一种太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物和金属的方法及系统
技术领域
本发明涉及污染物治理技术领域，尤其涉及一种太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物和金属的方法及系统。
背景技术
土壤是环境的重要组成部分，也是农业经济发展的基础，关系到人民的生活健康和质量，也关系到美丽中国的建设，保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容。当前，我国土壤环境总体状况堪忧，部分地区污染较为严重，已成为全面建成小康社会的突出短板之一。当前，我国土壤环境总体状况堪忧，部分地区污染较为严重，已成为全面建成小康社会的突出短板之一。
土壤中污染物主要包括金属、有机物等，土壤治理现存方法主要分为原位和异位，原位是指治理过程中不对土壤着任何机械性加工、转移，也不使用任何封闭系统对土壤与源环境隔离；异位即需对需处理的土壤全部转移到封闭的系统当中，因此原位叫异位法成本更低，为土壤处理的首选方案。但原位处理可能受限于处理效率、现场空间、场所封闭要求等，难度相对较大，是土壤修复技术技术开拓的前沿。土壤修复的原理设计一下几种，包括加热挥发(使用太阳能或任意形式产生的水蒸气)、溶剂清洗、蒸汽清洗、抽提等，前两个尤其对土壤中有机污染物最为有效、常用，后两种方法经常在土壤的金属修复中采用。这些已有方法的共同特征是实施对治理土壤的全方案控制、清洗，因此能耗高、资源消耗量大，考虑到土壤处理量属土木工程范围，以常规物理、化学方法治理的成本居高不下。
土壤治理属于土木工程，其规模和能量、资源、人力投入很大，因此加大了治理难度，但其问题又刻不容缓。有效实施土壤治理就需要从土壤治理的能耗、资源消耗和人力等几个角度出发，确实解决这些问题。
发明内容
本发明提供了一种太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物和金属的方法及系统，本发明全过程以太阳能驱动，采用高效的纳米流体概念，脱附剂可以在水中部分起到强化太阳能吸收效率，采用适宜土木工程实施的热致加压、热致真空以及低温冷凝等手段，实现了能量转化的高效，使有机物、金属与土壤分离、并被消解转化为无害物质和永久固定。
本发明的目的是提出了一种太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物和金属的系统，包括脱附剂注射机构和蒸汽加压系统，脱附剂注射机构包括若干个均匀设置的注射单元，所述的注射单元上设置有若干个注射孔，所述的蒸汽加压系统包括太阳能吸收器和增压泵，水和脱附剂分别加入太阳能吸收器中，水通过太阳能吸收器的太阳能辐照后变为水蒸汽，水蒸汽和脱附剂通过增压泵推动脱附剂注射入脱附剂注射机构中，然后通过注射孔将脱附剂注射进污染土壤层。在本发明中，脱附剂注射机构的注射单元的设置根据实际情况来确定，注射孔的大小和数量也是根据实际情况确定即可。
优选地，所述的脱附剂注射机构上部设置有不凝气体收集装置。不凝气体为空气、二氧化碳等对环境无害物质，不凝气体可以通过不凝气体收集装置(例如储罐等)收集留用，由于其对环境无害也可以排放到大气中。
优选地，所述的不凝气体收集装置与脱附剂收集装置连接，所述的脱附剂收集装置与不凝气体收集装置之间设置有真空泵，所述的真空泵前部设置有控制不凝气体进入的第三控制阀。
优选地，所述的脱附剂通过脱附剂传输管通入太阳能吸收器中，所述的脱附剂传输管和太阳能吸收器之间设置有控制脱附剂进入太阳能吸收器的第一控制阀。
优选地，所述的增压泵和脱附剂注射机构之间设置有控制脱附剂进入脱附剂注射机构的第二控制阀。
本发明还保护一种太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物和金属的方法，通过上述的太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物和金属的系统来实现，水和脱附剂分别加入太阳能吸收器中，水通过太阳能吸收器的太阳能辐照后变为水蒸汽，水蒸汽和脱附剂通过增压泵推动脱附剂注射入脱附剂注射机构中，水蒸汽的压力为0.2-1.5MPa，然后通过注射孔将脱附剂注射进污染土壤层，待脱附剂注射到指定的注射量后，停止脱附剂的注射，继续通入水蒸汽加压使注射单元内的残留液体进入污染土壤层中，水蒸汽冷凝后注射单元内产生真空，真空作用下使脱附剂由污染土壤层返回注射单元，同时开启脱附剂注射机构上部的抽真空装置，收集污染土壤层内的脱附剂，再将收集的脱附剂通过太阳能吸收器的太阳能辐照后使脱附剂内的有机物消解，实现脱附剂的再生；同时脱附剂内的有机物消解后产生的不凝气体、脱附剂和水蒸汽进入注射机构的注射单元中，待脱附剂注射到指定的注射量(脱附剂/土壤＝1:100-10:100kg/kg)后，停止脱附剂的注射，继续通入水蒸汽加压使注射单元内的残留液体进入污染土壤层中，继续通入水蒸汽驱赶注射单元内产生的不凝气体和使水蒸汽冷凝后注射单元内产生真空，真空作用下使脱附剂由污染土壤层返回注射单元，同时开启脱附剂注射机构上部的抽真空装置，收集污染土壤层内的脱附剂，实现脱附剂的循环使用。
本发明提出的太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物的方法，使有机物、金属与土壤分离、并被消解转化为无害物质和永久固定。该方法不仅适用于污染土壤的修复、农田回复、化工厂搬迁后治理等场合，还可适用于矿区治理、如尾矿、矿渣固废的高价值元素回收等领域，更可以延伸做适当修改、组织部分工艺后直接应用于污染水的治理。
本发明以太阳能利用、高效能量转化和强化太阳能吸收的纳米流体以及高效的压力和真空产生系统解决了过程的高能耗，脱附剂可以在水中部分起到强化太阳能吸收，尤其是石墨烯基材料包覆的无机金属内核如铁、钛以及金属氧化物可以使太阳能显著升温、提高水边蒸汽能力。由于直接使用可再生能源、过程高能效以及极廉价的工业固废或商业产品的直接采用，使土壤修复工程的实施费用大大降低。
本发明提出的太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物的方法工艺流程如下：根据土壤污染的特点调整脱附剂的配方，并以水为溶剂，形成液态脱附剂溶液，溶剂中没有任何有机溶剂。脱附剂主要包括4个典型组分：石墨烯(含石墨烯氧化物、石墨烯量子点、石墨烯氧化物量子点)、纳米价态铁(含多种价态铁氧化物等)、纳米二氧化钛、以及工业固废如含磷物质(磷灰石、磷矿粉、磷矿固废等)。液态脱附剂溶液由脱附剂注射单元使脱附剂向土壤一定深度均匀的注射脱附剂溶液，单一注射机构共同形成一个阵列，覆盖整个需治理土壤的界面，根据土壤渗透性质和溶液注射量、注射压力决定注射机构之间距离。注射压力的驱动由水蒸汽提供，蒸汽发生由太阳能纳米流体吸收系统以及相关管线和阀门系统提供，产生的蒸汽可以实现注射所需压力，用于克服土壤渗透压，将脱附剂通过注射单元全部注射进土壤。脱附剂将在土壤中扩散、传递、与土壤接触，由于脱附剂与土壤中金属、有机物的分子间作用引力大于金属和有机物等与土壤可以表面作用力，金属、有机物与土壤分离、进入脱附剂溶液、并与脱附剂结合。
在土壤周围、含有金属和有机物的脱附剂将在真空作用下返回前述的注射单元中。真空的产生依然由蒸汽系统完成，蒸汽手段加压注射进注射单元，使其中的残留液体进入土壤，再进一步加入蒸汽驱赶注射机构中不凝残留气体，此后，蒸汽冷凝后产生真空，在真空作用下脱附剂由土壤层返回注射单元，最终，开启真空泵，使注射单元的真空度进一步提高，完成脱附剂的更全面收集。脱附剂再生是指在吸附了土壤中的有机物和金属的脱附剂再生，再生主要以两种方式进行，其一是改变附着后脱附剂的pH值使金属脱离脱附剂，其二是利用太阳能光催化消解有机物为二氧化碳等对环境无害物质。太阳能有机物消解和pH值调整系统是两个分别采用光催化剂如二氧化钛和纳米铁、利用太阳能光催化消解有机物为二氧化碳等对环境无害物质，pH调整用于金属与脱附剂分离，后继加入钙剂吸附剂固定主要的对环境有害的金属。
优选地，所述的脱附剂选自石墨烯、纳米价态铁、纳米二氧化钛和工业固废中的两种以上。
优选地，所述的石墨烯选自石墨烯氧化物、石墨烯量子点和石墨烯氧化物量子点中的一种，所述的纳米价态铁为氧化铁和/或四氧化三铁，所述的工业固废为磷灰石、磷矿粉或磷矿固废。
优选地，所述的增压泵和真空泵通过太阳能电池板提供电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明不仅适用于污染土壤的修复、农田回复、化工厂搬迁后治理，还可适用于矿区治理、如尾矿、矿渣固废的高价值元素回收等领域。本发明的部分工艺还可直接应用于污染水的治理；
2、本发明着力解决土壤修复过程的高能耗、高经济成本问题、高能耗以太阳能利用、高效能量转化的纳米流体以及高效的压力和真空产生系统解决；由于直接使用可再生能源、过程高能效以及极廉价的工业固废或商业产品的直接采用，使土壤修复工程的实施费用大大降低。
附图说明
图1为本发明一种太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物的系统的结构示意图；
图2为图1中A处局部放大图；
图3为图1中注射机构和注射单元结构示意图；
图4为本发明实施例1中脱附剂的变化效果图；
图5为本发明实施例2中三种不同脱附剂作用后土壤中有机物的浓度变化图；
附图标记说明：1、脱附剂；2、水；3、太阳能吸收器；4、增压泵；5、脱附剂注射机构；6、注射单元；7、太阳能电池板；8、第一控制阀；9、第二控制阀；10、第三控制阀；11、真空泵；12、不凝气体收集装置；13、注射孔。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。除特别说明，本发明使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。
如图1～3所示，一种太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物和金属的系统，包括脱附剂注射机构和蒸汽加压系统，脱附剂注射机构5包括若干个均匀设置的注射单元6，注射单元6上设置有若干个注射孔13，蒸汽加压系统包括太阳能吸收器3和增压泵4，水1和脱附剂2分别加入太阳能吸收器中，水1通过太阳能吸收器3的太阳能辐照后变为水蒸汽，水蒸汽和脱附剂通过增压泵4推动脱附剂注射入脱附剂注射机构5中，然后通过注射孔13将脱附剂注射进污染土壤层。在本发明中，脱附剂注射机构5的注射单元6的设置根据实际情况来确定，注射孔的大小和数量也是根据实际情况确定即可。
脱附剂注射机构5上部设置有不凝气体收集装置12。不凝气体为二氧化碳等对环境无害物质，不凝气体可以通过不凝气体收集装置(例如储罐等)收集留用，由于其对环境无害也可以排放到大气中。不凝气体收集装置12与脱附剂收集装置连接，脱附剂收集装置与不凝气体收集装置之间设置有真空泵11，真空泵11前部设置有控制不凝气体进入的第三控制阀10。
脱附剂1通过脱附剂传输管通入太阳能吸收器3中，脱附剂传输管和太阳能吸收器3之间设置有控制脱附剂进入太阳能吸收器的第一控制阀8。增压泵4和脱附剂注射机构5之间设置有控制脱附剂进入脱附剂注射机构5的第二控制阀9。
本发明全过程以太阳能驱动，通过太阳能吸收板7吸收太阳能发电，通过变压器将电压调整为交流电驱动增压泵4和真空泵11工作。
根据上述太阳能驱动脱附剂脱附或固定土壤中有机物的系统来实现本实施例污染土壤中有机物的脱附或固定。水和脱附剂分别加入太阳能吸收器中，水通过太阳能吸收器的太阳能辐照后变为水蒸汽，水蒸汽和脱附剂通过增压泵推动脱附剂注射入脱附剂注射机构中，通过增压泵增压后的水蒸汽压力为0.2-1.5MPa，然后通过注射孔将脱附剂注射进污染土壤层，待脱附剂注射到指定的注射量后(脱附剂/土壤＝1:100-10:100kg/kg)，停止脱附剂的注射，继续通入水蒸汽加压使注射单元内的残留液体进入污染土壤层中，水蒸汽冷凝后注射单元内产生真空，真空作用下使脱附剂由污染土壤层返回注射单元，同时开启脱附剂注射机构上部的抽真空装置，收集污染土壤层内的脱附剂，再将收集的脱附剂通过太阳能吸收器的太阳能辐照后使脱附剂内的有机物消解，实现脱附剂的再生；同时脱附剂内的有机物消解后产生的不凝气体、脱附剂和水蒸汽进入注射机构的注射单元中，待脱附剂注射到指定的注射量后，停止脱附剂的注射，继续通入水蒸汽加压使注射单元内的残留液体进入污染土壤层中，继续通入水蒸汽驱赶注射单元内产生的不凝气体和使水蒸汽冷凝后注射单元内产生真空，真空作用下使脱附剂由污染土壤层返回注射单元，同时开启脱附剂注射机构上部的抽真空装置，收集污染土壤层内的脱附剂，实现脱附剂的循环使用。
实施例1
本实施例中，选择污染的土壤实验，以石墨烯氧化物和二氧化钛作为脱附剂，石墨烯氧化物和二氧化钛的质量比为0.25:1，以水为溶剂，制成脱附剂溶液，其中石墨烯氧化物与水的质量比为1:10，脱附剂总量和土壤的质量比为1：100kg/kg。将收集污染土壤层内的脱附剂进行太阳光辐照(辐照强度是2000W/m2)，二氧化钛光催化了有机物消解，光辐照每10min取样，测试结果见图4；石墨烯固定了土壤中的重金属元素，本实验中的固定效率达73.2％。
对比例1
与实施例1相同，不同之处在于脱附剂为水，作为空白对照。
对比例2
与实施例1相同，不同之处在于脱附剂仅为二氧化钛，以水为溶剂，制成脱附剂溶液，实验发现二氧化钛消解土壤中有机物效率与实施例1一致，但没有石墨烯在添加剂配方中，会使重金属的固定效率降至23.2％。
图4形象表示采用有颜色的有机物在二氧化钛存在情况下的消解情况，颜色深浅分别代表有机物消解的多少，颜色越浅表示二氧化钛降解有机物的效率越高，与对比例1和对比例2比较，实施例1中的石墨烯和二氧化钛同时作为脱附剂，降解有机物的效率最高。
实施例2
与实施例1相同，不同之处在于：脱附剂为石墨烯氧化物和/或铁基氧化物的混合物，其中第一种脱附剂(脱附剂1#)为三氧化二铁和非磁性四氧化三铁的混合物，三氧化二铁和四氧化三铁的质量比为1:1，以水为溶剂，制成脱附剂溶液，三氧化二铁与水的质量比为1:20，吸附剂总量和土壤的质量比为1：100kg/kg。第二种脱附剂(脱附剂2#)为三氧化二铁和磁性四氧化三铁(四氧化三铁-M)的混合物，三氧化二铁和四氧化三铁的质量比为1:1，以水为溶剂，制成脱附剂溶液，其中三氧化二铁与水的质量比为1:20，吸附剂总量和土壤的质量比为1：100kg/kg。第三种脱附剂(脱附剂3#)为三氧化二铁和磁性四氧化三铁(四氧化三铁-M)以及石墨烯氧化物的混合物，三氧化二铁和四氧化三铁及石墨烯氧化物的质量比为1:1:0.25，以水为溶剂，制成脱附剂溶液，其中三氧化二铁与水的质量比为1:30，土壤和吸附剂总量的质量比为1：100kg/kg。
在本实施例中，选择与实施例1相同的污染土壤实验，脱附剂1#、脱附剂2#、脱附剂3#消解有机物的时间效果见图5，在60分钟内有机物消解率达50％左右，其中脱附剂3#的效果好于脱附剂2#、脱附剂2#的效果又好于脱附剂1#；脱附剂1#、脱附剂2#、脱附剂3#分别在250分钟、220分钟和175分钟完成有机物的完全消解。在本实施例中的辐照强度与实施例1相同。无石墨烯于固定剂配方中土壤中的重金属元素的固定铝分别为18.7％和22.3％(脱附剂1#和脱附剂2#)，有石墨烯(脱附剂3#)的重金属固定效率达77.4％。
实施例3
与实施例1相同，不同之处在于：脱附剂仅采用工业固废，本实施例具体采用了磷矿固废，以水为溶剂，制成脱附剂溶液，其中磷矿固废与水的质量比为1:10，吸附剂总量和土壤的质量比为2:100kg/kg。在本实施例中的辐照强度同于实施例1。实验发现只使用磷矿固废有机物的消解率仅为14.9％，但重金属固定效率高达82.6％。如果使用磷矿固废和石墨烯氧化物的混合物作为脱附剂溶液，其中磷矿固废与水的质量比为0.5:10，磷矿固废和石墨烯氧化物的质量比为1:0.33，脱附剂总量和土壤的质量比为2:100kg/kg，有机物的消解率为54.4％，重金属固定效率达93.7％。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
