1.本实用新型涉及电动修复技术领域，特别是一种用于重金属污染土壤治理的电极组件及电动修复系统。


背景技术：

2.随着经济社会的发展，农田土壤的污染也在逐步加剧，对生态环境和人类健康构成了严重威胁。目前。土壤污染已成为除大气、水体污染之外的全球第三大环境污染。在我国，受污染耕地多达8000万hm2，占全国耕地面积的63.5％。因此，污染农田土壤的修复是亟待解决的重大问题。
3.重金属污染土壤的修复技术种类繁多，主要包括物理法、化学法、生物法或几种方法的耦合方法。其中，电动力学修复技术利用插入土壤中的两个电极在污染土壤两端加上电场，在电化学和电动力学的复合作用下，水溶的或吸附在土壤颗粒表层的污染物根据所带电荷的不同向正负电极移动，使污染物在电极附近富集或被回收利用，从而达到清洁土壤的目的。
4.近年来，针对重金属污染土壤的电动修复技术研究和应用备受关注。国内的电动修复研究大部分处于实验室研究阶段，主要通过带直流电源、电极、电解槽和土壤室的小型试验装置开展研究。该装置阴极和阳极间距仅约20cm，不能直接用于现场修复。此外，土壤中间部分重金属的去除效率不高，转移到电极室中的重金属在实验后期回流到土壤室中，和实际的重金属污染土壤修复效率不理想等。
5.公开号为cn 109719122 a的实用新型公开了一种带吸附剂的去除土壤(水体)中重金属离子的处理方法及装置，包括四个部分：直流稳压电源、电极阳极、电极阴极和吸附材料。电极阳极材料使用dsa阳极，电极阴极根据不同土壤(或水体)使用镉电极、石墨电极、锌电极、黄铜电极和铅电极之一种，吸附剂选择沸石、活性炭和壳聚糖之一种或两种。采用双层金属丝网包裹活性炭吸附剂和dsa阳极固定于电解槽一侧，再用双层铁丝网包裹活性炭吸附剂和石墨阴极电极固定于电解槽另一侧。在电场作用下，重金属离子(包括重金属酸根离子)向阴极(或阳极)移动，可在阴极(或阳极)被还原为低价金属离子或金属单质或被阴阳两极的吸附剂吸附而富集起来。该实用新型将污染土壤置于电解槽中处理，需用双层金属丝网包裹吸附剂和电极，操作繁琐，不便于直接用于土壤原位修复。
6.所以迫切需要研发能快速移除土壤中的重金属，可直接用于土壤原位修复的装置，对提高土壤环境质量，保护生态环境以及农作物粮食稳产高产安全生产起到至关重要的作用。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于重金属污染土壤治理的电极组件，可直接用于土壤原位修复，操作便捷，本实用新型还提供了一种用于重金属污染土壤治理的电动修复系统，提高修复效率。
8.一种用于重金属污染土壤治理的电极组件，包括吸附反应管，所述吸附反应管包括由外壁和底板围合的一端开口的容腔，所述外壁内侧设有内壁，所述内壁首尾围合将容腔分为内容腔和外容腔两部分，所述外壁和所述内壁上开设有透水孔，所述外壁的表面贴附有第一过滤层，所述内壁的表面贴附有第二过滤层，所述外容腔中填充有重金属吸附材料，所述内容腔中分别设有电极、电极液出液管和电极液回液管，所述电极与电源连通。
9.本实用新型中的电极组件将电动修复技术与吸附法相结合，土壤中的污染物在电极的作用下定向迁移，被容腔中的重金属吸附材料吸收。使用时，直接将电极组件置于污染土壤中，实现污染土壤的原位修复，操作方便。
10.电极组件通常成对使用，其中一个电极组件中放入阳极电极棒，另外一个电极组件中放入阴极电极棒，电极液出液管与工作液储液桶连通，电极液回液管与废液桶连通。
11.进一步地，所述电极组件还包括顶壁，所述顶壁将所述外壁和所述内壁之间的容腔顶部封闭，且分别与所述外壁和所述内壁固定连接。
12.进一步地，所述电极组件还包括提手，所述提手固定安装于所述顶壁的上表面。待材料吸附饱和后，可通过提手将电极组件提起，重新更换电极组件或进行下一块污染土壤的修复。
13.进一步地，为了防止电极液腐蚀吸附反应管，所述外壁、所述内壁、所述底板和所述顶壁均采用耐腐蚀硬质材料。
14.进一步地，所述电极组件设置偶数个，其中一半的所述电极组件中的电极为阳极电极，另外一半的所述电极组件中的电极为阴极电极，所述阳极电极之间串联，所述阴极电极之间串联，所述阳极电极电路和所述阴极电极电路再并联。
15.本实用新型还公开了一种用于重金属污染土壤治理的电动修复系统，包括电极工作液单元和所述的电极组件，所述电极工作液单元包括工作液储液桶和废液桶，所述工作液储液桶通过输液泵与所述电极液出液管连通，所述废液桶通过废液提升泵与所述电极液回液管连通。
16.在电场力的作用下，电极组件内侧的污染土壤中的阴离子往阳极迁移，阳离子往阴极迁移。污染农田土壤中重金属阳离子会富集在电极组件的吸附材料中或进入阴极电解液中，从而降低农田土壤中有害重金属离子的含量，实现修复农田土壤的目的。
17.进一步地，所述电动修复系统还包括移动装置、辅助单元和能源动力单元，所述移动装置包括顶板和底板，所述底板上依次开设有可容纳所述电极组件通过的槽，所述槽的数量与所述电极组件的数量一致，所述辅助单元包括安装于所述顶板上的轨道、分别安装于所述轨道上的钻孔装置和升降装置，所述钻孔装置和升降装置均可沿所述轨道移动，所述槽位于所述轨道正下方，所述钻孔装置可下降通过所述槽，并在土壤中打孔，所述升降装置可带动所述电极组件上下移动。
18.进一步地，所述电动修复系统还包括控制单元，所述控制单元分别与所述钻孔装置和所述升降装置的驱动电机、所述输液泵和所述废液提升泵电连接。设定相应的调节装置参数，使得重金属污染修复系统的处理效率在变量内调节可控。
19.进一步地，所述能源动力单元包括直流电源系统和太阳能发电系统，所述太阳能发电系统包括太阳能电池方阵、控制器和蓄电池，所述太阳能电池方阵安装于所述顶板上方，且依次与所述控制器、所述蓄电池和所述直流电源系统电连接。采用太阳能供电，便于
户外移动使用。
20.进一步地，所述吸附材料为活性炭、生物炭、钢渣其中一种或多种。
21.与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：
22.(1)本实用新型中的电极组件可直接自动化控制，利用升降装置直接放入污染土壤中，用于土壤原位修复，操作便捷；
23.(2)本实用新型将电动修复技术与吸附法相结合，将污染物在电动力的作用下同时向迁移到吸附反应管内的重金属吸附材料，通过修复完成后移除吸附反应管实现重金属的原位去除，避免了转移到电极室中的重金属在实验后期回流到土壤室中，从根本上解决土壤污染问题；
24.(3)集成开发的一种车载式农田土壤重金属污染原位修复系统，实现了土壤重金属污染治理的移动式原位快捷修复模式，可用于大面积的、污染深度较浅的农田污染土壤修复；
25.(4)系统具备前期设备安装和修复运行的功能，自动化程度高，可以降低人工成本，可连续作业，具有快速、高效等特点，能够缩短工期；
26.(5)修复系统利用太阳能或风力发电产生的清洁能源，节能、环保，同时也降低了土壤修复成本；
27.(6)本实用新型不仅适用于无机(重金属等)污染土壤修复，也适用于有机和放射性核素污染土壤修复。
附图说明
28.图1为吸附反应管的剖视图。
29.图2为吸附反应管的立体示意图。
30.图3为重金属污染农田电动修复系统框架示意图。
31.图4为重金属污染农田电动修复系统正剖面示意图。
32.图5为重金属污染农田电动修复系统俯视示意图。
33.图中：1-双层可移动装置，11-顶板，12-底板，13-槽；
34.2-能源动力单元，21-直流电源系统，22-太阳能发电系统，221-太阳能电池方阵，222-控制器，223-蓄电池；
35.3-电极工作液单元，31-工作液储液桶，32-废液桶，33-输液泵，34-废液提升泵，35-电极液出液管，36-电极液回液管；
36.4-辅助单元，41-轨道，42-钻孔装置，43-升降装置；
37.5-电极组件，51-吸附反应管，511-外壁，512-内壁、513-底壁，514-顶壁，515-重金属吸附材料，516-第一过滤层，517-第二过滤层，518-提手，521-阳极电极棒，522-阴极电极棒，523-导线，524-内容腔；
38.6-控制单元。
具体实施方式
39.如图3所示，一种可移动式污染土壤电动修复系统，由双层可移动装置1承载的能源动力单元2，电极工作液单元3，辅助单元4，电极组件5和控制单元6组成。
40.如图4所示，双层可移动装置1为履带移动方式。厢体包含有顶板11和底板12。底板为方形，边长2.5m。在靠近方形的四个角附近错开履带位置设置槽，孔径为20cm，相邻两孔的中心距为2m。所述轨道41、钻孔装置42安装在双层可移动装置1的顶板11上，电极工作液单元3、直流电源系统7均安装在双层可移动装置1的底板12上。系统不工作时，吸附反应管4和电极系统可放置于双层可移动装置的底板12上。
41.能源动力单元2包括直流电源系统21和太阳能发电系统22。直流电源系统21采用太阳能供电为主、发电机为辅的供电系统。直流电源变压器6的直流输出电压为0～220v，电压梯度1～2v/cm。太阳能发电系统22包括太阳能电池方阵221、控制器222和蓄电池223。太阳能电池方阵221安装在可移动装置顶板上11，通过导线依次连接控制器222、蓄电池223和直流电源系统21。
42.如图5所示，电极工作液单元3包括工作液储液桶31、废液桶32、输液泵33、废液提升泵34、电极液出液管35、电极液回液管36组成。工作液储液桶31和废液桶32为pe水罐。工作液储液桶31、废液桶32、输液泵33、废液提升泵34均位于双层可移动装置底板12上并避开开孔位置。工作液储液桶31依次连接四通道分配型输液泵33和四根电极液出液管35，废液桶32依次连接四组废液提升泵34及电极液回液管36。
43.如图4所示，辅助单元4包括铝合金轨道41、可沿轨道行走的钻孔装置42和升降装置43。轨道41为边长2m方形，位于双层可移动装置底板12的上方且平行于底板12，轨道的四个顶点与下层地板的四个槽13圆心对应，与双层可移动装置1的顶板11连接。钻孔装置42包括驱动电机和钻头。驱动电机底部输出端通过联轴器设置有螺旋钻头，驱动电机可沿轨道移动。升降装置43具体为气动葫芦，用于电极组件吸附反应管41和电极系统42运动。
44.如图1-2所示，电极组件5包括吸附反应管51和电极系统52。吸附反应管51为厚壁桶状结构，由同轴环形结构外壁511和内壁512、底壁513和顶壁514以及填充在内壁511、外壁512、底壁512和顶壁513中间的环形容纳区域的重金属吸附材料515组成。其中内壁512和外壁511可为耐腐蚀的打孔硬质塑料，分别在内壁512外侧和外壁511内侧贴附一层过滤材料516和517，可为滤纸或滤布。底壁513和顶壁514封闭耐腐蚀硬质板，在顶板外部设置提手518，提手518可以连接升降装置。吸附反应管51可由升降装置43驱动进行上升和下降运动。
45.电极系统52包括2组阳极和2组阴极。2组串联好的阳极电极棒521或阴极电极棒522进行并联，通过导线523与直流电源系统11连接。电极棒的材料均为石墨材质，电极顶端设置提手，提手可和升降装置43连接。
46.控制单元6集成于驾驶室，电连接定升降装置43、钻孔装置42的驱动电机、电极工作液单元的输液泵33和废液提升泵34，并设置设定相应的调节装置参数，使得重金属污染修复系统的处理效率在变量内调节可控。控制单元与钻孔装置的电路连接为现有技术，可参照一种电缆线槽生产用自动定位转孔装置(专利号：201921188590.x)，或参照钻床钻孔加工过程自动控制电路设计课程设计(https://wenku.baidu.com/view/d70eb157d0f34693daef5ef7ba0d4a7303766c8c.html)，用于控制钻孔装置在土壤中钻孔。利用控制单元分别控制输液泵33和废液提升泵34的工作，具体电路连接为现有技术，可参照申请号为202021704251.5的中国专利中控制装置与注药泵之间的电路，或者参考水泵液位控制电路原理图(http://www.gky-ywkz.com/gkyznywkzyhbjkzq/27.html)，用于控制输液泵33和废液提升泵34的开关及流速。控制单元对太阳能发电系统的控制可参照一种基于太阳能的电
动力土壤修复系统(申请号：201721036613.6)，或太阳能控制器的工作原理(http://www.elecfans.com/article/88/131/taiyangnen/2018/20180327653025_2.html)，控制单元控制太阳能发电系统对各部件进行供电。综上，以上电路连接均为现有技术，在说明书中不再进行详细描述。
47.本可移动式污染土壤电动修复系统将电动修复技术与吸附法相结合，将污染物在电动力的作用下同时向迁移到吸附反应管内的重金属吸附材料内，达到降低污染土壤重金属含量的目的，从根本上解决土壤污染问题；将供能系统、电极系统和工作液系统集成于可移动装置内，实现了土壤重金属污染治理的移动式原位快捷修复模式，可用于大面积的、污染深度较浅的农田污染土壤修复；系统具备前期设备安装和修复运行的功能，自动化程度高，可连续作业，具有快速、高效等特点，能够缩短工期；修复系统利用清洁能源，具备节能、经济和环保的优点。
48.下面通过案例对本实用新型实施过程进行具体说明：
49.假设修复一块以镉污染的农田土壤，修复面积600平米，深度0.4米。
50.1)对土壤进行清理，去除植被和石块等杂物。分析土壤ph、含水量和重金属含量等性质。将修复土壤划分成修复小区，对修复小区土壤ph和水分进行调节，使之符合电动力修复工艺要求。
51.2)电极工作液液为磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液，吸附反应管51的重金属吸附材料515为活性炭颗粒。将上述重金属污染农田电动修复系统移至待修复农田土壤区块的上方后，将修复系统中的钻孔装置42定位至轨道41顶点处，钻头穿过双层可移动装置1底板开孔13在可移动装置1下方土壤中钻孔。钻孔孔径20cm，深度40cm。钻孔完毕后，提升钻头并移离轨道顶点。
52.3)将升降装置43定位至轨道41顶点处，连接吸附反应管51，驱动吸附反应管51穿过双层可移动装置底板开孔13下降至可移动装置1下方土壤中开孔中。吸附反应管51安装就位后，释放升降装置43与吸附反应管51的连接，提升升降装置43。
53.4)将阳极电极棒521与升降装置43连接，由升降装置43驱动阳极电极棒521向下穿过双层可移动装置底板13开孔，下降至已安装在土壤开孔中的吸附反应管51内壁空腔。电极棒521安装就位后，释放升降装置43与阳极电极棒521的连接，提升升降装置43。
54.5)重复上述1)～4)以完成轨道41另外3个顶点下方的钻孔、吸附反应管51和电极棒521安装。两组阴极和两组阳极分别位于方形的对边顶点上。
55.6)将电极工作液单元3的工作液储存容器31和废液桶32分别通过电极液出液管35和电极液回液管36连接至吸附反应管51内壁空腔。
56.7)开启电极工作液单元3和直流电源系统21，调节电场强度为1.5v/cm。电解液输入吸附反应管51内壁空腔内。在由太阳能发电系统22和市政电力提供的直流电场力的作用下，四组电极为顶点的方形污染土壤中的阴离子往阳极迁移，阳离子往阴极迁移。污染农田土壤中重金属阳离子会富集在吸附反应管51的重金属吸附材料515中或进入阴极电解液中，从而降低农田土壤中有害重金属离子的含量，实现修复农田土壤的目的。
57.8)对修复地块土壤进行检测，待农田土壤内污染物浓度降至修复目标值后，通过升降装置将电极棒52和吸附反应管51提升至双层可移动装置1中，即完成该地块农田土壤修复。