Электрический резистивный нагрев

Электрический резистивный нагрев (ERH) — это интенсивный на месте метод восстановления окружающей среды , который использует поток переменного тока для нагрева почвы и грунтовых вод и испарения загрязняющих веществ. ^[1] Электрический ток пропускается через целевой объем почвы между подземными электродными элементами. Сопротивление электрическому потоку, существующее в почве, вызывает образование тепла; что приводит к повышению температуры до тех пор, пока не будет достигнута точка кипения воды на глубине. После достижения этой температуры дальнейший ввод энергии вызывает фазовый переход, образуя пар и удаляя летучие загрязнения. ERH обычно более эффективен с точки зрения затрат при использовании для очистки зон источников загрязнений.

Технология

Электрический резистивный нагрев используется в промышленности по восстановлению окружающей среды для восстановления загрязненной почвы и грунтовых вод. ERH состоит из строительства электродов в земле, подачи электричества переменного тока (AC) на электроды и нагревания недр до температур, способствующих испарению загрязняющих веществ. Летучие загрязняющие вещества улавливаются подземной системой улавливания паров и передаются на поверхность вместе с восстановленным воздухом и паром. Подобно экстракции паров почвы , воздух, пар и летучие загрязняющие вещества затем обрабатываются на поверхности для отделения воды, воздуха и загрязняющих веществ. Очистка различных потоков зависит от местных правил и количества загрязняющих веществ.

Некоторые органические загрязнители с низкой летучестью имеют короткий период при гидролизе. полураспада Для таких загрязнителей, как 1,1,2,2-тетрахлорэтан и 1,1,1-трихлорэтан , гидролиз может быть основной формой восстановления. По мере нагревания недр период полураспада при гидролизе загрязнителя будет уменьшаться, как описано уравнением Аррениуса . Это приводит к быстрому разложению загрязнений. гидролиза Побочный продукт можно удалить с помощью обычного ERH, однако большая часть массы первичного загрязнителя не будет восстановлена, а разложится до побочного продукта.

Для ERH преимущественно используются две схемы электрической нагрузки: трехфазная и шестифазная. Трехфазный нагрев состоит из электродов, имеющих повторяющуюся треугольную или дельта-схему. Соседние электроды имеют разную электрическую фазу , поэтому между ними проводится электричество, как показано на рисунке 1. Загрязненная область обозначена зеленой фигурой, а электроды — пронумерованными кружками.

Шестифазный нагрев состоит из шести электродов, расположенных шестиугольно, с нейтральным электродом в центре массива. Шестифазные массивы обведены синим цветом на рисунке 2 ниже. И снова загрязненная зона обозначена зеленой фигурой, а электроды — пронумерованными кружками. В шестифазной схеме нагрева могут быть горячие и холодные точки в зависимости от фаз, находящихся рядом друг с другом. По этой причине шестифазный нагрев обычно лучше всего работает на небольших круглых участках диаметром менее 65 футов.

ERH обычно наиболее эффективен в отношении летучих органических соединений (ЛОС). Хлорированные соединения перхлорэтилен , трихлорэтилен и цис- или транс-1,2-дихлорэтилен являются загрязнителями, которые легко удаляются с помощью ERH. В таблице показаны загрязнения, которые можно устранить с помощью ERH, а также их соответствующие температуры кипения. Менее летучие загрязнения, такие как ксилол или дизельное топливо, также можно удалить с помощью ERH, но потребность в энергии увеличивается по мере снижения летучести.

Химическая	Молекулярный вес (г)	Точка кипения (°С)
Список соединений, которые можно устранить с помощью ERH
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-дихлорэтилен	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
перхлорэтилен	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 сбалансировать общую стоимость восстановления и желаемое время очистки. Типичное восстановление может состоять из электродов, расположенных на расстоянии от 15 до 20 футов друг от друга, со временем работы обычно менее года. Конструкция 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 термическую очистку более выгодной по сравнению с большинством традиционных методов. Использование электроэнергии, необходимой для нагрева недр и улетучивания загрязняющих веществ, может составлять от 5 до 40% общей стоимости восстановления.

Существует несколько законов, регулирующих восстановление ERH. Закон Дальтона регулирует температуру кипения относительно нерастворимых примесей. Закон Рауля регулирует температуру кипения взаиморастворимых сопутствующих загрязнителей, а закон Генри регулирует соотношение загрязняющего вещества в паровой фазе к загрязняющему веществу в жидкой фазе.

Закон Дальтона

Для взаимно нерастворимых соединений закон Дальтона гласит, что парциальное давление жидкости неводной фазы (NAPL) равно давлению ее пара и что NAPL при контакте с водой закипит, когда давление пара воды плюс давление пара жидкости. ЛОС равно давлению окружающей среды. Когда образуется паровой пузырь ЛОС, состав пузырька пропорционален соответствующему давлению паров композита.

Закон Рауля

Для взаиморастворимых соединений закон Рауля гласит, что парциальное давление соединения равно давлению его пара, умноженному на его мольную долю. Это означает, что взаимно растворимые загрязняющие вещества будут испаряться медленнее, чем если бы присутствовало только одно соединение.

Закон Генри

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 примесей, которые останутся в паровой фазе (или перейдут в жидкую фазу) после выхода из конденсатора.

Последние инновации в ERH

За последние пять лет произошли значительные технологические достижения в области ERH. Тремя областями внимания были: восстановление коренных пород, 1,4-диоксан и другие возникающие загрязнители, а также контролируемое низкотемпературное нагревание для усиления других восстановительных или естественных процессов.

Лечение коренных пород

ERH используется более 15 лет для обработки рыхлых почв как в вадозной, так и в насыщенной зонах. Недавние достижения и результаты показывают, что ERH может быть эффективным методом лечения коренных пород . На объекте ERH первичный путь электрического тока проходит по тонкому слою воды, непосредственно примыкающему к зерну почвы или горной породы. Вода в поровом объеме переносит небольшой ток. В электропроводности доминирует не поровая жидкость; именно смачивающая зерно жидкость доминирует в электропроводности. Осадочная порода обычно содержит тонкий слой воды, необходимый для течения тока. Это означает, что ERH можно эффективно использовать для обработки осадочных пород, которые обычно имеют значительную первичную пористость.

1,4-Диоксан

1,4-диоксан является недавно обнаруженным загрязняющим веществом, вызывающим обеспокоенность. Нормативные критерии для 1,4-диоксана постоянно меняются по мере того, как становится все больше информации об этом загрязнителе. 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 указывают на то, что отгонка воздухом не является эффективным механизмом очистки. Недавние результаты восстановления ERH показывают, что ERH создает условия, благоприятные для лечения. Восстановление ERH включает паровую отгонку, которая исторически не исследовалась на предмет 1,4-диоксана. На объектах ERH было замечено, что паровая отпарка эффективно переводит 1,4-диоксан в паровую фазу для последующей обработки. В ходе недавней рекультивации ERH было зарегистрировано снижение на 99,8% (или более) концентрации 1,4-диоксана в грунтовых водах. Мониторинг потоков вышеуказанной очистки показывает, что 95% 1,4-диоксана осталось в потоке паров после удаления из недр. Кроме того, гранулированный активированный уголь оказался эффективным методом обработки парами 1,4-диоксана.

Контролируемый низкотемпературный нагрев

Испарение является основным механизмом удаления на большинстве сайтов ERH. Однако ERH также можно использовать для усиления других процессов, некоторые из которых происходят в природе, чтобы снизить затраты на обработку шлейфа. ERH можно использовать для обеспечения контролируемого низкотемпературного отопления в проектах с процессами восстановления, которые не включают паровую зачистку. «Низкотемпературный нагрев» означает достижение температуры под поверхностью ниже точки кипения воды. Примеры низкотемпературного ERH включают биоремедиацию с усилением тепла , нагрев недр до температур, превышающих растворимость растворенных газов, чтобы вызвать удаление летучих органических соединений (особенно вскипание углекислого газа), химическое окисление с усилением тепла in situ (особенно для активации персульфата) и нагревание. усиленное восстановление (например, при реакциях, катализируемых железом). Низкотемпературный нагрев ERH также можно использовать для гидролиза хлорированных алканов на месте при температурах ниже точки кипения, когда соляная кислота, выделяющаяся во время гидролиза, далее вступает в реакцию с подземными карбонатами и бикарбонатами с образованием диоксида углерода для подземного удаления летучих органических соединений.

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 вышеуказанной системы очистки рекуперированных паров, поскольку температура кипения не достигается. Это означает меньшее количество надземной инфраструктуры и более низкую общую стоимость.

Когда тепло сочетается с многофазной экстракцией, повышенные температуры уменьшают вязкость и поверхностное натяжение извлеченных жидкостей, что делает удаление быстрее и проще. Это первоначальная цель разработки ERH – повышение нефтеотдачи (см. § Историю выше).

Слабые стороны

К слабым сторонам ЭРХ относятся потери тепла на небольших участках. Объемы обработки, которые имеют большую площадь поверхности, но малы по глубине, будут иметь значительные тепловые потери, что делает ERH менее эффективным. Минимальный интервал обработки для эффективного восстановления ERH составляет примерно 10 футов по вертикали.
Сопутствующие загрязнения, такие как масло или жир, затрудняют восстановление. Масло и жир вызывают эффект закона Рауля, который требует больше энергии для удаления загрязнений.
Торф или подземные породы с высоким содержанием органического углерода будут преимущественно адсорбировать летучие органические соединения из-за сил Ван-дер-Ваальса . Эта преимущественная адсорбция увеличит количество энергии, необходимое для удаления ЛОС из недр.
Топливные площадки реже обрабатываются с помощью ERH, поскольку доступны другие менее дорогие технологии восстановления, а также потому, что топливные площадки обычно тонкие (что приводит к значительным потерям тепла).
Участки на свалках также представляют собой сложную задачу, поскольку металлический мусор может исказить пути прохождения электрического тока. ERH более однороден в естественной почве или камне.

Сильные стороны

ERH адаптируется ко всем типам почв и осадочным породам. ERH также эффективен как в вадозной, так и в насыщенной зонах. Некоторые литологические структуры могут ограничивать традиционные методы восстановления, препятствуя надежному пути удаления/уничтожения вызывающего озабоченность загрязнения. Поскольку электричество может проходить и действительно проходит через любую литологию, содержащую некоторое количество воды, ERH может быть эффективен в любом типе почвы. Образуя плавучие пузырьки пара в процессе нагрева, ERH создает газ-носитель, который переносит вызывающие беспокойство загрязнения вверх и наружу из любого типа почвы. ERH не способен высушить недра. Чтобы недра проводили электричество, в недрах должна присутствовать вода. Проводимость прекратится до того, как подповерхностный слой высохнет.
ERH обычно применяется под действующими зданиями или производственными объектами. Электроды можно устанавливать выше уровня земли на огороженной территории или ниже уровня земли, чтобы обеспечить неограниченный доступ к зоне обработки с поверхности.
Несмотря на то, что ERH в основном используется в зонах источников загрязнений, его можно использовать для достижения небольших целей восстановления, таких как максимальные уровни загрязнения ( MCL) для питьевой воды.
После обработки ERH повышенная подземная температура будет медленно остывать в течение месяцев или лет и возвращаться к температуре окружающей среды. Этот период с повышенными температурами является важной частью процесса восстановления. Повышенные температуры усиливают биоремедиацию , гидролиз и восстановительное дегалогенирование железа.

Ссылки

^ Пауэлл, Томас и др. « Новые достижения в области лечения на месте с использованием электрического сопротивления. Архивировано 27 марта 2018 года в Wayback Machine ». Журнал исправлений 17.2 (2007): 51-70.

Внешние ссылки

[1] Пауэлл, Томас и др. « Новые достижения в области лечения на месте с использованием электрического сопротивления. Архивировано 27 марта 2018 года в Wayback Machine ». Журнал исправлений 17.2 (2007): 51-70.

[1]