一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置及方法，装置包括探针、主控单元；主控单元包括电极极性检测�？�、基准负压校准�？�、A/D�？�、场强转换�？�、控制�？�。探针插入电动修复的土壤中，将采集的电压信号输出给主控单元，主控单元对电压信号进行基准校正、模数转换、并根据预先设定的参数计算出电场强度值。方法包括对探针采集的污染土壤的电压信号进行处理、并根据设置的参数计算电场强度值，从而实时监测污染土壤电动修复过程中的电场强度。本发明可实现污染土壤电动修复过程中电场强度的实时监测，有效提高电动修复效率。
【专利说明】一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电动修复中土壤电场监测【技术领域】，具体说是一种用于污染土壤电动 修复的电场监测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 电动修复方法污染土壤是目前一种新兴技术。污染土壤电动修复是将电极插入到 污染土壤中，形成电极矩阵，施加微弱直流电形成电�。诘缍вΦ淖饔孟拢芄挥行� 除土壤中的污染物。
[0003] 前期研究结果表明，电动修复过程中，土壤中有机污染物的降解效率与电势降存 在正相关（Lietal.，2014)，重金属污染物的迁移速率也与电场强度密切相关。因此，电场 强度等电场指标是影响污染土壤电动修复效率的重要因素。
[0004] 作为有别于水的复杂介质，目前土壤在外加电场条件下的电场强度的空间分布仅 能够靠理论计算得到（Lietal.，2010)，而土壤介质的不均一性，造成了实际电场强度与 理论值之间的空间差异。此外，电场指标除了受外加电压的影响，还受到土壤性质的影响， 例如土壤类型、含水率、盐基离子总量等。而在污染土壤电动修复过程中，电解、电迁移等电 动效应，均造成电场强度等电学指标的变化。
[0005] 如何实时监测污染土壤电动修复过程中电场强度等电学指标的时空变化，对调控 电动修复过程中电场分布，提高电动修复效率的空间均匀性，保持电动修复的高效性具有 重要意义。
【发明内容】
[0006] 为了实时监测污染土壤电动修复过程中电场强度等电场指标的时空变化，提供了 一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置及方法。
[0007] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于污染土壤电动修复的电场 监测装置，包括探针、主控单元；
[0008] 所述探针均匀插入电动修复土壤中，并通过导线与主控单元连接，用于采集电动 修复土壤中的模拟电压信号并输出给主控单元；
[0009] 所述主控单元分别连接探针、直流电源的恒定负端、电极，用于对输入的模拟电压 信号调整为正值和进行基准校正、计算电场强度值，从而实时监测污染土壤电动修复过程 中的电场强度。
[0010] 所述探针为铁镍合金探针，探针长度为5cm?15cm，直径为0. 5cm?I. 2cm。
[0011] 所述主控单元包括电极极性检测�？椤⒒几貉剐Ｗ寄？�、A/D�？�、场强转换模 块、控制|吴块；
[0012] 所述电极极性检测�？榉直鹆拥缂涂刂颇？椋糜诩觳獾缂哉�、负，并转 换为表征电极极性正、负的第1数字信号输出给控制�？椋�
[0013] 所述基准负压校准模块分别连接直流电源的恒定负端和控制�？椋糜诮邮罩绷� 电源的恒定负端输出的基准负压值并转换为第2数字信号输出给控制模块；
[0014] 所述A/D模块分别连接探针和控制�？椋糜诮邮仗秸胧涑龅哪Ｄ獾缪剐藕挪⒆� 换成表征土壤电压的第3数字信号输出给控制�？椋�
[0015] 所述控制�？榉直鹆拥缂约觳饽？�、基准负压校准�？�、A/D�？楹统∏孔� 换模块，用于接收第1数字信号、第2数字信号和第3数字信号，并根据第1数字信号和第 2数字信号对第3数字信号调整为正值和进行基准校正，并输出表征校正后土壤电压的第4 数字信号给场强转换�？椋�
[0016] 所述场强转换�？榱涌刂颇？椋糜诙越邮盏牡�4数字信号、以及预先设定的 探针空间相对位置坐标、电极间距、基准负压值进行计算转换为电场强度值；
[0017] 所述A/D模块采用A/D678芯片。
[0018] 所述控制�？椴捎肁RM7微处理器。
[0019] 所述第1数字信号为1时，表示此时检测到电极极性为正，控制�？椴桓谋涞�3数 字信号的取值正负，第3数字信号仍然为正值；第1数字信号为0时，表示此时检测到电极 极性为负，控制�？楦谋涞�3数字信号的取值正负，第3数字信号取绝对值。
[0020] 一种用于污染土壤电动修复的电场监测方法，包括以下步骤：
[0021] a.在污染土壤中插入电极，并保持电极在电动修复土壤中的位置为均匀分布；电 极为石墨电极，数量为MXN个，其中M，N均为正整数，用于污染土壤的电动修复；在污染土 壤中插入探针，并保持探针在电动修复土壤中的位置为均匀分布；
[0022] b.在主控单元中预先设定探针空间相对位置坐标、设定电极间距、基准负压值； 调整极性切换控制器设置极性切换间隔时间；
[0023] c.启动监测装置，开始监测电场变化：
[0024] 探针将采集到的电动修复土壤中的模拟电压信号输出给主控单元内部的A/D模 块转换成表征土壤电压的第3数字信号输出给控制模块；电极极性检测�？榻觳獾降谋� 征电极极性正、负的第1数字信号输出给控制模块；基准负压校准�？榻邮盏降闹绷鞯� 源的恒定负端的基准负压值转换为第2数字信号输出给控制�？椋豢刂颇？榻邮盏�1数字 信号、第2数字信号和第3数字信号，并根据第1数字信号和第2数字信号对第3数字信号 调整为正值和进行基准校正，输出表征校正后土壤电压的第4数字信号给场强转换�？椋� 场强转换�？槎越邮盏牡�4数字信号、以及预先设定的探针空间相对位置坐标、电极间距、 基准负压值进行计算转换为电场强度值，从而实时监测污染土壤电动修复过程中的电场强 度。
[0025] 本发明具有以下优点及有益效果：
[0026] 1. 土壤与水等均一环境介质不同，土壤颗粒与水分变化均会对电场强度值造成影 响，本发明克服了电动修复的污染土壤中电场受复杂土壤介质的影响，实现了复杂土壤介 质条件下电场强度等指标的监测。
[0027] 2.监测装置通过高电导率探针与具有极性检测、基准校正、模数转换功能的主控 单元，完成电信号的校准与转换，实现对电动修复的污染土壤电场强度的实时监控，从而优 化电场条件，提高污染土壤的电动修复效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1是本发明监测装置组成示意图；
[0029] 图2是本发明监测装置的主控单元组成示意图；
[0030] 图3是石油污染棕壤电动修复的电极极性与探针布设示意图；
[0031] 图4是石油污染棕壤电动修复的电场强度监测结果；
[0032] 图5是镉污染砂土电动修复的电极极性与探针布设示意图；
[0033] 图6是镉污染砂土电动修复的电场强度监测结果。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0035] 如图1所示：一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置包括探针1、主控单元2 ; 探针1为铁镍合金探针，长度为5cm?15cm，直径为0? 5cm?I. 2cm，均匀插入电动修复土 壤3中，并通过导线与主控单元2连接，用于采集电动修复土壤3中的模拟电压信号并输出 给主控单元2 ;主控单元2分别连接探针1、直流电源4的恒定负端、电极6,用于对输入的 模拟电压信号调整为正值和进行基准校正、计算电场强度值，从而实时监测污染土壤电动 修复过程中的电场强度。
[0036] 直流电源4连接极性切换控制器5、极性切换控制器5连接电极6 ;直流电源4用 于给电极6提供20V?36V的直流电源；极性切换控制器5包括时间控制器和继电器，用于 根据设定的时间间隔控制电极6的极性在正、负之间切换；所述电极6为石墨电极，数量为 MXN个，其中M，N均为正整数，用于污染土壤的电动修复。
[0037] 如图2所示：主控单元2包括电极极性检测�？�7、基准负压校准模块8、A/D�？� 9、场强转换�？�10、控制�？�11 ;所述电极极性检测�？�7分别连接电极6和控制�？�11， 用于检测电极6极性正、负，并转换为表征电极6极性正、负的第1数字信号输出给控制模 块11 ;所述基准负压校准�？�8分别连接直流电源4的恒定负端和控制�？�11，用于接收 直流电源4的恒定负端输出的基准负压值并转换为第2数字信号输出给控制�？�11 ;A/D �？�9为12位A/D转换器，采用A/D678芯片，分别连接探针1和控制�？�11，用于接收探 针1输出的模拟电压信号并转换成表征土壤电压的第3数字信号输出给控制模块11 ;所述 控制�？�11采用ARM7微处理器，分别连接电极极性检测模块7、基准负压校准�？�8、A/D �？�9和场强转换�？�10,用于接收第1数字信号、第2数字信号和第3数字信号，并根据 第1数字信号和第2数字信号对第3数字信号调整为正值和进行基准校正，并输出表征校 正后土壤电压的第4数字信号给场强转换�？�10 ;场强转换模块10连接控制模块11，用于 对接收的第4数字信号、以及预先设定的探针1空间相对位置坐标、电极6间距、基准负压 值进行计算转换为电场强度值，从而实时监测污染土壤电动修复过程中的电场强度。
[0038] 其中，第1数字信号为1时，表示此时检测到电极6极性为正，控制�？�11不改变 第3数字信号的取值正负，第3数字信号仍然为正值；第1数字信号为0时，表示此时检测 到电极6极性为负，控制�？�11改变第3数字信号的取值正负，第3数字信号取绝对值。
[0039] 实施例1
[0040] 本实施例所修复的污染土壤为实验室配置的石油污染土壤，所采的土壤为棕壤， 室内自然风干后过2mm筛子，石油采自辽河油田曙光采油厂某油坑，配制成含油量50g/kg石油污染土壤。待石油与土壤混合均匀后，分成4个处理，分别用去离子水调节含水率为 5%，10%，15%和25%，分别装入到土壤盒内（长30〇1^宽30〇1^高10〇11)。
[0041] 在污染土壤中按照图3所示布置四根电极6,电极6材质为石墨电极，直径lcm，高 11cm，外加电压为30V，并保持相邻两根电极的极性相反，通过调整极性切换控制器5,实现 电极极性间隔4h的定时切换。在污染土壤中按照图3布置探针1，探针1材料为铁镍合金， 探针长度为l〇cm，直径为lcm。
[0042] 具体操作流程包括：
[0043] 探针1均匀插入电动修复土壤3中，并通过导线与主控单元2内部的A/D�？�9 连接；电极6通过导线与主控单元2内部的电极极性检测�？�7连接；直流电源4的恒定负 端通过导线与主控单元2内部的基准负压校准�？�8连接。
[0044]连接完成后，控制流程如下：
[0045]启动监测装置，在主控单元2中，预先设定探针空间相对位置坐标（如图5)，电极 6间距大小为30cm，基准负压值为0V，外加电压为30V，数据采集时间间隔为2h，开始电信号 的数据采集。
[0046] 探针1将采集到的电动修复土壤3中的模拟电压信号输出给主控单元2内部的A/ D�？�9转换成表征土壤电压的第3数字信号输出给控制�？�11 ;电极极性检测�？�7将 检测到的表征电极6极性正、负的第1数字信号输出给控制模块11 ;基准负压校准�？�8将 接收到的直流电源4的恒定负端的基准负压值转换为第2数字信号输出给控制�？�11 ;控 制模块11接收第1数字信号、第2数字信号和第3数字信号，并根据第1数字信号和第2数 字信号对第3数字信号调整为正值和进行基准校正，输出表征校正后土壤电压的第4数字 信号给场强转换�？�10 ;场强转换模块10对接收的第4数字信号、以及预先设定的探针1 空间相对位置坐标、电极6间距、基准负压值进行计算转换为电场强度值，从而实时监测污 染土壤电动修复过程中的电场强度。
[0047] 电场强度监测结果与理论值的校验：
[0048] 电场强度是电动修复的核心指标。由表1和图4可见，与基于点电荷模型的电场强 度计算结果相比较，可以看出，土壤含水率对监测值与理论值的相关性影响较大。其中土壤 含水率在25 %时，监测值与理论值成线性相关性较好，斜率近似为1，监测值与理论值的差 值最小。因此，在适宜的含水率条件下，监测结果可真实的反应电动修复土壤的电场强度。
[0049] 表1实施例1的测试结果
[0050]
[0051]
【权利要求】
1. 一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置，其特征在于：包括探针（1)、主控单元 (2)； 所述探针（1)均匀插入电动修复土壤（3)中，并通过导线与主控单元（2)连接，用于采 集电动修复土壤（3)中的模拟电压信号并输出给主控单元（2); 所述主控单元（2)分别连接探针（1)、直流电源（4)的恒定负端、电极（6)，用于对输入 的模拟电压信号调整为正值和进行基准校正、计算电场强度值，从而实时监测污染土壤电 动修复过程中的电场强度。
2. 根据权利要求1所述的一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置，其特征在于： 所述探针（1)为铁镍合金探针，探针长度为5cm?15cm，直径为0. 5cm?1. 2cm。
3. 根据权利要求1所述的一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置，其特征在于： 所述主控单元（2)包括电极极性检测�？椋�7)、基准负压校准�？椋�8)、A/D�？椋�9)、场强 转换�？椋�10)、控制�？椋�11); 所述电极极性检测�？椋�7)分别连接电极（6)和控制�？椋�11)，用于检测电极（6)极 性正、负，并转换为表征电极（6)极性正、负的第1数字信号输出给控制�？椋�11); 所述基准负压校准模块（8)分别连接直流电源（4)的恒定负端和控制�？椋�11)，用于 接收直流电源（4)的恒定负端输出的基准负压值并转换为第2数字信号输出给控制�？� (11); 所述A/D�？椋�9)分别连接探针（1)和控制�？椋�11)，用于接收探针（1)输出的模拟 电压信号并转换成表征土壤电压的第3数字信号输出给控制�？椋�11); 所述控制模块（11)分别连接电极极性检测�？椋�7)、基准负压校准�？椋�8)、A/D�？� (9)和场强转换模块（10)，用于接收第1数字信号、第2数字信号和第3数字信号，并根据 第1数字信号和第2数字信号对第3数字信号调整为正值和进行基准校正，并输出表征校 正后土壤电压的第4数字信号给场强转换�？椋�10); 所述场强转换�？椋�10)连接控制�？椋�11)，用于对接收的第4数字信号、以及预先设 定的探针（1)空间相对位置坐标、电极（6)间距、基准负压值进行计算转换为电场强度值。
4. 根据权利要求3所述的一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置，其特征在于： 所述A/D�？椋�9)采用A/D678芯片。
5. 根据权利要求3所述的一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置，其特征在于： 所述控制模块（11)采用ARM7微处理器。
6. 根据权利要求3所述的一种用于污染土壤电动修复的电场监测装置，其特征在于： 所述第1数字信号为1时，表示此时检测到电极（6)极性为正，控制�？椋�11)不改变第3 数字信号的取值正负，第3数字信号仍然为正值；第1数字信号为0时，表示此时检测到电 极（6)极性为负，控制�？椋�11)改变第3数字信号的取值正负，第3数字信号取绝对值。
7. -种用于污染土壤电动修复的电场监测方法，其特征在于包括以下步骤： a. 在污染土壤中插入电极（6)，并保持电极（6)在电动修复土壤（3)中的位置为均匀 分布；电极（6)为石墨电极，数量为MXN个，其中M，N均为正整数，用于污染土壤的电动修 复；在污染土壤中插入探针（1)，并保持探针（1)在电动修复土壤（3)中的位置为均匀分 布； b. 在主控单元⑵中预先设定探针⑴空间相对位置坐标、设定电极（6)间距、基准负 压值；调整极性切换控制器（5)设置极性切换间隔时间； c.启动监测装置，开始监测电场变化： 探针（1)将采集到的电动修复土壤（3)中的模拟电压信号输出给主控单元（2)内部的A/D�？椋�9)转换成表征土壤电压的第3数字信号输出给控制�？椋�11);电极极性检测模 块（7)将检测到的表征电极（6)极性正、负的第1数字信号输出给控制�？椋�11);基准负压 校准�？椋�8)将接收到的直流电源（4)的恒定负端的基准负压值转换为第2数字信号输出 给控制�？椋�11);控制�？椋�11)接收第1数字信号、第2数字信号和第3数字信号，并根 据第1数字信号和第2数字信号对第3数字信号调整为正值和进行基准校正，输出表征校 正后土壤电压的第4数字信号给场强转换�？椋�10);场强转换�？椋�10)对接收的第4数 字信号、以及预先设定的探针（1)空间相对位置坐标、电极（6)间距、基准负压值进行计算 转换为电场强度值，从而实时监测污染土壤电动修复过程中的电场强度。
【文档编号】G01R29/12GK104515911SQ201410827289
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】郭书海, 吴波, 邹志红, 李凤梅, 李刚 申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所
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