Способ очистки области загрязненного неоднородного грунта

 

Изобретение относится к очистке неоднородных грунтов, ненарушенной структуры, загрязненных различными органическими и неорганическими загрязнителями (тяжелые металлы, нефтепродукты и т.п.). Область очистки может содержать различные типы загрязнителей с различной концентрацией, а также различные типы грунтов. Технический результат - снижение затрат электроэнергии. Способ очистки области загрязненного неоднородного грунта производится путем установки в грунт анодных и катодных электродов, разделения области загрязненного неоднородного грунта на зоны по характеристикам грунта и подачи в каждой зоне соответствующего напряжения постоянного тока. Область загрязненного грунта дополнительно разделяют на зоны по концентрации и/или типу загрязнителя, определяют объем V₃ грунта, подлежащего очистке в каждой зоне, определяют электрический заряд Q₃, который необходимо пропустить через каждую зону для обеспечения требуемой степени очистки, из соотношения Q₃ = q₃ · V₃, где q₃ - удельный заряд, необходимый для очистки единицы объема грунта в данной зоне. Поддерживают напряженность Е электрического поля в каждой точке очищаемой области Е ≥ 0,05 в/см, контролируют величину электрического заряда Q_ф3, который фактически проходит через каждую зону в течение времени t, прошедшего с начала очистки, по отношению где I_(t) - величина электрического тока, проходящего через очищаемую зону, и по достижении Q_ф3 = Q₃ в каждой зоне прекращают пропускание электрического тока через соответствующую зону. При очистке тонкопористых грунтов значение q₃ определяют из соотношения q₃= α·n/k, где α - коэффициент, равный количеству поровых объемов влаги, которые должны быть удалены из очищаемой зоны; n - пористость грунта; k - удельный электроосмотический перенос в данной зоне. Один или более электродов устанавливают наклонно к поверхности земли; один или более анодных электродов могут быть установлены горизонтально вблизи поверхности грунта; на поверхность грунта наносят электроизоляционное покрытие. Массу анодного электрода, устанавливаемого в каждой зоне, определяют из условия M₃≥ 2Q₃·γ, где М₃ - масса электрода, устанавливаемого в данной зоне; Q₃ - электрический заряд, который необходимо пропустить через данную зону для обеспечения требуемой степени очистки; γ - электрохимический эквивалент материала, из которого изготовлен электрод, кг/А·ч. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

Изобретение относится к очистке неоднородных грунтов, загрязненных различными органическими и неорганическими загрязнителями (тяжелые металлы, нефтепродукты и. т.п.). Способ предусматривает проведение очистки в грунте ненарушенной структуры (in situ). Область очистки может содержать различные типы загрязнителей с различной концентрацией, а также различные типы грунтов.

Известен способ электрохимической очистки грунтов от загрязнений, включающий: пропускание через грунт постоянного электрического тока между инертным анодом и нереактивным катодом, подачу жидкости, содержащей воду, в грунт около анода, электроосмотическую прогонку через грунт фронта с низким pH от области анода в направлении указанного катода, пока указанный фронт не достигнет области катода.

Данный способ имеет следующие недостатки: - не учитывается неоднородность свойств грунта в области очистки и неоднородность загрязнения, что приводит к излишним энергозатратам; - загрязнения, концентрирующиеся в приэлектродных областях в виде нерастворимых соединений, не могут быть удалены из зоны очистки (см. патент США N 5137608 по кл. C 25 C 1/22 от 30.11.1989).

Известен способ электроосмотического удаления загрязнителей из грунта, заключающийся в следующем.

Один или более пористых электродов-источников и один или более пористых электродов-стоков устанавливаются внутри участка очистки, и между электродами обеспечивается градиент напряжения: чистящая жидкость подается в электрод-источник, градиент напряжения служит причиной электроосмотического движения чистящей жидкости через загрязненный участок по направлению к электродам-стокам, чистящая жидкость замещает загрязняющий материал, что является причиной того, что загрязняющий материал движется через грунтовой участок к электродам-стокам, из которых он может быть удален откачкой (см. патент США N 5074986 по кл. C 25 C 1/22 от 06.06.1989).

Данный способ имеет следующие недостатки: - способ предполагает установку между электродами градиента напряжения, что невозможно реализовать в условиях очистки грунта ненарушенной структуры и дискретной системы электродов вследствие неоднородного распределения градиента потенциала электрического поля; - способ предполагает обязательное использование чистящего раствора и удаление грязного раствора, создание электроосмотического переноса загрязнителей, что не во всех случаях является необходимым; - не учитывается неоднородность грунта и неоднородность загрязнения в зоне очистки.

Известен также способ очистки области загрязненного неоднородного грунта путем установки в грунт анодных и катодных электродов, разделения области загрязненного неоднородного грунта на зоны по характеристикам грунта и подачи в каждой зоне соответствующего напряжения постоянного тока; в результате создается электроосмотический поток либо электромиграционное перемещение загрязнителей, либо и то, и другое (см. патент США N 5476992 по кл. C 25 C 001/22 от 17.11.1993).

Данный способ принят за прототип настоящего изобретения.

Его недостатком является излишняя затрата электроэнергии, что объясняется тем, что не учитывается тип загрязнителя, его концентрация и распределение в очищаемой области грунта.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи снижения затрат электроэнергии до уровня, необходимого и достаточного для очистки области неоднородного грунта в условиях различных типов загрязнителей и их различной концентрации в разных зонах данной области.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе очистки области загрязненного неоднородного грунта, при котором устанавливают в грунт анодные и катодные электроды, разделяют области загрязненного неоднородного грунта на зоны по характеристикам грунта, подают в каждую зону соответствующее напряжение постоянного тока, область загрязненного грунта дополнительно разделяют на зоны по концентрации и/или типу загрязнителя, определяют объем V₃ грунта, подлежащего очистке в каждой зоне, определяют электрический заряд Q₃, который необходимо пропустить через каждую зону для обеспечения требуемой степени очистки, из соотношения: Q₃ = g₃ · V₃, где q₃ - удельный заряд, необходимый для очистки единицы объема грунта в данной зоне, поддерживают напряженность E электрического поля в каждой точке очищаемой области E ≥ 0,05 в/см, контролируют величину электрического заряда Q_ф3, который фактически проходит через каждую зону в течение времени t, прошедшего с начала очистки, по отношению: где I_(t) величина электрического тока, проходящего через очищаемую зону, и по достижении Q_ф3 = Q₃ в каждой зоне прекращают пропускание электрического тока через соответствующую зону.

При очистке тонкопористых грунтов значение q₃ определяют из соотношения: где α - коэффициент, равный количеству поровых объемов влаги, которые должны быть удалены из очищаемой области, n - пористость грунта, k - удельный электроосмотический перенос в данной зоне (количество влаги, переносимой зарядом 1А · сек).

Один или более электродов могут быть установлены наклонно к поверхности земли; один или более анодных электродов могут быть установлены горизонтально вблизи поверхности грунта; на поверхность грунта могут быть нанесено электроизоляционное покрытие.

Массу анодного электрода, устанавливаемого в каждой зоне, определяют из условия: M₃ ≥ 2Q₃·γ, где M₃ - масса электрода, устанавливаемого в данной зоне, Q₃ - электрический заряд, который необходимо пропустить через данную зону для обеспечения требуемой степени очистки, γ - электрохимический эквивалент материала, из которого изготовлен электрод, кг/А · час.

Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявленному изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Реализация отличительных признаков настоящего изобретения обусловливает важное новое свойство способа, состоящее в том, что для очистки каждой зоны очищаемой области до требуемого уровня затрачивается столько электроэнергии, сколько необходимо для достижения именно этого уровня в данной зоне. Указанное обстоятельство подтверждает, по мнению заявителя, соответствие заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено: на фиг. 1 - схема, поясняющая реализацию способа, продольный разрез; на фиг. 2 - расположение электродов в плане; на фиг. 3, 4 - схемы, поясняющие реализацию способа по п. 3 формулы изобретения; на фиг. 5, 6 - схемы, поясняющие реализацию способа по пп. 4, 5 формулы изобретения.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Неоднородность грунта характеризуется его типами и параметрами, существенно влияющими на электрокинетическую очистку. К ним, в частности, относится пористость и влагонасыщенность грунта, удельное электрическое сопротивление грунта, емкость катионного обмена, удельный электроосмотический перенос. Практически любая загрязненная область содержит два и более слоев разнородного грунта (например, песок, глина). Даже при наличии одного типа грунта (например, песок) уровень грунтовых вод разделяет область очистки на существенно отличающиеся электрическими и электрокинетическими параметрами зоны водонасыщенного и ненасыщенного грунта.

Неоднородность области характеризуется также наличием в ее пределах загрязнителей различных типов и пространственной неоднородностью их концентраций. Для одного и того же типа грунта суммарный заряд, который должен пройти через загрязненную зону, существенно зависит от концентрации загрязнителя. Поэтому область очистки может быть разделена на зоны, границы которых определяются превышением концентрации загрязнителя по отношению к норме в заданное число раз.

Изображенная на фиг. 1 область грунта состоит из верхнего слоя 1, представляющего собой ненасыщенный песок, среднего слоя 2 - влагонасыщенный песок и нижнего слоя 3 - влагонасыщенная глина. Дополнительно область загрязненного грунта разделяют на зоны по концентрации и/или типу загрязнителя. В конкретном примере зоны 4 и 5 загрязнены бензином с концентрацией 3 г/кг, а зоны 6 и 7 загрязнены дизельным топливом с концентрацией 2 г/кг. Таким образом, очищаемая область разделена на четыре зоны:
- ненасыщенный песок, загрязненный бензином;
- влагонасыщенный песок, загрязненный бензином;
- влагонасыщенный песок, загрязненный дизельным топливом;
- влагонасыщенная глина, загрязненная дизельным топливом.

Определяют объемы V₃ грунта, подлежащего очистке в каждой из четырех выделенных зон: V_з1, V_з2, V_з3, V_з4. Затем определяют электрические заряды Q_з, которые необходимо пропустить через каждую зону для обеспечения требуемой степени очистки: Q_з1, Q_з2, Q_з3, Q_з4. Для этого либо путем лабораторных исследований образцов грунтов в каждой зоне, либо на основе имеющихся экспериментальных и справочных данных устанавливают удельные заряды q_з, необходимые для очистки единицы объема грунта в каждой зоне: q_з1, q_з2, q_з3, q_з4. Значение q₃ находится в пределах: 200 ≤ q ≤ 2000 А · час/м³. Далее выполняют в пределах очищаемой области скважину 8, в которой в конкретном примере размещают один общий катод 9; в скважине 10 размещены: в зоне 4 - анод 11, в зоне 5 - анод 12, в зоне 6 - анод 13, в зоне 7 - анод 14. После этого от источника 15 постоянного тока, в конкретном примере многоканального выпрямителя, к катоду 9 и анодам 11, 12, 13, 14 подают напряжения соответственно: U₁, U₂, U₃, U₄. Эти напряжения рассчитаны таким образом, чтобы поддерживать напряженность электрического поля в каждой точке очищаемой области (во всех четырех зонах) E ≥ 0,05 В/см. Далее контролируют величину электрических зарядов Q_ф3, которые фактически проходят через каждую зону в течение времени t: Q_ф31 - в зоне 4, Q_ф32 - в зоне 5, Q_ф33 - в зоне 6, Q_ф34 - в зоне 7.

Q_ф3 представляет собой интегральную переменную величину, где I_(t) - величина электрического тока, проходящего через очищаемую зону за время t. Как только величина Q_ф3 достигает рассчетного значения Q₃ в каждой зоне, прекращают пропускание электрического тока через данную зону. Процесс очистки в данной зоне закончен, а в остальных продолжается до того момента, когда величина _ф3 сравняется со значением Q₃ в каждой из очищаемых зон. Таким образом, на очистку каждой зоны затрачивается ровно такое количество электроэнергии, которое необходимо для получения требуемого результата с учетом характера грунта, типа и концентрации загрязнителя. На фиг. 1, иллюстрирующей вышеприведенный пример, присутствует один катод и несколько анодов; на практике в зависимости от размеров очищаемой области, как правило, применяется несколько катодов и большее количество анодов, как это изображено в плане на фиг. 2. В случае если очищаемая область содержит равномерно распределенное загрязнение, то аноды 16, 18, 20 и катоды 17, 19 расположены рядами вдоль прямых линий. Если присутствует локальный загрязненный участок, так называемый "hot spot", отличающийся от остальной области большей концентрацией загрязнителя, то катод 21 располагают в его центре, а аноды 22 - по периферии. Расстояния между электродами в ряду и между рядами электродов, как правило, составляют 0,5-2 м.

При очистке тонкопористых грунтов, в частности суглинков, илов, глин и т.п., величина удельного заряда q₃ может более точно определяться из соотношения: где α- коэффициент, равный количеству поровых объемов влаги, которые должны быть удалены из очищаемой области, n - пористость грунта, k - удельный электроосмотический перенос в данной зоне (количество влаги, переносимой зарядом 1А · с).

Значение коэффициента α определяется путем лабораторных исследований образца грунта и лежит в пределах 0,5 ≤ α ≤ 10.
Пористость грунта "n" представляет собой стандартную геологическую характеристику.

Для обеспечения различных значений напряженности электрического поля в разных зонах очищаемой области вместо подачи различных напряжений в каждую зону от источника постоянного тока с многоканальным выпрямителем можно использовать источник 23 постоянного тока с одноканальным выпрямителем; при этом один или более электродов устанавливают наклонно относительно поверхности земли. В примере, изображенном на фиг. 3, анод 24 и катод 25 наклонены друг к другу, при этом концентрация загрязнителя убывает сверху вниз и соответственно напряженность электрического поля уменьшается в этом же направлении.

На фиг.4 изображен пример, в котором концентрация загрязнителя и соответственно напряженность электрического поля увеличиваются сверху вниз.

В зависимости от характера и локализации загрязнителя один анод 26 (фиг. 5) или несколько анодов 28, 29, 30 могут быть установлены горизонтально вблизи поверхности грунта; в ряде случаев это позволяет уменьшить объем буровых работ.

Для повышения электробезопасности на поверхность грунта при горизонтальном расположении анодов наносят электроизоляционное покрытие 30 (фиг. 5) или 31 (фиг. 6). При этом шаговое напряжение на поверхности земли определяется расчетным путем, а затем измеряется в процессе обработки. Допустимое шаговое напряжение ограничивает значение напряжения между электродами и определяется по формуле
U_st ≤ 5+0,03ρ,
где U_st - шаговое напряжение, В; ρ - удельное электрическое сопротивление поверхностного слоя земли или покрытия (бетона, асфальта) грунта, Ом · м.

Удельное электрическое сопротивление покрытия определяется из соотношения:

где ρ - удельное электрическое сопротивление покрытия, Ом · м; U_st - допустимое значение шагового напряжения, В.

Количество анодов и катодов и их положение не обязательно остаются постоянными в течение всего времени очистки. Электроды могут изменять полярность (для реверсирования направления электрокинетических потоков), а также может изменяться соотношение анодных и катодных плотностей тока (порядные схемы могут преобразовываться в кустовые и наоборот).

При проведении электрокинетической очистки аноды должны конструироваться таким образом, чтобы сохранить свою работоспособность в течение всего периода очистки области загрязнения. Для этого должно соблюдаться условие сохранения после электрохимического растворения не менее половины массы анодов:
M ≥ 2Q₃·γ,
где γ - электрохимический эквивалент материала, из которого изготовлены анодные электроды, Q₃ - полный заряд, который должен пройти через зону очистки для обеспечения необходимой степени очистки.

Электроды могут располагаться вне области очистки, на ее границе или внутри области. При установке внутри области очистки крайние электроды размещаются не более чем на половине межэлектродного расстояния от границы области. Перемещение загрязнителя из заэлектродного пространства происходит вследствие диффузии и возникающих при электроосмотическом переносе механических сил.

Полевые испытания способа были проведены в однородном грунте (супесь) ненарушенной структуры на участке, локально загрязненном нефтепродуктами. Участок загрязнения площадью 3 м² находился под почвенным слоем грунта на глубине от 0,5 м до 3 м. Ввиду неоднородности загрязнения по глубине участок был разбит на две области толщиной 1 м и 1,5 м со средней концентрацией загрязнителей 650 мг/кг и 2950 мг/кг соответственно. Ввиду локальности зоны загрязнения была выбрана схема размещения электродов с секционированным центральным катодом. Параметры и режимы обработки участка приведены в таблице.

Способ осуществляется с использованием обычного оборудования, что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Способ очистки области загрязненного неоднородного грунта путем установки в грунт анодных и катодных электродов, разделения области загрязненного неоднородного грунта на зоны по характеристикам грунта и подачи в каждой зоне соответствующего напряжения постоянного тока, отличающийся тем, что область загрязненного грунта дополнительно разделяют на зоны по концентрации и/или типу загрязнителя, определяют объем V₃ грунта, подлежащего очистке в каждой зоне, определяют электрический заряд Q₃, который необходимо пропустить через каждую зону для обеспечения требуемой степени очистки, из соотношения
Q₃ = q₃ · V₃,
где q₃ - удельный заряд, необходимый для очистки единицы объема грунта в данной зоне,
поддерживают напряженность Е электрического поля в каждой точке очищаемой области E ≥ 0,05 В/см, контролируют величину электрического заряда Q_ф3, который фактически проходит через каждую зону в течение времени t, прошедшего с начала очистки, по отношению

где I_(t) - величина электрического тока, проходящего через очищаемую зону,
и по достижении Q_ф3 = Q₃ в каждой зоне прекращают пропускание электрического тока через соответствующую зону.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при очистке тонкопористых грунтов значение q₃ определяют из соотношения

где α - коэффициент, равный количеству поровых объемов влаги, которые должны быть удалены из очищаемой зоны;
n - пористость грунта;
k - удельный электроосмотический перенос в данной зоне.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что один или более электродов устанавливают наклонно к поверхности земли.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что один или более анодных электродов устанавливают горизонтально вблизи поверхности грунта.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что на поверхность грунта наносят электроизоляционное покрытие.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что массу анодного электрода, устанавливаемого в каждой зоне, определяют из условия
M₃≥ 2Q₃·γ,
где M₃ - масса электрода, устанавливаемого в данной зоне;
Q₃ - электрический заряд, который необходимо пропустить через данную зону для обеспечения требуемой степени очистки;
γ - электрохимический эквивалент материала, из которого изготовлен электрод, кг/А · ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7