Войти
Электрический резистивный нагрев (ERH) - это интенсивный in situ восстановление окружающей среды метод, который использует поток переменного тока электричества для нагрева почвы и грунтовых вод и испарения загрязняющих веществ. Электрический ток проходит через заданный объем почвы между элементами подповерхностного электрода. Сопротивление электрическому потоку, которое существует в почве, вызывает образование тепла; что приводит к повышению температуры до точки кипения воды на глубине. После достижения этой температуры дальнейшее поступление энергии вызывает фазовый переход с образованием пара и удалением летучих примесей. ERH обычно более рентабельна при использовании для обработки зон источников загрязнения.
Трехфазный нагрев (см. Технология ниже) изначально была создана для увеличения нефтеотдачи. Эта конструкция была запатентована в 1976 году Биллом Притчеттом из ARCO. Срок действия патента истек, и теперь он доступен для публичного использования.
Шестифазный нагрев (см. «Технология» ниже) был разработан и запатентован Министерством энергетики США (DOE) в 1980-х годах для использования на объектах DOE, а также в коммерческих целях.
Нагревание электрическим сопротивлением используется промышленностью по восстановлению окружающей среды для восстановления загрязненной почвы и грунтовых вод. ERH состоит из встраивания электродов в землю, подачи электричества переменного тока на электроды и нагрева поверхности до температур, способствующих испарению загрязняющих веществ. Летучие загрязняющие вещества улавливаются подземной системой улавливания паров и выносятся на поверхность вместе с восстановленным воздухом и паром. Подобно экстракции паров почвы, воздух, пар и летучие загрязнители затем обрабатываются на поверхности для отделения воды, воздуха и загрязняющих веществ. Обработка различных потоков зависит от местных правил и количества загрязнителей.
Некоторые органические загрязнители с низкой летучестью имеют короткий период гидролиза. Для таких загрязнителей, как 1,1,2,2-тетрахлорэтан и 1,1,1-трихлорэтан, гидролиз может быть первичной формой восстановления. По мере того, как подповерхностный слой нагревается, период гидролиза периода полураспада загрязнителя будет уменьшаться, как описано уравнением Аррениуса. Это приводит к быстрому разложению загрязнителя. Побочный продукт гидролиза может быть устранен с помощью обычного ERH, однако большая часть массы первичного загрязнителя не будет извлечена, а будет разлагаться до побочного продукта.
В ERH обычно используются две схемы электрической нагрузки: трехфазная и шестифазная. Трехфазный нагрев состоит из электродов, образующих повторяющийся треугольник или треугольник. Соседние электроды имеют различную электрическую фазу, поэтому между ними проходит электричество, как показано на Фиг.1. Загрязненная область обозначена зеленой формой, а электроды изображены пронумерованными кружками.
Рис. 1. Типичное трехфазное устройство ERH Шестифазное нагревание состоит из шести электродов в шестиугольной схеме с нейтральным электродом в центре массива. Шестифазные массивы обведены синим цветом на Рисунке 2 ниже. Еще раз загрязненная область обозначена зеленой формой, а электроды обозначены пронумерованными кружками. В схеме шестифазного нагрева могут быть горячие и холодные точки в зависимости от фаз, которые находятся рядом друг с другом. По этой причине шестифазный нагрев обычно лучше всего работает на небольших круглых участках диаметром менее 65 футов.
Рис. 2. Типичная шестифазная структура ERH ERH обычно наиболее эффективна для летучих органических соединений (ЛОС). Хлорированные соединения перхлорэтилен, трихлорэтилен и цис- или транс-1,2-дихлорэтилен являются загрязнителями, которые легко устраняются с помощью ERH. В таблице указаны загрязнители, которые можно удалить с помощью ERH, а также их соответствующие точки кипения. Менее летучие загрязнители, такие как ксилол или дизельное топливо, также могут быть устранены с помощью ERH, но потребности в энергии возрастают по мере уменьшения летучести.
| Список соединений, которые можно исправить с помощью ERH | ||
| Химический | Молекулярный вес (г) | Точка кипения (° C) |
|---|---|---|
| 1,1,1-трихлорэтан | 133,4 | 74 |
| 1,1,2-трихлорэтан | 133,4 | 114 |
| 1,1-дихлорэтан | 99 | 57 |
| 1,1-дихлорэтен | 97 | 32 |
| 1,2-дихлорэтан | 99 | 84 |
| 1,2-дихлорпропан | 167,9 | 97 |
| бензол | 78,1 | 80 |
| четыреххлористый углерод | 153,8 | 77 |
| хлорбензол | 112,6 | 132 |
| хлороформ | 119,4 | 62 |
| цис-1,2-дихлорэтиен | 97 | 60 |
| дибромэтан | 187,9 | 132 |
| этилбензол | 106,2 | 136 |
| 1,1,2-трихлор-1,2,2-трифторэтан | 187,4 | 48 |
| бензин | 100 | 100 |
| метиленхлорид / дихлорметан | 84,9 | 41 |
| 4-метил-2-пентанон / метилизобутилкетон | 100,2 | 117 |
| 2-метокси-2-метилпропан / метил-трет-бутиловый эфир | 88,1 | 55 |
| перхлор этилен | 165,8 | 121 |
| трихлорэтен | 131,5 | 87 |
| трет-бутиловый спирт | 74,1 | 83 |
| толуол | 92,1 | 111 |
| транс-1,2-дихлорэтен | 97 | 48 |
| винилхлорид | 62,5 | -14 |
| ксилол | 106,2 | 140 |
Расстояние между электродами и время работы можно регулировать, чтобы уравновесить общие затраты на восстановление с желаемым временем очистки. Типичное восстановление может состоять из электродов, расположенных на расстоянии 15–20 футов друг от друга, а время работы обычно составляет менее года. Дизайн и стоимость системы восстановления ERH зависят от ряда факторов, в первую очередь от объема почвы / грунтовых вод, подлежащих очистке, типа загрязнения и целей очистки. Физические и химические свойства целевых соединений регулируются законами, которые делают горячие восстановители более предпочтительными по сравнению с большинством обычных методов. Потребление электроэнергии, необходимой для нагрева грунта и улетучивания загрязняющих веществ, может составлять от 5 до 40% общих затрат на восстановление.
Существует несколько законов, регулирующих восстановление ERH. Закон Дальтона регулирует температуру кипения относительно нерастворимого загрязнителя. Закон Рауля регулирует температуру кипения взаиморастворимых со-загрязнителей, а закон Генри регулирует отношение загрязнителя в паровой фазе к загрязнению в жидкой фазе.
Для взаимно нерастворимых соединений закон Дальтона гласит, что парциальное давление жидкости в неводной фазе (NAPL) равно давлению ее пара, и что NAPL при контакте с водой закипит, когда давление пара воды плюс давление пара летучих органических соединений равно давлению окружающей среды. Когда образуется пузырек пара ЛОС, состав пузыря пропорционален давлению паров композита.
Для взаиморастворимых соединений закон Рауля гласит, что парциальное давление соединения равно давлению его пара, умноженному на его мольную долю. Это означает, что взаимно растворимые загрязнители будут улетучиваться медленнее, чем если бы присутствовало только одно соединение.
Закон Генри описывает тенденцию соединения присоединяться к воздуху в паровой фазе или растворяться в воде. Константа закона Генри, иногда называемая коэффициентом, специфична для каждого соединения и зависит от температуры системы. Константа используется для прогнозирования количества загрязняющих веществ, которые останутся в паровой фазе (или перейдут в жидкую фазу) после выхода из конденсатора.
За последние пять лет произошли значительные технологические достижения ERH. В центре внимания были три области: восстановление коренных пород, 1,4-диоксан и другие появляющиеся загрязнители, а также контролируемое низкотемпературное тепло для усиления других восстановительных или естественных процессов.
ERH уже более 15 лет используется для обработки рыхлых почв как в вадозной, так и в насыщенной зонах. Последние достижения и результаты показывают, что ERH может быть эффективным методом лечения коренных пород. На участке ERH первичный путь электрического тока проходит по тонкому слою воды, непосредственно примыкающему к почве или зернам породы. В поровом объеме вода переносит небольшой ток. Не поровая жидкость определяет электрическую проводимость; именно жидкость для смачивания зерна определяет электропроводность. Осадочные породы обычно имеют тонкий слой воды, необходимый для протекания тока. Это означает, что ERH можно эффективно использовать для обработки осадочных пород, которые обычно имеют значительную первичную пористость.
1,4-диоксан является недавно идентифицированным загрязняющим веществом, вызывающим озабоченность. Критерии регулирования для 1,4-диоксана постоянно меняются по мере того, как становится все больше информации об этом загрязнении. 1,4-диоксан имеет высокую растворимость в воде и низкую константу закона Генри, что в совокупности создает сложные проблемы, связанные с восстановлением. В условиях окружающей среды физические свойства 1,4-диоксана показывают, что удаление воздуха не является эффективным механизмом обработки. Недавние результаты реабилитации ERH показывают, что ERH создает благоприятные условия для лечения. Восстановление ERH включает отгонку пара, которая исторически не исследовалась для 1,4-диоксана. На предприятиях ERH наблюдалось, что отгонка паром эффективно переводит 1,4-диоксан в паровую фазу для последующей обработки. Снижение концентрации 1,4-диоксана в грунтовых водах на 99,8% (или больше) было зарегистрировано в ходе недавней реабилитации ERH. Мониторинг потоков обработки вышеуказанных сортов показывает, что 95% 1,4-диоксана осталось в потоке пара после удаления из-под поверхности. Кроме того, гранулированный активированный уголь оказался эффективным методом обработки паров 1,4-диоксана.
Улетучивание является основным механизмом удаления на большинстве участков ERH. Однако ERH можно также использовать для улучшения других процессов, некоторые из которых происходят в природе, для снижения стоимости обработки шлейфа. ERH можно использовать для обеспечения контролируемого низкотемпературного нагрева для проектов с восстановительными процессами, которые не включают отгонку пара. «Низкотемпературный нагрев» относится к достижению подповерхностной температуры, которая ниже точки кипения воды. Примеры низкотемпературного ERH включают усиленную нагреванием биоремедиацию, нагрев подповерхностного слоя до температур, превышающих растворимость растворенных газов, для индукции удаления ЛОС (в первую очередь кипения диоксида углерода), усиленное нагреванием in situ химическое окисление (особенно для персульфатной активации) и восстановления с повышенным нагревом (например, с реакциями, катализируемыми железом). Низкотемпературный нагрев ERH также может быть использован для гидролиза хлорированных алканов на месте при температурах ниже кипения, когда соляная кислота, выделяющаяся во время гидролиза, дополнительно вступает в реакцию с подземными карбонатами и бикарбонатами с образованием диоксида углерода для подповерхностного удаления ЛОС.
Использование низкотемпературного нагрева в сочетании с биоремедиацией, химическим окислением или дехлорированием приведет к увеличению скорости реакции. Это может значительно сократить время, необходимое для этих процессов восстановления по сравнению с восстановлением при температуре окружающей среды. Кроме того, вариант с низкой температурой не требует использования вышеупомянутой системы очистки рекуперированных паров, так как не будет достигнута температура кипения. Это означает меньше инфраструктуры над уровнем моря и меньшую общую стоимость.
Когда тепло сочетается с многофазной экстракцией, повышенные температуры уменьшают вязкость и поверхностное натяжение регенерированных жидкостей, что ускоряет и упрощает удаление. Это первоначальная цель развития ERH - повышение нефтеотдачи (см. § История выше).
