置中振动15min。分别验证不同质地土壤以及流态化处理对挥发性有机物（丙酮）去除率的影响。

丙酮测定：在含丙酮的土壤置于脱附容器中时和脱附过程结束后用MiniRAE 3000手持式VOC检测仪测定装置中的挥发性有机物量。测定结果如表3所示。

表3：

Claims (7)

1.一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，包括壳体（1），在壳体（1）上设有顶盖（10），在壳体（1）下方设有支撑装置（9），其特征在于：在壳体（1）侧面上设有土壤入口（2），在顶盖（10）上设有臭氧接口（11）、液体循环接口（12）、废气排出口（13），在壳体（1）的下部设有微泡沫进口（6）、废液排出口（7）以及气流接入口（8），在壳体（1）外设有超声发生器（18）；

在壳体（1）中部水平固定有微孔承托板（5），微孔承托板（5）中设有贯穿气孔（15）和微孔（16），贯穿气孔（15）通过气道（17）连接气流接入口（8），该贯穿气孔（15）上方设有伞状气流循环挡板（4），所述的贯穿气孔（15）和微孔（16）在微孔承托板（5）上均布设置，在壳体（1）内部设有气流均质化挡板；

气流均质化挡板包括上挡板（3）和下挡板（14）；

所述的上挡板（3）上方与顶盖（10）连接，上挡板（3）为两块，呈八字形设置，两个上挡板（3）将壳体（1）上部的空间分为三部分，臭氧接口（11）位于一侧空间，废气排出口（13）位于另一侧空间，液体循环接口（12）位于中部空间，所述的下挡板（14）向上倾斜设置，且位于废气排出口（13）下方的空间。

2.根据权利要求1所述的一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，其特征在于：在微孔承托板（5）上设有尼龙网，尼龙网的孔径为60-450目。

3.根据权利要求1所述的一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，其特征在于：所述壳体（1）为直径：高=5：4的圆柱体，侧面设有直径为圆柱高度1/4的土壤入口（2）。

4.根据权利要求1所述的一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，其特征在于：在土壤入口（2）外设有螺纹段，在螺纹段上设有盖（19）。

5.根据权利要求1所述的一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，其特征在于：所述的贯穿气孔（15）孔径为1mm，微孔（16）孔径为0.1mm。

6.根据权利要求1所述的一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，其特征在于：微孔承托板（5）为倒锥形结构，在倒锥形装置下端设有三个接口，微泡沫进口（6）、废液排出口（7）以及气流接入口（8）。

7.根据权利要求1所述的一种沸腾式微泡沫多功能土壤污染物脱附装置，其特征在于：所述的微孔承托板（5）上的贯穿气孔（15）上方设有支架，支架固定伞状气流循环挡板（4）。