Химическое восстановление на месте
Химическое восстановление на месте (ISCR) - это тип метода восстановления окружающей среды, почвы и / или используемый для восстановления грунтовых вод с целью снижения концентрации целевых загрязнителей окружающей среды до приемлемых уровней. Это зеркальный процесс химического окисления на месте (ISCO). ISCR обычно применяется в окружающей среде путем введения химически восстановительных добавок в жидкой форме в загрязненную зону или размещения твердой среды химических восстановителей на пути шлейфа загрязняющих веществ. [ 1 ] Его можно использовать для восстановления различных органических соединений, в том числе тех, которые устойчивы к естественному разложению.
In situ в ISCR — это просто латинское слово «на месте», означающее, что ISCR — это реакция химического восстановления, которая происходит в месте загрязнения. Как и ISCO, он способен обеззараживать многие соединения, и теоретически ISCR может быть более эффективным в восстановлении грунтовых вод, чем ISCO.
Химическое восстановление — это половина окислительно-восстановительной реакции, приводящая к присоединению электронов. Один из реагентов в реакции окисляется или теряет электроны, а другой реагент восстанавливается или приобретает электроны. В ISCR восстанавливающие соединения, соединения, которые принимают электроны, отдаваемые другими соединениями в реакции, используются для превращения загрязняющих веществ в безвредные соединения.
История
[ редактировать ]Ранние работы исследовали дехлорирование меди. Субстраты включали ДДТ , эндрин , хлороформ и гексахлорциклопентадиен . Алюминий и магний ведут себя в лаборатории одинаково. Очистка грунтовых вод чаще всего фокусируется на использовании железа. [ 2 ]
Восстановители
[ редактировать ]Нульвалентные металлы (ZVM)
[ редактировать ]Металлы нулевой валентности являются основными восстановителями, используемыми в ISCR. Наиболее распространенным металлом является железо в форме ZVI (нульвалентное железо), а также это металл, который используется дольше всего. Однако некоторые исследования показывают, что нуль-валентный цинк (ZVZ) может быть в десять раз более эффективным в уничтожении загрязнений, чем ZVI. [ 3 ] Некоторые применения ZVM заключаются в очистке трихлорэтилена (TCE) и шестивалентного хрома (Cr(VI)). [ 4 ] ZVM обычно реализуются с помощью проницаемого реактивного барьера . Например, железо, внедренное в набухающий, органически модифицированный кремнезем, создает постоянный мягкий барьер под землей, улавливающий и уменьшающий мелкие органические соединения при прохождении через него грунтовых вод. [ 5 ]
Железные минералы
[ редактировать ]Минералы железа могут быть активны для дехлорирования. Эти минералы используют Fe 2+
. Конкретные минералы, которые можно использовать, включают грин раст , магнетит , пирит и глауконит . [ 6 ] Наиболее реакционноспособными из минералов железа являются железа сульфиды и оксиды . Пирит, сульфид железа, способен дехлорировать четыреххлористый углерод в суспензии. [ 2 ]
Полисульфиды
[ редактировать ]Полисульфиды – это соединения, имеющие цепочки атомов серы. Этот реагент был протестирован в полевых условиях при лечении ТВК и в сравнении с ЭГК. Использование полисульфидов является разновидностью абиотического восстановления и лучше всего работает в анаэробных условиях, где доступно железо (III). Преимущество использования полисульфидов заключается в том, что они не образуют биологических отходов; однако скорость реакции низкая, и требуется больше времени для создания минералов DVI (двухвалентного железа), необходимых для восстановления. [ 7 ]
Дитионит
[ редактировать ]Дитионит ( S
22О 2−
4 ) также может использоваться в качестве восстановителя. Обычно его используют в дополнение к железу для уменьшения загрязнений. Происходит ряд реакций, и в конечном итоге загрязнение удаляется. При этом расходуется дитионит, а конечным продуктом всех реакций являются 2 аниона диоксида серы. Дитионит нестабилен в течение длительного периода времени.
Биметаллические материалы
[ редактировать ]Биметаллические материалы — это материалы, состоящие из двух разных металлов или сплавов, прочно связанных друг с другом. Хорошим примером биметаллического материала может служить биметаллическая полоска , которая используется в некоторых видах термометров. В ISCR биметаллические материалы представляют собой небольшие кусочки металлов, слегка покрытые катализатором, например палладием, серебром или платиной. Катализатор ускоряет реакцию, а небольшой размер частиц позволяет им эффективно проникать в целевую зону и оставаться в ней. [ 8 ]
Собственные материалы
[ редактировать ]Одним из запатентованных материалов ISCR является технология EHC, созданная Adventus. Этот конкретный продукт на самом деле представляет собой смесь углерода, питательных веществ и нуль-валентного железа. Теория, лежащая в основе этого продукта, заключается в том, что углерод в смеси будет способствовать росту бактерий в недрах. Растущие бактерии потребляют кислород, который легко принимает электроны, находящиеся в недрах, что увеличивает восстановительный потенциал. Растущие бактерии также ферментируют и производят жирные кислоты, которые действуют как доноры электронов для других бактерий и веществ. Адвентус использует эту комбинацию биотических и абиотических процессов для реализации ISCR. EHC вводится в виде «суспензии» (смесь, состоящая из 15–40% твердых веществ и массы, а остальное — жидкость) в субстрат. [ 9 ]
Еще один материал, о котором стоит упомянуть, — это EZVI (эмульгированный ZVI), разработанный НАСА. EZVI используется в основном для очистки галогенированных углеводородов и ДНКПЛ . EZVI — это наноразмерное железо, помещенное в биоразлагаемую масляную эмульсию . Затем эмульсию вводят в субстрат. [ 10 ]
Реакции в ISCR
[ редактировать ]Восстановительные процессы
[ редактировать ]В ISCR могут иметь место многие восстановительные процессы. Различают гидрогенолиз , β-элиминирование, гидрирование , α-элиминирование и перенос электрона . Конкретная комбинация восстановительных процессов, которые фактически происходят в недрах, зависит от вида присутствующего загрязнителя, а также от типа используемого восстановления. Естественные и биологические процессы, происходящие в субстрате, также влияют на виды обнаруживаемых восстановительных процессов. [ 6 ]
Реакции, катализируемые поверхностью
[ редактировать ]
Реакции, протекающие с проницаемыми реактивными барьерами и двухвалентным железом, имеют поверхностный характер. Поверхностные реакции принимают три различные формы: прямое восстановление, шунтирование электронов через двухвалентное железо и восстановление путем образования и реакции водорода. Путь A представляет собой прямой перенос электронов (ET) для Fe. 0 к адсорбированному галоидуглероду (RX) в точке контакта металла и воды, что приводит к дехлорированию и образованию Fe. 2+ . Путь B показывает, что Fe 2+ (в результате коррозии Fe 0 ) также может дехлорировать RX с образованием Fe 3+ . Путь C показывает, что H 2 в результате анаэробной коррозии Fe 2+ может реагировать с RX, если присутствует катализатор.
Улучшение восстановительных путей
[ редактировать ]Обсуждаемые выше восстановительные процессы можно усилить двумя способами. Один из них — увеличение количества полезного железа в недрах для увеличения скорости восстановления химическими или биологическими средствами. Второй метод заключается в повышении восстановительной способности железа путем сочетания его с другими химическими восстановителями или использования с ним биологического восстановления. Используя этот процесс, ученые объединили дитионит натрия с железом для эффективной обработки хрома VI и ТВК. [ 2 ]
Известно также, что сочетание бактериального действия и биологических процессов с железом является эффективным. Наиболее очевидным применением биологических процессов являются технология EZVI, созданная НАСА, и продукт EHC, созданный Adventus. Оба этих материала содержат железо в некоторой биологической матрице (железо суспендировано в растительном масле в EZVI и в органическом углероде в EHC) и используют микробные организмы для расширения зоны восстановления и создания более анаэробной среды для протекания реакций.
Выполнение
[ редактировать ]Наиболее распространенным типом реализации ISCR является установка проницаемых реактивных барьеров (PRB), но бывают случаи, когда восстановитель можно закачивать непосредственно в недра для обработки участков источников.
Полупроницаемый реактивный барьер
[ редактировать ]Эти барьеры обычно изготавливаются из железа с нулевой валентностью (ZVI), но также могут быть изготовлены из любого другого металла с нулевой валентностью. Самый распространенный способ их изготовления — заполнение траншеи ZVI, наноразмерным железом или палладием. Наноразмерные частицы железа также можно впрыскивать непосредственно в недра для обработки шлейфов, они имеют большие площади поверхности и, следовательно, высокую реакционную способность и могут более равномерно распределяться в месте загрязнения. Скорость реакции палладия быстрая. Основные преимущества PRB заключаются в том, что они могут удалять множество различных загрязнений и не имеют надземной конструкции. Проблемы с PRB заключаются в том, что даже при хорошо сконструированных барьерах может возникнуть проблема гидравлического короткого замыкания. [ 11 ]
Прямой впрыск восстановителей
[ редактировать ]Наноразмерное железо может попасть прямо в недра, поскольку оно достаточно маленькое, чтобы его можно было тщательно распределить. Поскольку частицы настолько малы, они имеют сравнительно большую реакционную поверхность, что обеспечивает более эффективную реакцию. На данный момент наноразмерное железо является единственным материалом, который использовался при такой стратегии инъекции, и, вероятно, единственным материалом, который эффективен при инъекции. [ 12 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Химическое восстановление на месте | Управление рисками. Восстановление и защита грунтовых вод | Агентство по охране окружающей среды США» . www.epa.gov . Архивировано из оригинала 17 августа 2010 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Браун, РА; Льюис, РЛ; Фиакко, Дж.; Лихи, MC (май 2006 г.). «Техническая основа химического восстановления на месте». Восстановление хлорированных и неподатливых соединений . Колумбус, Огайо: Battelle Press. ISBN 1-57477-157-4 .
- ^ Ченг, Сан-Франциско; Ву, СК (2000). «Методы усиления деградации ТХЭ металлами нулевой валентности» . Хемосфера . 41 (8): 1263–1270. Бибкод : 2000Chmsp..41.1263C . дои : 10.1016/S0045-6535(99)00530-5 . ISSN 0045-6535 . ПМИД 10901257 . [ мертвая ссылка ]
- ^ Тратник, П.Г.; Шерер, ММ ; Джонсон, ТЛ; Мэтисон, LJ (8 августа 2003 г.). Методы химического разложения отходов и загрязнителей: экологические и промышленные применения . Базель, Нью-Йорк: MARCEL DEKKER, INC. с. 374. ИСБН 978-0-8247-4307-9 .
- ^ «CLU-IN | Технологии > Восстановление > О технологиях восстановления > Нанотехнологии: Применение для восстановления окружающей среды > Применение» . Архивировано из оригинала 27 июля 2011 г. Проверено 6 июня 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б РА, Браун. Состояние практики биогеохимических восстановительных преобразований in situ .
- ^ Свендсен, Б.Г., Д. Браун и Э. Дмитрович. «Химическое восстановление ТВКЭ с помощью ЭГК и полисульфида кальция». http://www.adventusgroup.com/pdfs/presentations/Chemical%20Reduction%20of%20TCE%20with%20EHC%20and%20Calcium%20Polysulfide.pdfERM . Основной доклад.
- ^ «Адвентус: ускоренная биоремедиация» . www.adventusgroup.com . Архивировано из оригинала 17 июня 2006 г.
- ^ Пэрриш, Лью. «Эмульгированное нуль-валентное железо (EZZVI». Technology. NASA, nd Web. 18 марта 2011 г. < http://technology.ksc.nasa.gov/technology/TOP12246-EZVI.htm. Архивировано 5 июля 2011 г. на Wayback). Машина >.
- ^ «Химическое окисление и восстановление для восстановления хлорированных растворителей». Восстановление на месте шлейфов хлорированных растворителей ; Строо, ХФ; Уорд CH (редакторы); Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер. стр. 293-294. ISBN 978-1-4419-1400-2 .
- ^ «Инициатива по зоне источников хлорированных растворителей». Сводный отчет SERDP и ESTCP . Ноябрь 2010 г.