买专利卖专利找龙图腾，真高效！ 查专利查商标用IPTOP,全免费！专利年费监控用IP管家,真方便！

申请/专利权人：盐城工学院

摘要：本发明公开了一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，在水隔离栏外设置有太阳能供电装置，水土混合层内设置有单位阴极，出水管内设置有单位阳极，太阳能供电装置与单位阴极之间具有阴极导线，太阳能供电装置与单位阳极之间具有阳极导线。与现有技术相比，本发明解决现有的下行潜流湿地底泥中高浓度的持久性氯代类有机污染物的累积，由此导致植物根系代谢酶活性降低，并进一步导致植物根系腐烂最终引起人工湿地退化的问题。

主权项：1.一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，包括上部开口的水隔离栏（1），水隔离栏（1）中从上至下依次布置有溢水层（2）、水土混合层（3）、第一填料层（4）、第二填料层（5），水隔离栏（1）的侧壁安装有进水管（6）和出水管（7），进水管（6）插置于溢水层（2），出水管（7）插置于第二填料层（5），植物根系位于水土混合层（3），其特征在于：所述水隔离栏（1）外设置有太阳能供电装置（8），所述水土混合层（3）内设置有单位阴极（9），所述出水管（7）内设置有单位阳极（10），所述太阳能供电装置（8）与单位阴极（9）之间具有阴极导线（11），太阳能供电装置（8）与单位阳极（10）之间具有阳极导线（12）；所述单位阴极（9）由若干碳纤维钢丝刷（13）交叉编制卷曲而成，所述碳纤维钢丝刷（13）分为不锈钢丝（14）和碳纤维（15），碳纤维钢丝刷（13）由碳纤维（15）围绕不锈钢丝（14）扭合而成；所述不锈钢丝（14）的直径为0.25mm，所述碳纤维（15）的长度为30mm；所述单位阳极（10）包括石墨块（16）和碳纤维布（17），碳纤维布（17）包裹石墨块（16）形成柱体结构，所述阳极导线（12）的一端插置于石墨块（16）内。

全文数据：一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置技术领域本发明涉及一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，属于环保技术领域。背景技术一些氯代有机物广泛地在医药、农药、制革、造纸等行业中作为一种重要的化工原料、有机溶剂和中间体。氯代有机污染物广泛存在于工业废水中，具有生物毒性，且难以生物降解。经处理后，其尾水中仍残存有一定浓度，尾水再经过人工湿地的降解，持久性污染物可降解性能较差，但会在植物根系吸附累积，当氯代污染物积累到一定浓度时，便产生生物毒性。氯代毒性有机物（例如氯酚类）可渗透细胞导致毒性积累和基因诱变。水生植物及根系微生物会在一定浓度的毒性氯代有机物下出现毒性效应，使湿地生态系统中植被活性退化，导致人工湿地生态功能下降。全球60%的人工湿地处于生态退化的状态，其中毒性污染物累积是造成的人工湿地生态失衡的重要成因。因此，针对人工湿地植被的维护和处理毒性有机污染物的工作刻不容缓。目前，卢守波等人通过一种通电式潜流人工湿地的研究，为了达到对潜流湿地的强化湿地水层对污染物的去除为目的，但在对湿地植被的根系维护及泥层的污染物的去除并未涉及。此外已有对氯代有机污染物处理大多还利用硝酸盐亚硝酸盐等作为电子受体来加速生物氧化促进氯代有机污染物分解。这些电子受体在湿地底泥-水环境中具有流动性，可以促进人工湿地表层氯代有机污染物降解转化。但是目前研究已表明提供的电子受体对污染物降解具有选择性，选择易还原的有机小分子；针对受氯代有机物污染较深的泥层，也缺乏深度修复的效果。微生物电解池microbialelectrolysiscells,MECs是一种将电能转化为化学能的电化学系统，主要是利用附加电能，协助微生物还原或氧化底物的一种生物电化学技术。微生物电解池工作原理：微生物电解池中的微生物，在其代谢过程中，电子从细胞内转移到了细胞外的单位阳极，然后通过外电路在电源提供的电势差作用下到达单位阴极。在单位阴极，电子参与还原反应。微生物电解池（MEC）的方向主要集中于制氢，后来MECs发展出集产能与治理污染的应用形式，为解决当能源问题和污染治理提供了一种新的解决方案，受到各国科学家的广泛关注。针对人工湿地的底泥受污染物污染问题，需大规模的有效工程应用处理方法。因此，本发明利用微生物电解池实现低成本，高效率的处理污染物及维护根系的方法，广泛适用于治污工程应用。发明内容本发明需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，包括上部开口的水隔离栏，水隔离栏中从上至下依次布置有溢水层、水土混合层、第一填料层、第二填料层，水隔离栏的侧壁安装有进水管和出水管，进水管插置于溢水层，出水管插置于第二填料层，所述植物根系位于水土混合层，所述水隔离栏外设置有太阳能供电装置，所述水土混合层内设置有单位阴极，所述出水管内设置有单位阳极，所述太阳能供电装置与单位阴极之间具有阴极导线，太阳能供电装置与单位阳极之间具有阳极导线。作为进一步的优选方案，所述单位阴极由若干碳纤维钢丝刷交叉编制卷曲而成，所述碳纤维钢丝刷分为不锈钢丝和碳纤维，碳纤维钢丝刷由碳纤维围绕不锈钢丝扭合而成。作为进一步的优选方案，所述不锈钢丝的直径为0.25mm，所述碳纤维的长度为30mm。作为进一步的优选方案，所述单位阳极包括石墨块和碳纤维布，碳纤维布包裹石墨块形成柱体结构，所述阳极导线的一端插置于石墨块内。作为进一步的优选方案，所述石墨块的长、宽、高的尺寸为1cm-2cm。作为进一步的优选方案，所述太阳能供电装置还包括负极和正极，阴极导线连接至负极，阳极导线连接至正极。与现有技术相比，本发明的有益效果是：一、单位阴极可以深入富含污染物浓度较高的湿地植物根系底泥层连续将氯代毒性有机物转化为无低生物毒性产物，降低植物根系周围氯代毒性有机物浓度；适当添加表面活性剂，提高污染物在土壤中的流动性；单位阳极布置于湿地出水处，利用阳极的氧化功能将还原脱氯后的污染物进行进一步降解，进一步降低毒性，提高污染物的生物可降解性。二、本发明利用电极强化人工湿地植物根系底泥中氯代污染物生物进行阴阳污染物同时去除，阴极可以达到氯代有机污染物的脱氯效果，阳极可将阴极脱氯的污染物，进一步氧化降解，可为人工强化下行潜流湿地受氯代污染物浓度较高的污泥层进行深度转化，可为长期运行并存在持久性有机物积累的人工湿地生态修复提供解决方案和技术途径。三、微生物电化学修复技术具有便于维修、成本低廉、设备简单、不造成二次污染等优点，又对机污染土壤修复的环境友好、合理且有效，能实现深度转化氯代有机物为生物低无毒性的降解产物，增加生物强化修复过程的持续性和可控性。四、单位阴极材料的延展塑性，能够有效契合不同植被根系的形状，与制备根系保持有效距离，实现根系的专属保护，能够有效解决人工湿地氯代污染物影响的问题。五、此系统使用太阳能进行供能运行，实现了能源的有效利用，以及系统的自给能力，减少了外加能源的消耗。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是电催化系统的结构示意图；图3是碳纤维钢丝刷的制造过程图；图4是单位阴极的制造过程图；图5是单位阳极的制造过程图；图6是太阳能供电装置的结构示意图；图7是本发明的工作效率图；其中，1-水隔离栏，2-溢水层，3-水土混合层，4-第一填料层，5-第二填料层，6-进水管，7-出水管，8-太阳能供电装置，9-单位阴极，10-单位阳极，11-阴极导线，12-阳极导线，13-碳纤维钢丝刷，14-不锈钢丝，15-碳纤维，16-石墨块，17-碳纤维布，18-负极，19-正极。具体实施方式下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。本发明的一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，涉及微生物-电极-污染物之间的氧化还原过程，可去除湿地植物根系中氯代有机物，解决现有的下行潜流湿地底泥中高浓度的持久性氯代类有机污染物的累积，由此导致植物根系代谢酶活性降低，并进一步导致植物根系腐烂最终引起人工湿地退化的问题。如图1所示，现有的电催化实验装置包括上部开口的水隔离栏1，水隔离栏1底部布置聚乙烯膜防渗层，水隔离栏1中从上至下依次布置有水淹没层2、土壤层3、第一填料层4、第二填料层5，其中，土壤层3的厚度约20-40cm；第一填料层4为陶粒，粒径密度8-16mm，第二填料层5都是为碎石填充，碎石规格为10-50mm，自下而上规格逐渐减小；水隔离栏1的侧壁安装有穿孔进水管6和穿孔出水管7，穿孔进水管6插置于淹没水层2，穿孔出水管7插置于第二填料层5，所述植物根系位于水土混合层3。本专利的创新在于，如图2所示，水隔离栏1外设置有太阳能供电装置8，所述水土混合层3内设置有单位阴极9，所述出水管7内设置有单位阳极10，所述太阳能供电装置8与单位阴极9之间具有阴极导线11，太阳能供电装置8与单位阳极10之间具有阳极导线12。如图3和图4所示，单位阴极9是由直径为0.2mm的不锈钢丝14和长度为30-50mm的碳纤维15，通过不锈钢丝夹杂碳纤维扭合制成的碳纤维钢丝刷13，再由碳纤维钢丝刷13以网格边长编制成一定边长网孔网状结构而制成；图3中的A表示通过四股碳纤维15扭合在不锈钢丝14的方式合成，图4中B表示将多根碳纤维钢丝刷13以30mm×30mm的网格编制成10m×10m的网状结构并卷曲形成单位阴极9；单位阴极所覆盖维护的区域面积为10m×10m，可以根据湿地植被覆盖情况而确定，所需投入使用的单位阴极数量，每块单位阴极布电压0.8v。具体的说，碳纤维钢丝刷13的制备：选取直径为0.25mm的不锈钢丝14，将备好的长度为30mm的活性炭纤维15用四股钢丝扭合的方式与钢丝扭合，形成刷状的长碳纤维钢丝；碳纤维钢丝刷13的编排：将多根碳纤维钢丝刷13编织成（边长根据湿地植物特性确定）的单位方格的网状结构，整体编织面积根据实际湿地进行确定；如图5所示，单位阳极10的材料为粒径1cm-2cm的石墨块16、钛轴碳纤维刷和碳纤维布17；所述钛轴碳纤维刷是在长120cm的钛轴一端包裹长约碳纤维布30cm，碳纤维布中包裹石墨块，包裹直径略小于穿孔出水管7管径；单位阳极10因发生氧化反应会导致石墨块16发生一定程度的退化，采用扭合连接式，便于单位阳极的抽取更新，图5中的C表示通过填充，包裹和缝合的方式组成。阴极导线11由多股导线采用并联的方式合成，内部每根导线内的多根金属丝均匀连接单位阴极一端；阳极导线12是由多股导线采用并联的方式合成，内部每根导线连接一单位阳极。如图6所示，太阳能供电装置8还包括负极18和正极19，阴极导线11连接至负极18，阳极导线12连接至正极19。单位阴极放置于受保护强化下行潜流湿地之下，由于网状结构具有良好的塑性，可根据不同的植被根系延伸情况，改编单位阴极的形状，使其贴近植被根系；各单位阳极置于人工湿地的集水系统的各个出口管附近，太阳能供电装置提供稳定支路电压0.8v，运行10d，得到去除污染物的水体和除去污染物的底泥；取受氯代有机物污染的人工湿地的基质层位于地下0-15cm层土壤作为受试土壤。采用长宽高分别为80cm×30cm×50cm的聚乙烯板制成的反应器，将反应器侧面距底部5cm处留一直径为2cm的出水口，将直径为2cm长为35cm的多孔集水管插入出水口。按照下行潜流湿地自下而上分别铺设粗砂（出水管）、湿地填料、受污染土壤（布置阴极）；将一种下行潜流人工湿地的电催化模块的单位阴极置于湿地底泥深度10cm处；将单位阳极置于有孔洞的集水出水管内；用导线连接起单位阴极和太阳能供电装置的负极，用导线连接太阳能供电装置的正极和单位阳极，运行反应器；运行时间为200min，通过稳压装置控制太阳能供电装置的附加电压为0.8V，通过改变通电时间，具体通电时间分别为60min、90min、120min、150min、180min的情况下对比底泥氯代有机污染物去除效率（异常数据经过重新实验过后得到实验样处理后浓度为0.224mgg、去除效率为88.5%），具体效率如图7。通过观察图形可知，当电压为0.8V，通电时间为60min，去除效率为83.1%，随着时间的增加氯代有机污染物的处理效率逐渐增加，当通电时间达到120min时处理效率最高值为88.8％。方法：将一种下行潜流人工湿地的电催化模块的单位阴极布置于受氯代有机污染物影响的湿地植物根系附近的底泥中，单位阳极布置于靠近人工湿地集水出口处，并分别将单位阳极和单位阴极用集成导线与太阳能供电装置相连。该模块可实现：单位阴极实现氯代有机污染物的还原脱氯，单位阳极实现对脱氯后的氯代有机物进行氧化降解。本发明具有湿地底泥持久性有机污染物的原位去除，运行连续稳定等优势，并且可有效维护人工强化下行潜流湿地。利用一种原位修复深度底泥和维护植被根系的微生物电解池装置，维护根系、降解转化氯代有机毒性污染物和修复底泥；针对不同面积的下行潜流湿地，根据可能受氯代有机污染物污染的湿地面积确定单位阴极的大小、根据湿地植物的种类选择单位阴极网格的大小，在湿地中进行平铺布置并进行模块化维护，将一种下行潜流人工湿地的电催化模块的单位阴极放置于下行潜流湿地植物土壤中，由于网状结构具有良好的塑性，可根据不同的植被根系延伸情况，改编单位阴极的形状，使其贴近植被根系；阴极导线阳极导线分别把单位阴极和单位阳极与太阳能供电装置正负极集成电路板相连；将单位阳极分别布置于各组下行潜流湿地的集水管靠近出口处；利用电极强化人工湿地植物根系底泥中氯代有机污染物进行生物电化学阴阳极双重转化降解，阴极可以达到氯代有机污染物的还原脱氯效果，阳极可将阴极还原脱氯后的产物，进一步氧化降解。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，包括上部开口的水隔离栏（1），水隔离栏（1）中从上至下依次布置有溢水层（2）、水土混合层（3）、第一填料层（4）、第二填料层（5），水隔离栏（1）的侧壁安装有进水管（6）和出水管（7），进水管（6）插置于溢水层（2），出水管（7）插置于第二填料层（5），所述植物根系位于水土混合层（3），其特征在于：所述水隔离栏（1）外设置有太阳能供电装置（8），所述水土混合层（3）内设置有单位阴极（9），所述出水管（7）内设置有单位阳极（10），所述太阳能供电装置（8）与单位阴极（9）之间具有阴极导线（11），太阳能供电装置（8）与单位阳极（10）之间具有阳极导线（12）。2.根据权利要求1所述的一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，其特征在于：所述单位阴极（9）由若干碳纤维钢丝刷（13）交叉编制卷曲而成，所述碳纤维钢丝刷（13）分为不锈钢丝（14）和碳纤维（15），碳纤维钢丝刷（13）由碳纤维（15）围绕不锈钢丝（14）扭合而成。3.根据权利要求2所述的一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，其特征在于：所述不锈钢丝（14）的直径为0.25mm，所述碳纤维（15）的长度为30mm。4.根据权利要求1所述的一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，其特征在于：所述单位阳极（10）包括石墨块（16）和碳纤维布（17），碳纤维布（17）包裹石墨块（16）形成柱体结构，所述阳极导线（12）的一端插置于石墨块（16）内。5.根据权利要求4所述的一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，其特征在于：所述石墨块（16）的长、宽、高的尺寸为1cm-2cm。6.根据权利要求1所述的一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置，其特征在于：所述太阳能供电装置（8）还包括负极（18）和正极（19），阴极导线（11）连接至负极（18），阳极导线（12）连接至正极（19）。

百度查询： 盐城工学院 一种下行潜流人工湿地的电催化实验装置