Spôsob sanácie pôdy a pôdneho inžinierstva

Číslo patentu: E 1670

Dátum: 26.09.2003

Autori: Hopkinson Laurence James, Cundy Andrew Brian

Je ešte 8 strán.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

0001 Vynález sa týka elektrokinetického spôsobu ochrany podzemných vôd, sanácie pôdy a pôdneho inžinierstva a konkrétnejšie spôsobu, ktorý zahrnuje strategické elektrokinetické umiestňovanie na železo bohatej bariéry V pôdach, sedimentoch a kaloch.0002 Kontaminovane pôdy a spodné vody na miestach priemyselných činností, likvidácie a vylievania odpadov sú vážnym ekologickým problémom. Hoci íly a naplaveniny majú tendenciu zachytiť veľké množstvá ťažkých kovov, rádionuklidov a vybraných organických znečisťujúcich látok (Kovalick 1995), sú relatívne odolné voči sanácii tradičnými technológiami (napríklad čerpaj a spracuj, premývanie pôdy) v dôsledku svojich nízkych hydraulických vodivosti. Toto podnietilo značný rozsah výskumov v oblasti efektívnych in situ techník, ldorć sa dajú použiť na sanáciu pôd s nízkou priepustnosťou a vysokým obsahom ílov. Jednou z nových technológií, ktorá vyvolala značnú pozomosť, je elektrokinetická sanácia. Elektrokinetika je proces,ktorý separuje a extrahuje ťažké kovy, rádionuklidy a organické, anorganické, BTEX a rádioaktívne kontaminanty z nasýtených alebo nenasýtených, na íly bohatých pôd, bahien a sedimentov pod vplyvom pôsobiaceho elektrického poľa. Experimenty ukázali, že je použiteľné na mnohé organické, anorganické a rádioaktívne odpady (Acar a kol., 1993 Kovalick 1995 Virkutyte a kol., 2002).0003 Elektrokinetický proces zahmuje použitie jednosmerného prúdu (DC) s nízkou intenzitou medzi pármi elektród, ktoré sa zasadilí do zeme na každej strane kontaminovanej pôdnej masy. Keď sa DC elektrické polia aplikujú na kontaminovanú pôdu cez elektródy, umiestnene do zeme, dôjde k migrácii nabitých iónov. Kladné ióny sa pohybujú smerom k záporne nahitej katóde, zatiaľ čo záporne ióny sú priťahovane ku kladne nabitej anóde. Ukázalo sa, že neiónové formy sa transportujú spolu s elektroosmoticky vyvolaným prúdenírn vody. Elektrokinetická sanácia je možná tak u nasýtených, ako aj u nenasýtených pôd.0004 Dominantnou a najdôležitejšou reakciou na prenos elektrónov, ku ktorej dochádza na elektródach počas elektrokinetického procesu, je elektrolýza vody. Spodná voda disociuje na elektródach prostredníctvom reakcií HzO - 2 H 1/2 Og(g) 2 e (anóda) 2 HZO 2 e - 2 OH H 2(g) (katóda)To vytvára kyslé okolie (v dôsledku nadbytku H iónov) okolo anódy a zásadite okolie (v dôsledku nadbytku OH iónov) okolo katódy.0005 Elektrický prúd spôsobuje elektroosmózu a migráciu iónov, ktorá pohybuje vodou a kontaminantmi vo vodnej fáze pod povrchom od jednej elektródy k druhej. Tiež spôsobuje elektroforézu, ktorá vedie k migrácii koloidných frakcií. Sprievodnými reakciami sú sorpcia, precipitácia a rozpúšťanie. Kontaminanty vo vodnej fáze a kontaminanty, desorbované z častíc pôdy, sú transportované smerom k anóde alebo katóde v závislosti od ich náboja. V existujúcich komerčných elektrokinetických systémoch sa kontarninanty bežne extrahujú sekundárnym systémom zberania alebo sa ukladajú na elektróde. Spôsoby zberania kontaminantov, ktoré migrovali k elektródam, zahrnujú pokovovanie, precipitáciu/koprecipitáciu, čerpanie v blízkosti elektródy alebo vytváranie komplexov živicovými meničmi iónov. Často sa používajú povrchovoaktívne látky, komplexotvome činidlá a iné reagenty na podporenie pohybu kontaminantov (Acar a kol., 1993 Virkutyte a kol., 2002). Avšak najviac kontamínované miesta obsahujú zmesi odpadov a nie len jednotlive kontaminanty, čo komplikuje sanáciu.0006 V súčasnosti neexistuje žiadny štandardizovaný, univerzálny prístup k sanácii pôd/sedimentov. Namiesto toho existuje rad technológií (napríklad LasagnaTM, Electro-KleanTM, elektrochemická geooxidácía),z ktorých každá má vlastné prevádzkovové a konštrukčné požiadavky a obmedzenia (Virkutyte a kol., 2002).Mnohé z týchto technológií sú technicky zložité a energeticky náročné a zamerané na odstránenie 90 aleboviac špecifických kontaminantov pri veľmi špecifických poľných alebo laboratórnych podmienkach. Avšak vreálnom prostredí môže byť vhodnejšou a realistickejšou menej technicky vyspelá a energeticky náročná0007 Pri elektrokinetickej sanácii sa bežne používajú elektródy, ktoré sú inertné voči anodickémurozpúšťaniu. Tieto zahmujú grantové, platinové, zlaté a strieborné elektródy, hoci sa tiež použili menej drahéelektródy, vyrobené z titánu, nehrdzavejúcej ocele a plastov. Na elektrokinetickú sanáciu a zber sú vhodné kovy, ako je olovo, chróm, kadmium, med, urán, ortuť a zinok, ako aj polychlórované bifenyly, fenoly,chlórfenoly, toluén, hichlóretán a kyselina octová.0008 Hlavnými parametrami, ktoré ovplyvňujú celý proces, sú vlastnosti pôdy, hĺbka a typ kontaminácie, cena vhodných elektród a umiestnenie zón spracovania, čas čistenia a cena práce (Virkutyte a kol., 2002).Faktormi, ktoré ovplyvňujú cenu procesu elektrokinetickej sanácie, sú charakteristiky pôdy a vlhkosť, koncentrácie kontaminantov, koncentrácia iónov, ktoré nie sú Cieľové, a vodivosť vody v póroch, hĺbkasanovanej pôdy, požiadavky na prípravu miesta a náklady na elektrinu (van Cauwenberghe 1997). Z hľadiska nákladov optimalizovaná vzdialenosť medzi elektródami pre komerčné systémy je 3 až 6 m pre väčšinu pôd(Lagerman 1993 Ho a kol., 1999). Ak je rýchlosť migrácie kontaminantov približne 2 až 3 cm/deň, časovýrámec pre úspešnú sanáciu medzi elektródami s odstupmi 2 až 3 m je v poriadku 100 dní, hoci sa všeobecnepoužívajú katiónovo selektíwie membrány a iné technológie na skrátenie doby sanácie na 10 až 20 dní (vaniné fixné náklady (Ho a kol., 1997).0009 Cieľom tohto vynálezu je poskytnúť zlepšený elektrokinetický spôsob ochrany spodných vôd, sanáciepôdy a pôdneho inžinierstva, ktorý je nizkonákladový, efektívny a flexibilný pri jeho aplikácii. Tento spôsobzahmuje 0 strategické a vzdialené elektrokinetické umiestnenie na železo bohatej bariéry s požadovanou geometriou,ktoré vytvára fyzikálnu a/alebo chemickú bariéru kontaminantom a zlepšuje inžinierske vlastnosti pôd a sedimcntov (kontaminovaných alebo nie)o vytvorenie pH/Eh gradientu na remobilizáciu a/alebo zachytenie kontaminantov v pôdach, sedimentoch a kaloch aI stabilizáciu a strategické odvodnenie/opätovné zavodnenie pôd/sedimentov/kalov, nútenú a usmemenú migráciu kontaminovaných výluhov a elektroosmotické uvoľňovanie nepolámych kontaminantov.Na rozdiel od existujúcich elektrokinetických technik metóda podľa tohto vynálezu poskytuje robustný, neselektívny pristup s nízkymi energetickými nárokmi k zníženiu obsahu a obmedzeniu kontaminantov azakladá sa na prírodných procesoch mineralizácie železa, ku ktorým dochádza v prostredí blízko povrchu.Okrem toho, keďže tento systém napodobňuje prírodu (napríklad tvorba železných paniev) a železo je často savyskytujúci prvok v skalných a pôdnych systémoch a je relatívne netoxické, ekologické dopady sú minimálne.Navyše, železo samotné má dobre zdokumentované vlastnosti na zachytávanie kontaminantov.0010 Podľa tohto vynálezu sa poskytuje elektrokinetický spôsob ochrany spodných vôd, sanácie pôdya/alebo pôdneho inžinierstva, ktorý zahmuje aplikáciu elektrického poľa medzi na železo bohatýmigalvanizačnými elektródami, ktoré sú zasadené do oblasti vodu obsahujúcej pôdy, sedimentu alebo kalu tak,aby vytvorili strmý pH a Eh gradient od kyslých až po zásadité podmienky so spontármou in situ precipitáciou stabilného na železo bohatého pásu, vznikajúceho na hranici medzi kyslou a zásaditou zónou.0011 Spôsob podľa tohto vynálezu sa vyznačuje zvýšením pohyblívosti a rozpustností kontaminantov aplikáciou elektrického náboja a súčasne zastavením ich migrácie bud fixáciou na elektrochemicky vytvorený pás železa, ktorý precipituje v spracúvanej oblasti, alebo nútenou precipitáciou v rámci naloženého Eh/pH poľa. Tento prístup sa líši od iných sanačných techník, pretože je usmemený cieľavedome k vytvoreniu pásu železa in silu medzi katódou a anódou, čo súčasne vytvára fyzikálnu, ako aj chemickú bariéru využíva nizke napätie,typicky menej než 0,5 voltu na cm vzdialenosti medzi elektródamí (s malými požiadavkami na energiu), aby vytvoril silný Eh/pH gradient v pôdach a sedimentoch používa lacné materiály pre galvanizačnú katódu a anódu diferenciálnym odvodnením môže vyvolať kontrolovaný pokles a zníženie priepustnosti a toto sa dá vyvolať v prírodných a priemyselných materiáloch V laboratómych časových intervaloch. Na rozdiel od toho súčasné komerčné techniky majú o poriadok vyššie energetické požiadavky, aktívne sa vyhýbajú vytvoreniu pH gradíentu a precipitácií železa alebo kontaminantov v pôde alebo sedimente (napríklad súčasné elektrokinetickć techniky) alebo používajú ex situ čistenie/likvidáciu alebo ťažké inžinierske technológie (napríklad priepustné reaktívne bariéry).0012 Tento vynález je nízkonapäťová ( 0,5 V/cm, vo väčšine prípadov menej než 0,2 V/cm) technika na elektrochemickom základe, ktorá používa elektrokinetiku na vytvorenie silného pH gradíentu (typicky od pH 2 do pH 13) a Eh gradíentu v pôdach, sedimentoch a bałmách, na destabilizáciu/rozpúšťanie minerálov a vynútene in sítu precipitácie stabilnćho, na železo bohatého pásu. Vnútome elektricke polia v miere, v akej sa používajú V spôsobe podľa tohto vynálezu, sa v 0 všeobecnosti vyskytujú prirodzene v skalných a pôdnych telesách a môžu vznikať v dôsledku rozličných podmienok. Bežným výsledkom tohto javu je elektricke vytvorenie pásov železnej rudy v nezacementovaných sedimentoch (napríklad Jacob a kol., 1996). Takéto pásy,ktoré sa zistili v mnohých geologických systémoch, môžu vznikať, keď nastáva elektrolytická disociácia vody s tvorbou anódovej zóny, vyznačujúcej sa kyslými iónmi (pH 2,0 - 2,5), a katódovej zóny, vyznačujúcej sa zásaditými iónmi (pH 10,5 - 11,5). Ako dôsledok tohto potenciálového rozdielu sa vyvinie ostrá hraničná zóna,v ktorej dochádza k prudkej zmene pH od 2,5 do 8. Tam, kde je v systéme prítomné dostatočné množstvo železa, dochádza k spontánnej precipitácii nerozpustných hydroxidov a oxidov kovu (hlavne železa) v bode tohto pH skoku (Jacob a kol., 1996). Môžu tiež byť prítomné malé množstvá prírodného (t. j. nulmocného) železa. V prirodzených usporiadaniach sú takéto pásy, bohaté na trojmocnć železo, vo všeobecnosti slabo kryštalické alebo amorfné (napríklad Hopkinson a kol., 1998).0013 Spôsob podľa tohto vynálezu teda emuluje tieto prirodzené mineralizačné procesy so železom(III), ale v experímentálnych a nie geologických časových intervaloch, aplikovanĺm jednosmerného elektrického potenciálu na elektródy na vypestovanie pásov minerálnych fáz so železom(III) v blokoch sedimentu alebo pôdy, na využitie ich adsorpčných vlastností na zachytávanie alebo strhávanie kontamínantov z vodnej fázy,alebo extrahovaných z pôdnych častíc, počas ich migrácie v aplikovanom elektrokinetickom poli. Čerstvo precipitovane amorñié alebo slabo kryštalické, na Fe bohaté tuhé látky typu, ktorý vytvára tento spôsob, sú extrémne účinnými lapačmi ťažkých kovov, rádionuklidov a organických znečisťujúcich látok v mnohých prostrediach (Bendell-Young a Harvey 1992, Cundy a Croudace 1995). Nuhnocné železo samotné je dôležitým katalyzátorom na odchlórovanie toxíckých chlórovaných alifatických zlúčenín (Haran a kol., 1996). Navyše,keďže tento spôsob vytvára silne kyslé podmienky u anódy a silne zásadité podmienky u katódy, kontaminanty,ktoré sú viazané na častice pôdy alebo sedimentu (ako sú rádionuklidy a ťažké kovy), ktoré sú rozpustné buď pri kyslých alebo zásaditých podmienkach, sa solubilizujú a sú nútene migrovať smerom k príslušnej elektróde,a teda precipitujú alebo koprecipitujú s pásom železa. V podstate tento vynález poskytuje možnosť vymyť kontaminanty z parciel kontaminovaných sedimentov a potom ich opätovne zachytiť a skoncentrovať ich v páse železa alebo v jeho blízkosti. To ponúka schopnosť in situ vyčistiť kontaminované pôdy, sedimenty a bahná. Dása dosiałmuť vyčistenie celého objemu pôdy medzi elektródami, a naneseniu kontaminantov na katódu sa dá zabrániť jednoducho obrátením polarity elektród v pravidelných intervaloch.0014 Prístup, obsiahnutý V spôsobe podľa tohto vynálezu, sa líši od existujúcich in situ sanačných technológií, ako sú priepustné reaktívne bariéry, v tom, že namiesto len zachytávania kontaminantov z roztoku tento systém v skutočnosti mobilizuje kontaminanty do roztoku pred ich následným zachytením reaktívnym pásom/ naloženým Eh/pH gradientom, takže sa čistia tak kontarninované pôdy, ako aj spodné vody. Líši sa od existujúcich elektrokinetických technik použitím lacných elektród (napríklad elektród, vyrobených z liatiny,železného šrotu, nehrdzavejúcej ocele alebo iného na železo bohatého materiálu), svojimi nízkymi požiadavkami na energiu a čo je najvýznamnejšie, cieleným vytváraním sorpčného pásu železa v spracúvanom materiáli. Preto je tu opísaná elektrokinetická technika inovatívna a jasne sa odlišuje od iných systémov elektrokinetického spracovania. Precipitovaný pás železa však predstavuje oveľa viac než len chemickú zberňu pre toxické kontaminanty, uvoľnené z bloku sedimentov oxidáciou-redukciou a pH reakciami. Elektrokínetický proces, ktorý spúšťa tvorbu pásu železa, sa tiež môže použiť na zlepšenie inžinierskych vlastností a podstatne zmenšiť priepustnosť pôd a sedimentov diferenciálnym odvodnenim ílov a tvorbou pásu železa. Preto elektrokinetická precipitácia trojmocného železa predstavuje prostriedok lyzikálneho obmedzenia vylievaných odpadov, vytvárajúc reaktívnu bariéru kvapalným vylievanýrn odpadom, ktorá sa dá opätovne uzavrieť a zosilniť periodickou aplikáciou elektrického prúdu (napríklad pri fyzikálnom zachytávani a sorbovaní výluhu,ktorý perkoloval cez základný plášť skládky odpadov). Okrem toho tento spôsob ponúka možnosť strategickým odvodnením alebo opätovným zavodnením pôd a sedimentov a tvorbou pásu železa znova zavodniť a stabilizovať pôdy pre aplikácie stavebného inžinierstva (napríklad pre stavebné podniky). Existujúce Odvodňovacie techniky zahmujú úplné odvodnenie veľkoobjemových kalov (napríklad Lamont-Black 2001),zatiaľ čo tento spôsob sa aplikuje in situ na strategické opätovne zavodnenie alebo odvodnenie a zosilnenie alebo vo všeobecnosti zlepšenie inžinierskych vlastností parciel pôdy a tak má mnoho možných použití v stavebnom inžinierstve (ako je riešenie poklesu pôdy).0015 Spôsob podľa tohto vynálezu sa môže priamo použiť vo vzťahu k integrite plášťov skládok odpadov,technológiám priepustných reaktívnych bariér a kanálových a vrátových systémov, kontrolovanému diferenciálnemu poklesu, zlepšeniu inžinierskych vlastností pôd a sedimentov, sanovaniu kontaminovanej zeme(pôd a sedimentov) a čisteniu kontaminovaných priemyselných bahien a kalov. V dôsledku toho bude predmetom značného záujmu a možného prospechu pre širokú paletu organizácii, napriklad ekologických agentúr, vodárenských spoločností, prevádzkovateľov skládok odpadov, stavebného inžinierstva a ekologických konzultantov a spoločností s jadrovými palivami.0016 Spôsob podľa tohto vynálezu má preto rad prekvapujúcich a významných výhod v porovnani s inými komerčnými technikami. V porovnaní s technológiami priepustnej reaktívnej bariéry poskytuje opätovne uzatvoriteľnú, na železo bohatú bariéru, ktorá sa dá vzdialene umiestniť (bez inžinierskych prác) na miestach,kde sa pracuje, a na miestach s infraštruktúrou na fyzikálne a chemické zabránenie podpovrchovej migrácíi znečisťujúcich látok, a môže presmerovať podpovrchový tok znečisťujúcich látok. V porovnaní s komerčnými elektrokinetickými sanačnými technikami má o poriadok menšie energetické nároky a náklady na elektródy,nezahrnuje použitie potenciálne toxických roztokov na úpravu, môže remobilizovať kontaminanty z tuhej fázy a súčasne zachytávať a obsahovať kontaminanty v kvapalnej fáze, a môže sa aplikovať na miesta, kde sa pracuje,alebo na miesta, ktoré obsahujú infraštruktúru.0017 Použité nizke napätie, spojené s flexibilitou, ktorú poskytuje použitie viacerých lacných elektród,znamená, že kontaminovaná zem sa dá postupne spracúvať radom elektródových polí, pričom vzdialenosť medzi jednotlivými elektródami neprekračuje niekoľko metrov. Okrem toho je prúd dostatočne malý na to, aby

MPK / Značky

MPK: C09K 17/00, B09C 1/00

Značky: inžinierstva, spôsob, podneho, pôdy, sanácie

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/16-e1670-sposob-sanacie-pody-a-podneho-inzinierstva.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob sanácie pôdy a pôdneho inžinierstva</a>

Podobne patenty