Электрокинетическое восстановление
 | Эта статья написана как личное размышление, личное эссе или аргументативное эссе , в котором излагаются личные чувства редактора Википедии или представлен оригинальный аргумент по определенной теме. ( Апрель 2022 г. ) |
Электрокинетическая рекультивация , также называемая электрокинетикой , представляет собой метод использования постоянного электрического тока для удаления органических, неорганических частиц и частиц тяжелых металлов из почвы с помощью электрического потенциала . [1] [2] [3] Использование этого метода обеспечивает подход с минимальным нарушением поверхности при очистке подповерхностных загрязнений .
Компоненты системы
[ редактировать ]Базовый участок электрокинетического восстановления содержит внешний источник постоянного тока , положительно заряженный электрод (или анод ) и отрицательно заряженный электрод (или катод ), помещенные в землю. Размещение электродов зависит от размера и формы известных шлейфов загрязнений. Удаление загрязнений и предотвращение миграции шлейфа имеют большое значение при выборе расположения электродов. Каждый электрод заключен в резервуар-коллектор, в который электролитический раствор. можно закачивать [4] Электролитические растворы служат как проводящей средой (или поровой жидкостью), так и средством извлечения загрязняющих веществ и введения химических или биологических веществ. [5] Другое применение электролитического раствора – контроль и/или деполяризация электродных реакций. Погруженные в раствор электроды могут привести к окислению на аноде и восстановлению на катоде. [1] Окисление и образование кислотного фронта являются побочными продуктами процесса и оказывают различную степень влияния на систему. Закачивая, обрабатывая и проверяя электролитический раствор на каждом участке электрода, вы можете продлить срок службы и эффективность системы.
Метод
[ редактировать ]При подаче тока на электроды от источника прямого тока происходит миграция под поверхностью почвы . Хотя многие типы миграций происходят одновременно с током, в электрокинетике есть две движущие миграции; ионная миграция и электрофорез . Когда электролитический раствор впрыскивается в почву, часть ионного раствора образует диффузный двойной слой с почвой и загрязняющими веществами. Этот диффузный двойной слой способствует дрейфу ионов, который происходит при прохождении тока через почву и окружающую жидкость. Этот процесс называется электроосмосом . [1] Толщина диффузионного двойного слоя зависит от ионного состава объемного раствора и средней плотности заряда продуктов гидратации . [3] С увеличением концентрации электролита толщина диффузного двойного слоя уменьшается. Электрофорез – это поток массы заряженных частиц под действием электрического поля . [4] Оба процесса работают одновременно, но в противотоке. Заряженные частицы перемещаются потоком электрофореза от катода к аноду, в то время как электролитический раствор течет от анода к катоду. Из двух основных процессов электрофорез (или электромиграция) преобладает над электроосмосом. [2] Электрофорез служит движущим фактором, индуцирующим течение электроосмоса в противоположном направлении. Электромиграция также служит основным компонентом удаления ионных загрязнений. Для того чтобы произошла электромиграция, поглощенный материал должен быть растворен до ионной формы, будь то металлы, органические или неорганические частицы. [1] Электроосмотический поток между электродами способствует созданию в почве среды с низким pH. Эта среда с низким pH препятствует сорбции металлических загрязнений на поверхности частиц почвы, что способствует образованию соединений, делающих возможной электрокинетику. [6] Благодаря этой мысли можно подкислить почву и вызвать выброс поглощенных тяжелых металлов. [2]
Приложения
[ редактировать ]Электрокинетическая очистка применяется ко многим загрязнителям, которые растворяются в грунтовых водах . Тяжелые металлы являются одними из основных загрязнителей, которые удаляются электрокинетическим процессом. Некоторые металлы, такие как кадмий (II), можно удалить с серьезными последствиями для затрат энергии. Хром (III) можно удалить, но с низкой эффективностью из-за легкости гидролиза, позволяющей ему сорбироваться с другими веществами. Хром (IV) также является кандидатом на электрокинетическое удаление, хотя миграция хрома (IV) замедляется в присутствии серы , поскольку он распадается на хром (III). [1] Другие виды тяжелых металлов, которые проверены и признаны поддающимися лечению, включают; ртуть , цинк , железо , свинец , медь и магний . [5] [6]
Электрокинетика также возможна с щелочными и щелочноземельными металлами, которые в большинстве сред движутся быстрее, чем тяжелые металлы. Известно, что при испытаниях напряжением от 20 до 30 вольт щелочные металлы перемещались со скоростью от 50 до 60 см в день на вольт, тогда как тяжелые металлы перемещались со скоростью от 10 до 20 см в день на вольт. [2] [7] Возможно, такая разница связана с медленной десорбцией и растворением тяжелых металлов. Электрокинетика также может быть использована для очистки полярных органических соединений ( фенола и уксусной кислоты ) и радионуклеотидов ( радия ), токсичных анионов (нитратов и сульфатов), плотных жидкостей неводной фазы (ДНАПЛ), цианидов , нефтяных углеводородов (дизельного топлива, бензин , керосин и смазочные масла), галогенированные загрязняющие вещества, взрывчатые вещества, галогенированные и полиядерные ароматические углеводороды. [5]
Преимущества
[ редактировать ]Одним из преимуществ электрокинетики является то, что очистку можно проводить на месте (внутри участка очистки) для очистки загрязнений в зонах с низкой проницаемостью для преодоления доступности загрязняющих веществ или проведения очистки. [8] Восстановление может также осуществляться ex situ (удаление из естественного объекта) для проверки и обработки загрязняющих веществ в лаборатории . Такая универсальность мест лечения может быть очень рентабельной. Электрокинетика имеет преимущество при использовании в насыщенных или ненасыщенных почвах из-за попадания поровой жидкости. Восстановление может также происходить, несмотря на слоистость или однородность почвы . [4] Для почв с низкой водопроницаемостью, таких как каолитовые и глинистые пески, можно удалить до 90% примесей тяжелых металлов. Во многих случаях необходимо провести предварительную обработку почвы, чтобы определить подходящие рабочие условия почвы. [6]
Следует отметить, что потенциальный профиль в почвах может определяться ионным распределением поровой жидкости. Поскольку распределение ионов влияет на эффективность электрокинетической системы, такие инженеры, как Джон Дзенитис, провели всестороннее исследование, чтобы найти ключевые реакции вокруг электродов, которые можно использовать для создания моделей для прогнозирования скорости ионного потока. [2] Эти модели затем можно интерпретировать, чтобы определить, является ли электрокинетическое восстановление лучшим выбором для данного объекта.
Ограничения
[ редактировать ]Основным ограничением электрокинетики является введение в почву внешней жидкости. Если примесь не растворяется, извлечь интересующую примесь невозможно. [5] Электролиз вблизи электродов может изменить pH почвы, особенно если ток подается в течение длительного периода времени. Длительное использование электрокинетической системы также может привести к возникновению кислотной среды вокруг электродов, иногда вступающей в реакцию с загрязняющими веществами. Если повышенное закисление почвы не является экологически приемлемым, следует пересмотреть использование электрокинетики. [6] Большие металлические предметы, закопанные под землей, также создают ограничение для электродов, поскольку они создают путь для короткого замыкания системы. Закопанные металлические предметы также могут изменить градиент напряжения и уменьшить или остановить поток. Удаление летучих органических соединений из почв может увеличить концентрацию почвенных паров. Как ни странно, почвы с высокой проницаемостью снижают эффективность электрокинетики. В то время как почва с низкой проницаемостью, такая как глина, может обеспечить первоначальное удаление до 90% загрязнений, почва с низкой проницаемостью, такая как торф, обеспечивает удаление первоначальных загрязнений примерно на 65%.
Другим важным ограничением процесса электрокинетики является снижение электрического потенциала системы. Различные эффекты поляризации могут ухудшить работу системы. Например: Активационная поляризация может возникнуть в процессе электрокинетического восстановления, удаляя пузырьки газа, образующиеся на поверхности электродов во время проводимости. Поляризация сопротивления может возникнуть после того, как начался процесс электрокинетического восстановления, и можно наблюдать белый слой. Как и в случае с пятнами от жесткой воды, этот слой может состоять из нерастворимых солей и других примесей, препятствующих проводимости. Концентрационная поляризация возникает, когда ионы водорода, генерируемые на аноде, притягиваются к катоду, а ионы гидроксида, генерируемые на катоде, притягиваются к аноду. Если происходит нейтрализация, потенциал между системами падает. [6] Локальное уплощение профиля электрического потенциала также может вызвать разницу в миграции. [2]
Тематические исследования
[ редактировать ]Во многих случаях изучение конкретных участков с электрокинетической коррекцией может привести к новым достижениям в технологии. Во многих случаях электрокинетическое восстановление будет сочетаться с другими формами восстановления для решения проблем, специфичных для конкретного объекта. В датской компании Wood Perseveration медь была тяжелым металлом, который загрязнял почву в двух формах; ионный раствор с различными комплексами в почве или кристаллической решетке почвенных минералов. [9] Для этого участка pH почвы был очень важным параметром из-за повышенного количества меди, присутствующей в виде ионного раствора. Создавая активные барьеры или обменные мембраны, предотвращающие попадание ионов из электродного отсека в почву. [9] Отделение почвы от электрода предназначено для предотвращения закисления катода и потери тока, поскольку высокоподвижные ионы проходят от места электрода через почву. [9]
В 1995 году на полигоне Падука, штат Кентукки, США, был разработан новый метод удаления тяжелых металлов из почв. Названный «Процессом лазаньи», он просто представляет собой создание нескольких горизонтальных проницаемых зон, используемых для очистки загрязненной матрицы почвы путем добавления различных примесей в электролитический раствор. Примеси, такие как сорбенты, каталитические реагенты, буферные растворы, окислители, в этой системе подаются через вертикальную систему с анодом внизу и катодом вверху. [6] [8] [10] Ориентация вертикальной системы анода и катода облегчает рециркуляцию жидкости и очистку системы. Образование слоев лазаньи происходит из-за разрушения переуплотненных глин под действием горизонтальных электродов. Соединение горизонтальных электродов с системой вертикального давления делает этот метод особенно эффективным при удалении загрязнений из более глубоких слоев почвы. Первое испытание этого процесса показало эффективность удаления трихлорэтилена на объекте в Падуке на 98%. Электрокинетическая реабилитация также подходит для использования на объектах с радиоактивным загрязнением. [11]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и Р. Айер, «Электрокинетическое восстановление», Наука и технология твердых частиц: Международный журнал, том. 19, 2001, с. 219.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Вада, Син-Ичиро; Умегаки, Юки (2001). «Распределение основных ионов и электрического потенциала в почве при электрокинетической реабилитации». Экологические науки и технологии . 35 (11): 2151–2155. Бибкод : 2001EnST...35.2151W . дои : 10.1021/es001335j . ПМИД 11414012 .
- ^ Перейти обратно: а б Ачар, Ялчин Б.; Альшавабке, Акрам Н. (1993). «[10.1021/es00049a002 Принципы электрокинетической реабилитации]». Экологические науки и технологии . 27 (13): 2638–2647. дои : 10.1021/es00049a002 .
- ^ Перейти обратно: а б с Х.Д. Шарма, Геоэкологическая инженерия: восстановление территорий, локализация отходов и новые технологии управления отходами, Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2004.
- ^ Перейти обратно: а б с д Акар, Ю.Б.; Гейл, Р.Дж.; Альшавабке, АН; Маркс, Р.Э.; Пуппала, С.; Брика, М.; Паркер, Р. (1995). «Электрокинетическая реабилитация: основы и состояние технологии». Журнал опасных материалов . 40 (2): 117–137. Бибкод : 1995JГцМ...40..117А . дои : 10.1016/0304-3894(94)00066-п .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Виркутите, Дж.; Силланпяя, М.; Латостенмаа, П. (2002). «Электрокинетическая ремедиация почвы - критический обзор». Наука об общей окружающей среде . 289 (1–3): 97–121. Бибкод : 2002ScTEn.289...97В . дои : 10.1016/s0048-9697(01)01027-0 . ПМИД 12049409 .
- ^ Баро, Ф.; Телье, С.; Астрюк, М. (1997). «Скорость ионов в почвенном растворе при электрокинетической рекультивации». Журнал опасных материалов . 56 (3): 315–332. Бибкод : 1997JHzM...56..315B . дои : 10.1016/s0304-3894(97)00073-3 .
- ^ Перейти обратно: а б Хо, СВ; Шеридан, PW; Атмер, CJ; Хейткамп, Массачусетс; Бракин, Дж. М.; Вебер, Д.; Бродский, П.Х. (1995). «Комплексная технология восстановления почвы на месте: процесс лазаньи». Экологические науки и технологии . 29 (10): 2528–2534. Бибкод : 1995EnST...29.2528H . дои : 10.1021/es00010a011 . ПМИД 22191951 .
- ^ Перейти обратно: а б с Оттосен, Л.М.; Хансен, Гонконг; Лаурсен, С.; Виллумсен, А. (1997). «Электродиалитическая очистка почвы, загрязненной медью в консервной промышленности †». Экологические науки и технологии . 31 (6): 1711–1715. Бибкод : 1997EnST...31.1711O . дои : 10.1021/es9605883 .
- ^ Хо, СВ; Атмер, К.; Шеридан, PW; Хьюз, Б.М.; Орт, Р.; Маккензи, Д.; Бродский, PH; Шапиро, А.; Торнтон, Р.; Сальво, Дж.; Шульц, Д.; Лэндис, Р.; Гриффит, Р.; Шумейкер, С. (1999). «Технология лазаньи для восстановления почвы на месте. 1. Небольшие полевые испытания». Экологические науки и технологии . 33 (7): 1086–1091. Бибкод : 1999EnST...33.1086H . дои : 10.1021/es980332s .
- ^ Пуркис, Дж. М.; Уорик, ЧП; Грэм, Дж.; Хемминг, SD; Канди, AB (2021). «На пути к применению электрокинетической реабилитации при выводе из эксплуатации ядерных площадок» (PDF) . Журнал опасных материалов . 413 : 125274. Бибкод : 2021JHzM..41325274P . дои : 10.1016/j.jhazmat.2021.125274 . ПМИД 33609867 . S2CID 231980091 .