以電動力法整治鎘及鉛污染土壤的系統的制作方法

本發明有關于一種整治重金屬污染土壤的系統，尤指一種以電動力法整治鎘及鉛污染土壤的系統。

背景技術：

從前未經處理的廢棄物常直接傾倒或掩埋于土壤中，土壤中的污染物(例如重金屬)進一步又被人類通過接觸、呼吸、地下水、作物等方式再被人類身體吸收，影響健康。

目前重金屬污染農地的整治主要分為翻堆法與酸洗法。翻堆法是將深層土壤與表面重金屬污染土壤混合、以將重金屬濃度稀釋，雖濃度降低，但重金屬仍全部留于農地土壤中。至于酸洗法，會產生酸廢液，須經再處理，且產生土壤酸化的問題。上述兩種方法都對農地耕種功能產生負面影響，實有必要提出更完善的整治方法。

技術實現要素：

本發明的主要目的在于提供一種以電動力法整治鎘及鉛污染土壤的系統，能有效去除土壤中的鎘與鉛。

為達成上述目的，本發明提供一種以電動力法整治鎘及鉛污染土壤的系統，包含一系統反應槽、一陽極極板、一陰極極板、一土壤儲槽、一電源供應器、一泵浦系統。

該陽極極板與該陰極極板分別位于該系統反應槽中的相對兩側；該土壤儲槽位于該系統反應槽中且位于該陽極極板與該陰極極板之間，該土壤儲槽其中兩相對側壁分別為紗布包覆多孔PVC板，該土壤儲槽中盛有待整治土壤，該多孔PVC板位于該陽極極板或該陰極極板與該待整治土壤之間，該系統反應槽與該土壤儲槽之間填有一操作液，使該土壤儲槽、該陽極極板與該陰極極板浸于該操作液中；該電源供應器連接于該陽極極板與該陰極極板之間并提供電力；該泵浦系統在該系統反應槽外連接于其靠近該陽極極板處與靠近該陰極極板處之間，將靠近陰極極板處的操作液抽吸至靠近陽極極板處；其中，該操作液為含0.01M的EDTA-2Na與0.01M Na₂CO₃電解液。

更進一步地，所述陽極極板為多孔DSA電極，所述陰極極板為多孔不銹鋼板。

更進一步地，所述系統反應槽下方更設有一滲透液儲槽以盛接流失的操作液，藉以觀察操作液的滲漏情形，以隨時調整各項參數與補充操作液。

本發明的有益效果在于：

本發明提供一種以電動力法整治鎘及鉛污染土壤的系統，可將污染土壤的鎘與鉛去除率能達到90％以上，且無土壤酸化的問題。

附圖說明

圖1為本發明的系統示意圖。

圖2A為電壓梯度1V cm^-1的pH值變化趨勢圖。

圖2B為電壓梯度2V cm^-1的pH值變化趨勢圖。

圖2C為電壓梯度3V cm^-1的pH值變化趨勢圖。

圖2D為電壓梯度4V cm^-1的pH值變化趨勢圖。

圖3A為電壓梯度1V cm^-1的導電度變化趨勢圖。

圖3B為電壓梯度2V cm^-1的導電度變化趨勢圖。

圖3C為電壓梯度3V cm^-1的導電度變化趨勢圖。

圖3D為電壓梯度4V cm^-1的導電度變化趨勢圖。

圖4A為電壓梯度1V cm^-1的鎘濃度變化圖。

圖4B為電壓梯度2V cm^-1的鎘濃度變化圖。

圖4C為電壓梯度3V cm^-1的鎘濃度變化圖。

圖4D為電壓梯度4V cm^-1的鎘濃度變化圖。

圖5A為電壓梯度1V cm^-1的鉛濃度變化圖。

圖5B為電壓梯度2V cm^-1的鉛濃度變化圖。

圖5C為電壓梯度3V cm^-1的鉛濃度變化圖。

圖5D為電壓梯度4V cm^-1的鉛濃度變化圖。

圖6為電解液中重金屬濃度的變化圖。

附圖標記

10：系統反應槽；11：操作液；12：多孔PVC板；20：土壤儲槽；30：陽極極板；40：陰極極板；50：電源供應器；60：泵浦系統；70：滲透液儲槽。

具體實施方式

以下僅以實施例說明本發明可能的實施形式，然并非用以限制本發明所要保護的范疇，合先敘明。

請參考圖1，本發明提供一種以電動力法整治鎘及鉛污染土壤的系統，包含一系統反應槽10、一陽極極板30、一陰極極板40、一土壤儲槽20、一電源 供應器50與一泵浦系統60。

該陽極極板30與該陰極極板40分別位于該系統反應槽10中的相對兩側，在本實施例中，該陽極極板30為多孔DSA電極，該陰極極板40為多孔不銹鋼板。該土壤儲槽20位于該系統反應槽10中且位于該陽極極板30與該陰極極板40之間，該土壤儲槽20其中兩相對側壁分別為紗布包覆多孔PVC板12，該土壤儲槽20中盛有待整治土壤，該多孔PVC板12位于該陽極極板30或該陰極極板40與該待整治土壤之間，該系統反應槽10與該土壤儲槽20之間填有一操作液11，使該土壤儲槽20、該陽極極板30與該陰極極板40浸于該操作液11中，該電源供應器50連接于該陽極極板30與該陰極極板40之間并提供電力，該泵浦系統60在該系統反應槽10外連接于其靠近該陽極極板30處與靠近該陰極極板40處之間，將靠近陰極極板40處的操作液抽吸至靠近陽極極板30處，其中，該操作液11為含0.01M的EDTA-2Na與0.01M Na₂CO₃電解液。

在本實施例中，該系統反應槽下方更設有一滲透液儲槽70以盛接流失的操作液，藉以觀察操作液的滲漏情形，以隨時調整各項參數與補充操作液。

本發明采用了臺灣云林虎尾農地地號北平段837的污染土壤進行試驗，待整治土壤的有機質含量為2.63％，其余基本性質分析結果如以下表1所列：

表1

試驗以約450g污染土壤放入土壤儲槽，每日記錄電壓、電流的變化并測量電解液的pH值、導電度，每日也需注入適量的電解液，此外，每日采取土壤樣品一次(約3g)，采集分別為靠近陽極端、儲槽中央及靠近陰極端三處，采取土壤樣品經烘干后，進行土壤的重金屬含量分析。

相關的試驗結果如以下所示：

圖2A至圖2D為不同操作電壓梯度下以電動力技術處理的電解液pH值變化圖，可以發現，無論操作電壓為何，電解液pH值都維持在pH 9到pH 10.5之間，pH值變化相當穩定。另外，縱使陽極因產生氫離子、陰極因產生氫氧根離子、又氫離子因電滲透流等現象導致其移動速率較氫氧根離子快速，形成一股酸峰往陰極方向移動的趨勢，但無論是陽極端或陰極端電解液的pH值，變化都相當一致，可見本發明操作液的高緩沖能力與泵浦循環系統對于維持pH值穩定具有相當大的貢獻。

圖3A至圖3D則為改變不同操作電壓梯度進行電動力試驗其時間與導電度變化圖。導電度的變化與水中離子總濃度、移動性、價數、相對濃度、pH值及水溫都有關系，由圖3A至圖3D可以看出，不同電壓梯度的導電度的變化都有上升的趨勢，特別是在電壓梯度為4.0V cm^-1時，從實驗初始3mS cm^-1上升至16mS cm^-1，其主要是當操作于4.0V cm^-1時，系統電解液溫度顯著提升，推測其導電度上升的主要原因為溫度上升所影響。根據溫度的變化趨勢發現，當電壓梯度4.0V cm^-1時，溫度的變化從初始實驗前20℃左右持續上升至實驗第五天約90℃，推測溫度的劇烈變化導致導電度的改變。另外，不管在陰極端或陽極端導電度皆有上升趨勢，且變化趨勢十分相似，其主要為本系統電動力技術回流系統的影響。

而最重要的重金屬濃度變化，請參考圖4A至4D以及圖5A至圖5D。首先，圖4A至4D為不同電壓梯度以電動力技術去除土壤中鎘濃度的去除成效變化圖。以整體趨勢而言，鎘濃度在各種電壓梯度條件下皆有下降的趨勢。當電壓梯度為1.0V cm^-1時，第一天的試驗下，三個不同位置(陰極端、中間端與陽極端)皆可達到約60％以上的去除效率，從原始約120mg kg^-1降至約50mg kg^-1以下，然而在第一天之后直到試驗第五天結束皆呈現較平緩狀態，第五天結束后以靠近陰極端的去除率最佳，達到約79％的去除，其次為中間端73％，陽極端為58％，鎘濃度總平均去除率為70％。當提高電壓梯度為2.0V cm^-1時，在第一天的試驗下，靠近陰極端位置的鎘濃度去除即可達80％，在五天試驗結束后鎘濃度平均去除效率可提升達86％，同樣以靠近陰極端的93％為最高，其次為中間端，效率較差為靠近陽極端位置。當電壓梯度為1.0V cm^-1及2.0V cm^-1時發現，靠近陽極端于第五天鎘濃度有略上升的趨勢，主要推測為本系統為回流系統裝置，當污染物被電滲透流驅動至陰極端時，由于電壓梯度較小的緣故，無法完全順利電鍍于陰極電極上，而被回流裝置又帶回陽極端，導致陽極端的 濃度有上升的趨勢。然而，當電壓梯度提升為3.0V cm^-1時，不管在陽極端、中間端及陰極端，鎘平均去除效率可達91％，濃度皆可從約122mg kg^-1降至12mgkg^-1以下，效果十分顯著；不過，當再提升至電壓梯度4.0V cm^-1時，鎘金屬平均去除效率雖可達93％，但與電壓梯度3.0V cm^-1差異不大。根據結果顯示，提升電壓梯度能有效提升鎘污染物的去除，當電壓梯度為1.0V cm^-1、2.0V cm^-1、3.0V cm^-1及4.0V cm^-1時，鎘最終濃度分別為36mg kg^-1、17mg kg^-1、10mg kg^-1及10mg kg^-1，其平均去除率為79％、86％、91％及93％。從四個不同電壓梯度發現，不同位置的重金屬污染物濃度去除部分，皆是以靠近陰極端去除的重金屬濃度較為顯著。

圖5A至圖5D則為鉛在不同電壓梯度下的濃度變化趨勢圖。由圖可以看出不同電壓梯度進行電動力系統操作第1天時，鉛濃度達到平均32％～62％的去除效率，其中皆以靠近陰極端處理效果最佳。當系統操作于電壓梯度1.0V cm^-1，鉛濃度在不同位置分別為陽極端69％、中間端91％及陰極端93％，平均去除效率為84％，并可從濃度1,750mg kg^-1降至270mg kg^-1。當電壓梯度為2.0V cm^-1以及3.0V cm^-1時，在第一天的試驗下，仍然以靠近陰極端位置的鉛濃度達最佳的去除約73％和75％，在五天試驗結束后鎘濃度平均去除效率達80％和83％，兩者的差異并不大。然而，從圖中同發現，當電壓梯度在1.0V cm^-1及2.0V cm^-1時，在最后一天處理后的鉛濃度有些微上升的現象，其推論與鎘濃度上升的原因相同，主要受到回流的影響，將污染物帶往陽極端造成濃度上升的現象。

當持續提升電壓梯度到4.0V cm^-1時，除了陽極端外，中間端和陰極端位置的濃度去除可達到75％，平均效率可達到60％去除，當試驗在第五天時，鉛濃度平均去除率更可達到97％。從結果顯示，當電壓梯度操作在1.0V cm^-1～3.0Vcm^-1時，對于鉛濃度的變化沒有明顯提升，但當提升至4.0V cm^-1時，整體的去除效率皆可有效提升，濃度可從約2,105mg kg^-1降至80mg kg^-1以下。同樣，從不同電壓梯度中發現，重金屬污染物濃度去除部分仍是以靠近陰極端去除的重金屬濃度較為顯著。

根據鉛濃度的變化可得知，當操作為電壓梯度1.0V cm^-1，第五天的平均濃度為270mg kg^-1，即可達到食用作物農地的監測基準值300mg kg^-1；當操作電壓梯度為4.0V cm^-1，平均濃度為52mg kg^-1，遠低于食用作物農地的監測基準值。在電動力系統操作程序中，施加電壓可使系統產生的電滲透流與離子遷移等作用，其可有效的將重金屬離子鎘與鉛遷移至陰極板上，當電壓梯度為1.0Vcm^-1時，不管對于鎘及鉛金屬最后去除可達約80％。當施加的電壓梯度越高時， 金屬鎘離子遷移的速度越迅速，進而可提高其去除效率，因此重金屬鎘去除率與電壓梯度呈正相關性。然而，鉛金屬則需當電壓梯度提升至4.0V cm^-1時才有明顯增加趨勢，其主要推測因土壤中含有兩種金屬污染物，彼此間可能會產生競爭的作用，進而需要較大的電場進行處理。不過，通過五天的處理下，本系統對于土壤中同時含有兩種重金屬(鎘及鉛)污染物具有顯著的去除成效，結果證實本技術能有效移除鎘及鉛金屬的污染土壤。

再請參考圖6，為了有效得知重金屬污染物從土壤移除后是殘留于電解液中，抑或者是直接電鍍于陰極電極上，故將針對電解液中重金屬和陰極電極上的重金屬進行分析，以獲得相關數據，了解重金屬陰極電鍍的成效并估算及金屬回收率。陰極電鍍金屬的分析方法是將電動力處理五天后的陰極電極浸泡于0.01M硝酸10分鐘后，將水樣過濾并定量，隨后進行火焰式原子吸收光譜儀(AA)分析樣品的重金屬濃度。從圖中顯示，試驗第一天電解液中的鉛濃度較高(約122mg L^-1)，之后持續下降，到試驗在第五天后電解液中濃度降為17mgL^-1，顯示電解液中殘留的重金屬隨著處理時間而下降。另外，陰極電極上所電鍍的重金屬濃度部分則顯示于下表2，其中包括污染土壤重金屬初始濃度、電鍍在陰極電極上的重金屬濃度以及試驗五天后的重金屬回收率。鎘金屬初始濃度為156mg kg^-1，處理五天后陰極板電鍍金屬濃度為132mg kg^-1，顯示在五天的操作時間下，能將土壤中重金屬有效電鍍于陰極板的比例達到85％，鉛金屬在五天的操作時間下能達到70％的電鍍成效。顯示在本系統電壓梯度3V cm^-1操作下，在五天的試驗時間下，能有效將大部分的金屬電鍍于陰極電極上。

表2

綜上所述，本發明的系統能使受到鎘與鉛雙重污染的土壤其鎘與鉛濃度皆顯著下降，達到有效的去除，甚至達到食物作物農地的標準，且pH值保持穩定，系統本身具重復利用性，極具進步之效。