Elektrisk modstandsvarme - Electrical resistance heating

Elektrisk modstandsvarme (ERH) er en intensiv in situ miljøsaneringsmetode , der bruger strømmen af vekselstrøm til opvarmning af jord og grundvand og fordampning af forurenende stoffer. Elektrisk strøm ledes gennem et målrettet jordvolumen mellem elektrodeelementer i undergrunden. Modstanden mod elektrisk strøm, der findes i jorden, forårsager dannelse af varme; hvilket resulterer i en temperaturforøgelse indtil vandets kogepunkt i dybden er nået. Efter at have nået denne temperatur forårsager yderligere energiindgang en faseændring, der danner damp og fjerner flygtige forurenende stoffer. ERH er typisk mere omkostningseffektivt, når det anvendes til behandling af forurenende kildeområder.

Elektricitetens friktion kan medføre, at metal, at ledningen er tændt, bliver varm til en bestemt varme

Teknologi

Elektrisk modstandsvarme bruges af miljøgendannelsesindustrien til sanering af forurenet jord og grundvand. ERH består af at konstruere elektroder i jorden, anvende vekselstrøm (AC) til elektroderne og opvarme undergrunden til temperaturer, der fremmer fordampning af forurenende stoffer. Flygtige forurenende stoffer fanges op af et dampgenvindingssystem under jorden og transporteres til overfladen sammen med genvundet luft og damp. Svarende til jorddampekstraktion behandles derefter luft, damp og fordampede forurenende stoffer på overfladen for at adskille vand, luft og forureningerne. Behandling af de forskellige vandløb afhænger af lokale regler og mængden af forurenende stoffer.

Nogle organiske forurenende stoffer med lav flygtighed har en kort hydrolysehalveringstid . For forurenende stoffer som disse, dvs. 1,1,2,2-tetrachlorethan og 1,1,1-trichlorethan , kan hydrolyse være den primære form for afhjælpning. Som undergrunden opvarmes hydrolysen halveringstiden af det forurenende stof vil falde som beskrevet af Arrhenius-ligningen . Dette resulterer i en hurtig nedbrydning af forureningen. Hydrolysen biprodukt kan remedieres ved konventionel ERH, men de fleste af massen af den primære forurenende vil ikke blive inddrevet men snarere vil nedbrydes til et biprodukt.

Der er overvejende to elektriske belastningsordninger for ERH: trefaset og seksfaset. Trefaset opvarmning består af elektroder i et gentaget trekantet eller deltamønster. Tilstødende elektroder har en anden elektrisk fase, så elektricitet leder mellem dem som vist i figur 1. Det forurenede område er afbildet af den grønne form, mens elektroderne er afbildet af de nummererede cirkler.

Fig 1. Typisk trefaset ERH-arrangement

Seksfaset opvarmning består af seks elektroder i et sekskantet mønster med en neutral elektrode i midten af arrayet. De seks-fase arrays er skitseret i blåt i figur 2 nedenfor. Igen er det forurenede område afbildet af den grønne form, mens elektroderne er afbildet af de nummererede cirkler. I et seksfaset opvarmningsmønster kan der være varme pletter og kolde pletter afhængigt af de faser, der er ved siden af hinanden. Af denne grund fungerer seksfaset opvarmning typisk bedst på små cirkulære områder, der er mindre end 65 fod i diameter.

Figur 2. Typisk seksfaset ERH-arrangement

ERH er typisk mest effektiv på flygtige organiske forbindelser (VOC). De chlorerede forbindelser perchlorethylen , trichlorethylen og cis- eller trans-1,2-dichlorethylen er forurenende stoffer, der let kan afhjælpes med ERH. Tabellen viser forurenende stoffer, der kan afhjælpes med ERH sammen med deres respektive kogepunkter. Mindre flygtige forurenende stoffer som xylen eller diesel kan også afhjælpes med ERH, men energikravene stiger, når flygtigheden aftager.

Kemisk	Molekylvægt (g)	Kogepunkt (° C)
Liste over forbindelser, der kan afhjælpes med ERH
1,1,1-trichlorethan	133.4	74
1,1,2-trichlorethan	133.4	114
1,1-dichlorethan	99	57
1,1-dichlorethen	97	32
1,2-dichlorethan	99	84
1,2-dichlorpropan	167,9	97
benzen	78.1	80
carbontetrachlorid	153,8	77
chlorbenzen	112,6	132
chloroform	119,4	62
cis -1,2-dichlorethen	97	60
dibromethan	187,9	132
ethylbenzen	106.2	136
1,1,2-trichlor-1,2,2-trifluorethan	187.4	48
benzin	100	100
methylenchlorid / dichlormethan	84.9	41
4-methyl-2-pentanon / methylisobutylketon	100,2	117
2-methoxy-2-methylpropan / methyl- tert- butylether	88.1	55
perchlorethylen	165,8	121
trichlorethen	131,5	87
tert- butylalkohol	74.1	83
toluen	92.1	111
trans -1,2-dichlorethen	97	48
vinylchlorid	62.5	-14
xylen	106.2	140

Elektrodeafstand og driftstid kan justeres for at afbalancere de samlede saneringsomkostninger med den ønskede oprydningstid. En typisk afhjælpning kan bestå af elektroder i afstand fra 15 til 20 fod fra hinanden med driftstider normalt mindre end et år. Udformningen og omkostningerne ved et ERH-saneringssystem afhænger af en række faktorer, primært volumen af jord / grundvand, der skal behandles, typen af forurening og behandlingsmålene. De fysiske og kemiske egenskaber af målforbindelserne er underlagt love, der gør opvarmede saneringer fordelagtige i forhold til de fleste konventionelle metoder. Det krævede elektriske energiforbrug til opvarmning af undergrunden og fordampning af forurenende stoffer kan tegne sig for 5 til 40% af de samlede saneringsomkostninger.

Der er flere love, der styrer en ERH-afhjælpning. Daltons lov regulerer kogepunktet for en relativt uopløselig forurening. Raoults lov regulerer kogepunktet for gensidigt opløselige medforurenende stoffer og Henrys lov regulerer forholdet mellem forureningen i dampfasen og forureningen i den flydende fase.

Daltons lov

For gensidigt uopløselige forbindelser siger Daltons lov , at partialtrykket af en ikke-vandig fase væske (NAPL) er lig med dets damptryk, og at NAPL i kontakt med vand koger, når vandets damptryk plus dampens tryk VOC er lig med det omgivende tryk. Når der dannes en VOC-dampboble, er boblens sammensætning proportional med kompositens respektive damptryk.

Raoults lov

For gensidigt opløselige forbindelser fastslår Raoults lov , at et forbindelsers partialtryk er lig med dets damptryk gange dets molfraktion. Dette betyder, at gensidigt opløselige forurenende stoffer vil fordampes langsommere, end hvis der kun var en forbindelse til stede.

Henrys lov

Henrys lov beskriver en forbindelses tendens til at forbinde luft i dampfasen eller opløses i vand. Henrys lovkonstant, undertiden kaldet koefficient, er specifik for hver forbindelse og afhænger af systemtemperaturen. Konstanten bruges til at forudsige mængden af forurenende stof, hvad der vil forblive i dampfasen (eller overføre til væskefasen), når kondensatoren kommer ud.

Seneste innovationer i ERH

Der er sket betydelige ERH teknologiske fremskridt i løbet af de sidste fem år. Tre fokusområder har været: rensning af grundfjeld, 1,4-dioxan og andre nye forurenende stoffer og kontrolleret varme ved lav temperatur for at forbedre andre afhjælpende eller naturlige processer.

Grundbehandling

ERH er blevet brugt i over 15 år til behandling af ukonsolideret jord i både vadose- og mættede zoner. Nylige fremskridt og resultater viser, at ERH kan være en effektiv behandlingsmetode for grundfjeld . På et ERH-sted er den primære elektriske strømsti på det tynde lag vand umiddelbart ved siden af jorden eller klippe. Lidt strøm bæres af vandet i porevolumenet. Det er ikke porevæsken, der dominerer den elektriske ledningsevne; det er kornfugtningsvæsken, der dominerer den elektriske ledningsevne. Sedimentær klippe vil typisk have det tynde lag vand, der kræves for strømmen. Dette betyder, at ERH effektivt kan bruges til behandling af sedimentær grundfjeld, som typisk har betydelig primær porøsitet.

1,4-dioxan

1,4-dioxan er en nylig identificeret forurening, der giver anledning til bekymring. De lovgivningsmæssige kriterier for 1,4-dioxan ændrer sig konstant, efterhånden som man lærer mere om denne forurening. 1,4-dioxan har en høj opløselighed i vand og en lav Henrys Law-konstant, der kombinerer med at give komplekse udfordringer forbundet med sanering. Under omgivelsesbetingelser indikerer de fysiske egenskaber ved 1,4-dioxan, at luftstripping ikke er en effektiv behandlingsmekanisme. De seneste ERH-afhjælpningsresultater indikerer, at ERH skaber gunstige betingelser for behandling. ERH-afhjælpning indebærer dampstripping, som historisk ikke var blevet undersøgt for 1,4-dioxan. På ERH-steder blev dampstripping observeret for effektivt at overføre 1,4-dioxan til dampfasen til efterfølgende behandling. 99,8% reduktioner (eller større) i 1,4-dioxankoncentrationer i grundvand er blevet dokumenteret om nylig ERH-sanering. Overvågning af ovennævnte behandlingsstrømme indikerer, at 95% 1,4-dioxan forblev i dampstrømmen efter fjernelse fra undergrunden. Desuden har granulært aktivt kul vist sig at være en effektiv 1,4-dioxandampbehandlingsmetode.

Kontrolleret opvarmning ved lav temperatur

Fordampning er den primære fjernelsesmekanisme på de fleste ERH-steder. Imidlertid kan ERH også bruges til at forbedre andre processer, nogle naturligt forekommende, for at reducere omkostningerne ved behandling af en sky. ERH kan bruges til at tilvejebringe kontrolleret opvarmning ved lave temperaturer til projekter med saneringsprocesser, der ikke involverer dampstripping. "Lav temperatur opvarmning" henviser til målretning af en underjordisk temperatur, der er mindre end vandets kogepunkt. Eksempler på lavtemperatur ERH inkluderer varmeforbedret bioremediering , opvarmning af undergrunden til temperaturer over opløseligheden af opløste gasser for at inducere VOC-stripping (især kuldioxidudrulning), varme forbedret in situ kemisk oxidation (især til persulfataktivering) og varme- forbedret reduktion (såsom med jernkatalyserede reaktioner). ERH opvarmning ved lav temperatur kan også bruges til at hydrolysere chlorerede alkaner in situ ved subkogende temperaturer, hvor saltsyre, der frigøres under hydrolyse, yderligere reagerer med underjordiske carbonater og bicarbonater for at producere kuldioxid til stripping af VOC'er under overfladen.

Brug af opvarmning ved lav temperatur kombineret med bioremediering, kemisk oxidation eller afklorering vil resultere i øgede reaktionshastigheder. Dette kan reducere den nødvendige tid til disse saneringsprocesser betydeligt sammenlignet med en sanering ved omgivelsestemperatur. Derudover kræver en valgmulighed ved lav temperatur ikke brug af ovennævnte behandlingssystem til genvundne dampe, da kogetemperaturer ikke kan nås. Dette betyder mindre over kvalitet infrastruktur og lavere samlede omkostninger.

Når varme kombineres med flerfaseekstraktion, reducerer de forhøjede temperaturer viskositeten og overfladespændingen af de genvundne væsker, hvilket gør fjernelse hurtigere og lettere. Dette er det oprindelige formål med udviklingen af ERH - at forbedre olieudvindingen (se § Historie ovenfor).

Svagheder

Svagheder ved ERH inkluderer varmetab på små anlæg. Behandlingsvolumener, der har et stort overfladeareal, men som er tynde med hensyn til dybde, vil have betydelige varmetab, hvilket gør ERH mindre effektiv. Minimumbehandlingsintervallet for effektiv ERH-afhjælpning er ca. 10 lodrette fødder.
Samforurenende stoffer som olie eller fedt gør afhjælpning vanskeligere. Olie og fedt forårsager en Raoult's Law-effekt, som kræver mere energi for at fjerne forureningerne.
Torv eller højt organisk kulstof i undergrunden adsorberer fortrinsvis VOC på grund af van der Waals kræfter. Denne fortrinsvis adsorption øger den nødvendige mængde energi til at fjerne VOC fra undergrunden.
Brændstofsteder behandles mindre almindeligt af ERH, fordi andre billigere saneringsteknologier er tilgængelige, og fordi brændstofsteder normalt er tynde (hvilket resulterer i betydelige varmetab).
Steder inden for lossepladser er også udfordrende, fordi metalaffald kan forvride de elektriske strømstier. ERH er mere ensartet i naturlig jord eller sten.

Styrker

ERH kan tilpasses alle jordtyper og sedimentært grundfjeld. ERH er også effektiv i både vadose- og mættede zoner. Visse litologier kan begrænse traditionelle saneringsmetoder ved at forhindre en pålidelig fjernelses- / destruktionsvej for forurening af bekymring. Fordi elektricitet kan og rejser gennem enhver litologi, der indeholder noget vand, kan ERH være effektiv i enhver jordtype. Ved at danne flydende dampbobler under opvarmningsprocessen skaber ERH en bærergas, der transporterer forurening af bekymring op og ud af enhver jordtype. ERH er ikke i stand til at tørre undergrunden. For at undergrunden skal kunne lede elektricitet, skal der være vand til stede i undergrunden. Ledningsevne ophører, før undergrunden udtørkes.
ERH anvendes almindeligvis under aktive bygninger eller produktionsfaciliteter. Elektroder kan installeres over kvalitet inden for et indhegnet område eller under niveau for at give ubegrænset overfladeadgang til behandlingsområdet.
Selvom ERH primært anvendes til områder med forurenende kilder, kan ERH bruges til at opnå lave afhjælpende mål såsom maksimale forureningsniveauer, MCL'er , til drikkevand.
Efter ERH-behandling vil forhøjede underjordstemperaturer langsomt afkøle over en periode på måneder eller år og vende tilbage til det omgivende. Denne periode med forhøjede temperaturer er en vigtig del af saneringsprocessen. De forhøjede temperaturer forbedrer bioremediering , hydrolyse og jernreduktiv dehalogenering.

Languages

In other projects