一種采用電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤并同步產(chǎn)電的方法
【專利摘要】一種采用電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤并同步產(chǎn)電的方法，步驟如下：1）組裝電化學(xué)裝置；2）將石油污染土與蒸餾水混合后裝入電化學(xué)裝置，四層土壤之間分別用碳纖維布陽極隔開，用鈦片作為導(dǎo)線引出，將三路陽極匯合；3）注入水封層后，將復(fù)合PTFE空氣陰極和匯合的碳纖維布陽極分別通過導(dǎo)線與外電阻連接，組成土壤微生物燃料電池，外電阻上的電壓通過電化學(xué)采集卡和電腦自動記錄；4）該土壤微生物燃料電池在30℃下運(yùn)行了180d，完成石油污染土壤的修復(fù)并同時產(chǎn)生電能。本發(fā)明的優(yōu)點是：該電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于實施，該裝置利用土壤中的土著生物將石油污染物降解并同時回收電能，具有顯著的技術(shù)效果和推廣價值。
【專利說明】—種采用電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤并同步產(chǎn)電的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油污染土壤的修復(fù)，特別是一種采用電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤并同步產(chǎn)電的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油生產(chǎn)和消費(fèi)量的不斷增加，在其開采、加工和利用過程中，大量的石油類物質(zhì)不斷進(jìn)入環(huán)境，嚴(yán)重威脅著生態(tài)安全。據(jù)估計，我國每年約有6 X 108kg石油通過各種途徑進(jìn)入環(huán)境，截止2003年底，石油工業(yè)固體廢棄物堆放量達(dá)到1.gxicTkg，占地面積約
1.8X 106m2，年產(chǎn)石油污染土壤近I X 108kg,累積堆放量達(dá)到5 X 108kg。石油污染物在土壤中，破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤的通透性，改變土壤有機(jī)質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，弓I起土壤微生物群落數(shù)量和結(jié)構(gòu)的變化，從而嚴(yán)重威脅著生態(tài)系統(tǒng)的安全和可持續(xù)性。
[0003]目前，石油污染土壤的修復(fù)技術(shù)主要包括物理方法、化學(xué)方法和微生物方法。目前常用的物理化學(xué)技術(shù)包括濃縮干化法、固液分離法、萃取分離法、沖洗法、熱處理和熱解吸技術(shù)、化學(xué)破乳回收法等。這些方法主要是針對油泥中原油回收而建立的，在土壤修復(fù)中的應(yīng)用還不盡成熟。微生物修復(fù)技術(shù)包括異位處理和原位處理兩大類。異位微生物修復(fù)技術(shù)主要包含厭氧處理法、生物反應(yīng)器、堆肥式處理等；原位微生物修復(fù)技術(shù)主要包含投菌法、生物培養(yǎng)法、生物通氣法、農(nóng)耕法等。這種方法受環(huán)境因素影響較大，而且投入成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種采用電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤并同步產(chǎn)電的方法，采用該裝置對石油污染土壤修復(fù)中不添加表面活性劑、營養(yǎng)元素等任何化學(xué)藥品及生物菌劑，利用土壤中的土著生物將石油污染物降解，并同時回收電能。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]一種采用電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤并同步產(chǎn)電的方法，步驟如下:
[0007]I)電化學(xué)裝置的組裝
[0008]電化學(xué)裝置由有機(jī)玻璃箱體、碳纖維布陽極和復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE )空氣陰極組件構(gòu)成，有機(jī)玻璃箱體為上、下開放并底部帶有法蘭框的長方體，箱體底部設(shè)有底板并通過四個支腿支撐，底板與空氣陰極相接的部分均布有直徑為0.5cm、孔間距為Icm的圓孔；碳纖維布陽極是將碳纖維布置于丙酮中浸泡8小時，取出后用蒸餾水清洗3次制得；復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE)空氣陰極組件由復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE)空氣陰極和其上、下部分別設(shè)有的塑膠墊組合構(gòu)成并通過四周邊的螺栓固定，上、下塑膠墊中心的方孔大小與有機(jī)玻璃箱體的內(nèi)腔橫截面相同，其中復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE)空氣陰極制作方法是:稱取導(dǎo)電碳黑4g加入200mL燒杯中，加入80mL無水乙醇,攪拌且超聲5min,加入6.2mL密度為1.5g/mL的PTFE乳液，攪拌且超聲5min，然后于80°C水浴攪拌約40min，取出膠團(tuán)輕柔，在輥壓機(jī)上與60目不銹鋼網(wǎng)輥壓成厚度為0.5mm電極片；然后于340°C下加熱25min待用；稱取電容碳粉6g加入200mL燒杯中，加入45mL無水乙醇，攪拌且超聲5min，加入0.670mL PTFE乳液，再攪拌且超聲5min，然后于80°C水浴攪拌約3h，取出膠團(tuán)輕柔，輥壓成薄膜后壓在電極片的另一側(cè)，最終電極厚度為0.6mm ；
[0009]2)將石油污染土自然陰干,研碎過2mm篩,稱取320.0Og石油污染土粉粒與90mL蒸餾水混合均勻后，平均分成6份，在4層土壤平鋪I份，在3層土壤平鋪2份，在2層土壤平鋪2份，在I層土壤平鋪I份，四層土壤之間分別用碳纖維布陽極隔開，用鈦片作為導(dǎo)線引出，將三路陽極匯合；
[0010]3)用注射器將20mL蒸餾水注入I層土壤上形成水封層，將復(fù)合PTFE空氣陰極和匯合的碳纖維布陽極分別通過導(dǎo)線與1000Ω外電阻連接，組成土壤微生物燃料電池，外電阻上的電壓通過電化學(xué)采集卡和電腦自動記錄；
[0011]4)保持水封層條件下使上述土壤微生物燃料電池在30°C下運(yùn)行了 180d，完成石油污染土壤的修復(fù)并同時產(chǎn)生電能。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是:該電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于實施，采用該裝置對石油污染土壤修復(fù)中不添加表面活性劑、營養(yǎng)元素等任何化學(xué)藥品及生物菌劑，利用土壤中的土著生物將石油污染物降解并同時回收電能，具有顯著的技術(shù)效果和推廣價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為電化學(xué)裝置剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為電化學(xué)裝置產(chǎn)生的電壓圖和電量圖。
[0016]圖4為利用電化學(xué)裝置修復(fù)后的土壤中總石油烴的降解率圖。
[0017]圖5為利用電化學(xué)裝置修復(fù)后的土壤中16種多環(huán)芳烴的含量圖。
[0018]圖6為利用電化學(xué)裝置修復(fù)后的土壤中烷烴(C8-C4tl)的含量圖及降解率圖?！揪唧w實施方式】
實施例:
[0019]一種采用電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤并同步產(chǎn)電的方法，步驟如下:
[0020]I)電化學(xué)裝置的組裝
[0021]電化學(xué)裝置，如圖1、圖2所示，由有機(jī)玻璃箱體、碳纖維布陽極和復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE )空氣陰極組件構(gòu)成，有機(jī)玻璃箱體為上、下開放并底部帶有法蘭框的長方體,箱體底部設(shè)有底板并通過四個支腿支撐，底板與空氣陰極相接的部分均布有直徑為0.5cm、孔間距為Icm的圓孔；碳纖維布陽極是將碳纖維布置于丙酮中浸泡8小時，取出后用蒸餾水清洗3次制得；復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE)空氣陰極組件由復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE)空氣陰極和其上、下部分別設(shè)有的塑膠墊組合構(gòu)成并通過四周邊的螺栓固定，上、下塑膠墊中心的方孔大小與有機(jī)玻璃箱體的內(nèi)腔橫截面相同，其中復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE)空氣陰極制作方法是:稱取導(dǎo)電碳黑4g加入200mL燒杯中，加入8OmL無水乙醇,攪拌且超聲5min,加入
6.2mL密度為1.5g/mL的PTFE乳液，攪拌且超聲5min，然后于80°C水浴攪拌約40min，取出膠團(tuán)輕柔，在輥壓機(jī)上與60目不銹鋼網(wǎng)輥壓成厚度為0.5mm電極片；然后于340°C下加熱25min待用；稱取電容碳粉6g加入200mL燒杯中，加入45mL無水乙醇,攪拌且超聲5min,力口Λ 0.670mL PTFE乳液，再攪拌且超聲5min，然后于80°C水浴攪拌約3h，取出膠團(tuán)輕柔，輥壓成薄膜后壓在電極片的另一側(cè)，最終電極厚度為0.6mm ；
[0022]2)將石油污染土自然陰干,研碎過2mm篩,稱取320.0Og石油污染土粉粒與90mL蒸餾水混合均勻后，平均分成6份，在4層土壤平鋪I份，在3層土壤平鋪2份，在2層土壤平鋪2份，在I層土壤平鋪I份，四層土壤之間分別用碳纖維布陽極隔開，用鈦片作為導(dǎo)線引出，將三路陽極匯合；
[0023]3)用注射器將20mL蒸餾水注入I層土壤上形成水封層，將復(fù)合PTFE空氣陰極和匯合的碳纖維布陽極分別通過導(dǎo)線與1000Ω外電阻連接，組成土壤微生物燃料電池，外電阻上的電壓通過電化學(xué)采集卡和電腦自動記錄；
[0024]4)保持水封層條件下使上述土壤微生物燃料電池在30°C下運(yùn)行了 180d，完成石油污染土壤的修復(fù)并同時產(chǎn)生電能。
[0025]實驗檢測:
[0026]I)實驗樣品準(zhǔn)備:將上述裝置中的四層土壤取出，放入真空冷凍干燥機(jī)干燥24h，碾碎過100目篩，得到粉末試樣。
[0027]2)電化學(xué)裝置產(chǎn)生的電壓圖和電量圖檢測:
[0028]采用該電化學(xué)裝置在180d的修復(fù)過程中，回收的電能如圖3所示，圖中表明:該土壤微生物燃料電池在第5天的電壓最大，高達(dá)366mV，維持在360mV以上約9h，第30天電壓下降到IOOmV以下，第82天下降到50mV以下，此后繼續(xù)下降。在第180天修復(fù)結(jié)束時，該土壤電池總共回收到的電能為918C。
[0029]3) 土壤的總石油烴含量采用重量法測定:
[0030]稱取6.0Og修復(fù)后的干土樣，放入濾紙包中，采用125mL 二氯甲烷索提24h，將索提液在0.02Mpa、37°C ± 1°C條件下旋轉(zhuǎn)蒸干，通過重量差計算土樣中的總石油烴含量。
[0031]采用該電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤，總石油烴的降解情況如圖4所示，圖中表明:第4層土壤的總石油烴降解效率最高，為18.3%，其次為第I層土壤12.5%，再次為第2層土壤9.7%，最后為第3層土壤8.2%，平均降解率為12.2%，而對照組僅為6.6%。
[0032]4)修復(fù)后的土壤中16種多環(huán)芳烴的含量檢測:
[0033]在上述3)中測定完總石油烴后的試樣中加入5ml正己烷，然后經(jīng)過硅膠氧化鋁復(fù)合層析柱凈化，所述硅膠氧化鋁復(fù)合層析柱內(nèi)徑1cm、自上而下Icm無水硫酸鈉、6cm2w%去活化氧化鋁和12cm2w%去活化硅膠，用20mL正已烷、70mL的二氯甲烷/正己烷(1:1，V/V)混合液淋洗，前者為烷烴淋洗液，后者為芳烴淋洗液，將組分淋洗液濃縮至約lmL，轉(zhuǎn)移至樣品瓶，在柔和高純氮氣流下吹干，用色譜純正己烷定容為10mL，備GC-MS分析。
[0034]采用該電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤后，16種多環(huán)芳烴的含量情況如圖5所示，圖中表明:隨著多環(huán)芳烴環(huán)數(shù)的增加，其被降解的量逐漸減少。萘、苊和二氫苊由于環(huán)數(shù)較小相對容易被降解，所以采到的土壤中本底值很低，盡管如此，構(gòu)建的土壤燃料電池仍然促進(jìn)了殘留的降解，特別是苊和二氫苊，降解率分別為64.7%和66.5%。芴、菲、蒽和熒蒽降解率依次逐漸降低，芴的降解率最高，為15.8%。芘、苯并[a]蒽、屈和苯并[b]熒蒽中，苯并[a]蒽降解率最高，為13.7%。苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、茚并[I, 2，3_cd]芘、二苯并[a, h]蒽和苯并[g，h，i]花中，苯并[k]突蒽降解率最高,為15.5%ο
[0035]5)修復(fù)后的土壤中烷烴(C8-C4tl)的含量及降解率檢測:
[0036]方法同4)。采用該電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤后，烷烴(C8-C4tl)的降解情況如圖6所示，圖中表明:最高降解率為69.3% (C13),最低降解率為17.7% (C21),總降解率為28.7%(C8-C40總和)，其中輕油組分(C12-C23)的降解率為24.5%，重油組分的降解率為31.4%。
【權(quán)利要求】
1.一種采用電化學(xué)裝置修復(fù)石油污染土壤并同步產(chǎn)電的方法，其特征在于步驟如下: 1)電化學(xué)裝置的組裝 電化學(xué)裝置由有機(jī)玻璃箱體、碳纖維布陽極和復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE )空氣陰極組件構(gòu)成，有機(jī)玻璃箱體為上、下開放并底部帶有法蘭框的長方體，箱體底部設(shè)有底板并通過四個支腿支撐，底板與空氣陰極相接的部分均布有直徑為0.5cm、孔間距為Icm的圓孔；碳纖維布陽極是將碳纖維布置于丙酮中浸泡8小時，取出后用蒸餾水清洗3次制得；復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE)空氣陰極組件由復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE)空氣陰極和其上、下部分別設(shè)有的塑膠墊組合構(gòu)成并通過四周邊的螺栓固定，上、下塑膠墊中心的方孔大小與有機(jī)玻璃箱體的內(nèi)腔橫截面相同，其中復(fù)合型聚四氟乙烯(PTFE)空氣陰極制作方法是:稱取導(dǎo)電碳黑4g加入200mL燒杯中，加入80mL無水乙醇,攪拌且超聲5min,加入6.2mL密度為1.5g/mL的PTFE乳液，攪拌且超聲5min，然后于80°C水浴攪拌約40min，取出膠團(tuán)輕柔，在輥壓機(jī)上與60目不銹鋼網(wǎng)輥壓成厚度為0.5mm電極片；然后于340°C下加熱25min待用；稱取電容碳粉6g加入200mL燒杯中，加入45mL無水乙醇,攪拌且超聲5min,加入0.67OmL PTFE乳液，再攪拌且超聲5min，然后于80°C水浴攪拌約3h，取出膠團(tuán)輕柔，輥壓成薄膜后壓在電極片的另一側(cè)，最終電極厚度為0.6mm ； 2)將石油污染土自然陰干，研碎過2mm篩,稱取320.0Og石油污染土粉粒與90mL蒸懼水混合均勻后，平均分成6份，在4層土壤平鋪I份，在3層土壤平鋪2份，在2層土壤平鋪2份，在I層土壤平鋪I份，四層土壤之間分別用碳纖維布陽極隔開，用鈦片作為導(dǎo)線引出，將三路陽極匯合； 3)用注射器將20mL蒸餾水注入I層土壤上形成水封層，將復(fù)合PTFE空氣陰極和匯合的碳纖維布陽極分別通過導(dǎo)線與1000Ω外電阻連接，組成土壤微生物燃料電池，外電阻上的電壓通過電化學(xué)采集卡和電腦自動記錄； 4)保持水封層條件下使上述土壤微生物燃料電池在30°C下運(yùn)行了180d，完成石油污染土壤的修復(fù)并同時產(chǎn)生電能。
【文檔編號】B09C1/00GK103934260SQ201410140586
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】李嘵晶, 張月勇, 周啟星, 王鑫, 李楠, 程立娟 申請人:南開大學(xué)