CC BY
31
УДК 579.873.083.13
Д. А. Кожевников (асп., инж.), Е. В. Иванов (к.х.н., зам. зав. каф.), В. А. Винокуров (д.х.н., проф., зав. каф)
Изучение и разработка методов обезвреживания неорганических загрязнителей грунтов при помощи микроволнового излучения
1 Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, кафедра физической и коллоидной химии 119991, г. Москва, Ленинский пр., 65, корп. 1, ГСП -1, В-296; тел. (8499) 2339225, факс: (8499)1358895, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
D. A. Kozhevnicov, E. V. Ivanov, V. A. Vinokurov
The study and development of methods for decontamination of soil inorganic pollutants by microwave radiation
Gubkin Russian State University of oil and gas 65, Leninskii av., 119991, Moscow, Russia; ph. (499) 2339225, e-mail:[email protected], [email protected], [email protected]
Предложен метод обезвреживания загрязнителей почв неорганической природы с помощью микроволнового излучения, позволяющий очищать почвы с многократным превышением ПДК загрязнителей до их следового содержания. Метод микроволнового обезвреживания экотокси-кантов в грунтах экологически безопасен и весьма перспективен для разрушения большого спектра экотоксикантов. Микроволновое излучение обладает большой проникающей способностью в грунт (до 5 м) и представляет собой эффективный бесконтактный способ передачи энергии. Метод позволяет снижать концентрацию нитратов в 203 раза, Сг+б — в 250 раз относительно начальных концентраций.
Ключевые слова: микроволновое излучение; микроволновая химия; энергоэффективность; объемное нагревание.
Среди негативных техногенных изменений геологической среды особую опасность вызывает ее загрязнение и ухудшение экологического состояния территорий в результате накопления на поверхности и в недрах Земли различных промышленных и бытовых отходов. Особую опасность среди них вызывают экотоксиканты. Следовательно, чтобы процесс загрязнения верхних горизонтов литосферы не принял необратимого и катастрофического характера, необходима разработка и практическое внедрение способов, а также технологий подавления токсичности и очистки различных
элементов геологической среды от этих загряз" 1
нений \
We propose a method of treatment of soil inorganic pollutants using microwave radiation, allowing clean soil with multiple exceedance to trace the content. The microwave disposal method of toxicants is environmentally safe and promising for the destruction os large range of toxicants. Microwaves has great penetrating power to the ground (up to 5 meters) and is an effective non-contact power transmission. The method allows to reduce the concentration of nitrate in 203 times, Cr +6 to 250 times relative to the initial concentrations.
Key words: microwave radiation; microwave chemistry; energy efficiency; volumetric heating.
В рамках исследования разрабатывается метод очистки почв от неорганических загрязнений с помощью микроволнового излучения.
Поглощение энергии сверхвысокочастотного (СВЧ) поля в твердых и жидких средах: диэлектриках, полупроводниках — используется в основном для нагрева этих сред, а в последние годы— и для химических превращений. В отличие от традиционных способов нагрева при проникновении излучения в глубь объекта происходит преобразование СВЧ-энергии не на поверхности, а в объеме, поэтому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева. Отсутствие теплоносителя обеспечивает беспримесность процесса и безынерционность
Дата поступления 30.09.11
регулирования, а изменяя частоту, можно добиться преимущественно нагрева тех или иных компонентов среды.
Возможность осуществления химических превращений в СВЧ-поле в основном определяется достаточным для проведения процесса количеством тепла, выделяемым при трансформации СВЧ-энергии в обрабатываемой технологической среде. Максимально полное дис-сипирование СВЧ-энергии в технологических средах является необходимым условием эффективного энергопотребления при проведении процессов в СВЧ-поле.
Метод заключается в разложении загрязнителя, а также в переводе его в менее токсичное состояние. В качестве загрязнителей были использованы нитраты и соединения Сг+6. Показано, что метод весьма эффективен и позволяет вести очистку почв до следовых количеств загрязнителей.
Экспериментальная часть
Описание экспериментальной установки.
Предложенный нами метод основан на воздействии микроволнового излучения на помещенный в реакционную камеру лабораторной установки грунт, загрязненный экотоксикантом. Принципиальная схема установки для проведения экспериментов представлена на рис. 1.
1 Iй | Кон еро с оСрадои |
\ I
Ьткклмчя тр^й-с [ грптктщ бгйа
Рис. 1. Схема лабораторной установки для проведения экспериментов по обезвреживанию техногенных загрязнителей почв
Установка состоит из источника микроволнового излучения, включающего блок питания и магнетрона, волновода, представляющего собой полую металлическую трубу прямоугольного сечения, рабочей камеры установки — резонатора, являющегося частью волновода и калориметрического измерителя мощности, выполняющего роль приемника микроволновой энергии, не поглощенной обрабатываемым объектом. Калориметрический измеритель мощности представляет собой кварцевую трубку, через которую циркулирует вода, на выходе которой установлены термопара и расходо-
мер. На данной установке применена мономо-довая схема распределения микроволновой излучения, при котором энергия через волновод поступает непосредственно на обрабатываемый объект с минимальными потерями энергии 2.
Описание метода. В качестве модельного грунта во всех экспериментах использовался чернозем центрального региона России.
Подготовка грунта. Пробу грунта, поступившую на эксперимент, помещали на полиэтиленовую пленку, удаляли камни, щепу и другие посторонние включения. После этого пробу грунта доводили до воздушно-сухого состояния путем подсушивания в сушильной камере при температуре 40 оС. Окончание сушки контролировалось органолептически. Проба считалась доведенной до воздушно-сухого состояния, если составляющие ее частицы не слипались, не прилипали к твердым предметам, при раздавливании крошились, пылили. Высушенную пробу измельчали в фарфоровой ступке и просеивали через сито с круглыми отверстиями диаметром 1 мм.
Очистка почвы от нитратов. Пробу грунта массой 30±0.1 г помещали в пробирку П2-10-90. В почву вносили нитрат калия в расчете 16600 мг нитратного азота на кг почвы, что в 128 раз больше ПДК (ПДК нитратного азота в почве составляет 130 мг/кг). Эксперимент проводился при выходной мощности магнетрона 280 Вт. Перед проведением эксперимента на блоке питания устанавливалась выходная мощность магнетрона, включалась термопара и подача воды в калориметрический измеритель мощности, затем в реакционную камеру (резонатор) помещалась проба загрязненного грунта. Длительность процесса очистки почвы от нитратов составляла 1 мин. В ходе эксперимента фиксировались расход и температура воды на выходе из калориметрического измерителя мощности, которые необходимы для расчета величины энерговклада микроволнового излучения в деструкцию загрязнителя. Все опыты проводились при стандартной частоте микроволнового излучения магнетрона в 2450 МГц.
Очистка почвы от Сг+е. Пробу грунта массой 30±0.1 г помещали в пробирку П2-10-90. После этого в пробирку вносили активированный уголь в количестве 1 ± 0.1 г и дихромат аммония в расчете 200 мг/кг грунта. ПДК Сг+6 составляет 0.05 мг/кг почвы. Выбор активированного угля, как вспомогательного компонента, обуславливается тем, что коэффициент по-
лезного действия передачи СВЧ-энергии активированному углю, обладающему высокими диэлектрическими потерями, может составлять 80% при объемном заполнении резонатора не более 0.3%. Потери СВЧ-мощности в несовершенном диэлектрике определяются напряженностью электрического поля в его объеме. Было установлено, что уголь нагревается со скоростью -100 оС в секунду при внесении его в СВЧ поле. Это свойство позволяет использовать уголь как вспомогательное вещество при передаче СВЧ энергии загрязнителям грунтов, имеющим низкий тангенс угла диэлектрических потерь. Данное ценное свойство активированного угля позволяет сократить время термообработки грунтов с целью их ос-теклования и иммобилизации загрязнителей. Эксперимент проводился при мощности излучения в 800 Вт. Длительность процесса микроволнового нагрева почвы составляла 10 мин. В ходе эксперимента фиксировались расход и температура воды на выходе из калориметрического измерителя мощности, которые необходимы для расчета величины энерговклада микроволнового излучения в деструкцию загрязнителя и остеклование грунта. Все опыты проводились при стандартной частоте микроволнового излучения магнетрона 2450 МГц.
Определение диэлектрических характеристик грунта. Пробу грунта массой 30 ± 0.1 г помещали в пробирку П2-10-90. Эксперимент проводили при выходных мощностях магнетрона 280 и 800 Вт. Время экспозиции почвы при выходной мощности магнетрона, равной 280 Вт, составляло одну минуту, при 800 Вт — 10 мин. Подготовка и проведение эксперимента осуществлялось в том же порядке, как и в эксперименте по очистке почв от нитратного азота и Сг+6.
Все опыты проводились при стандартной частоте микроволнового излучения магнетрона 2450 МГц.
Методы анализа. Определение остаточного содержания нитратного азота в почве осуществлялось фотометрическим методом по ГОСТ 26488-85.
Определение остаточного содержания Сг+6 в почве осуществлялось фотометрическим методом по ГОСТ Р 52962-2008.
Результаты и их обсуждение
Очистка почв от углеводородов. По данным анализа, остаточное содержания нитратного азота в почве составило 81.6 мг/кг почвы, что в 203 раза ниже относительно начальной концентрации. Остаточное содержание хрома (VI) в почве составило 0.8 мг/кг, что в 250 раз ниже начальной концентрации.
Методика расчета энерговклада микроволнового излучения в деструкцию загрязнителя. Расчет энерговклада микроволнового излучения в деструкцию загрязнителя производился по формуле, Вт:
загр.
Р1 - Р2,
(1)
где Р1 — количество рассеянной энергии, зафиксированное калориметрическим измерителем мощности;
Р2 — количество рассеянной энергии, зафиксированное калориметрическим измерителем мощности при определении диэлектрических свойств почвы.
Расчет рассеянной энергии в экспериментах по очистке и определению диэлектрических свойств грунта производился по формуле, Вт:
Ррассеян=С-У-(Ькон—нач)/(1000-60), (2)
где с = 4200 Дж/(кгК) — удельная теплоемкость воды;
V — объем воды прошедший через калориметрический измеритель мощности, мл;
£нач — температура воды на входе в калориметрический измеритель мощности;
^кон — температура воды на выходе из калориметрического измерителя мощности.
Расчет количества энергии, пошедшей на очистку грунта от нитратного азота, сведен в табл. 1.
Расчет количества энергии, пошедшей на очистку грунта от Сг+6, сведен в табл. 2.
Как видно из результатов, отличительной особенностью метода является малое энергопотребление. Метод высокопроизводителен и экономичен, поскольку обеспечивает большую полноту разложения загрязнителя, малоотходен, не требует высоких энергозатрат и позволяет вести процесс очистки почвы с высокой скоростью в любых климатических условиях.
Таблица 1
Расчет энерговклада микроволнового излучения в очистку грунта от нитратного азота
Таблица 2
Расчет энерговклада микроволнового излучения в очистку грунта от
Показатель Эксперимент по очистке почв от мазута
Загрязненный грунт Чистый грунт
Мощность магнетрона, Вт 280
Время эксперимента, с 60
Расход воды, л/мин 0.33
Количество энергии поглощенное калориметрическим измерителем мощности, Дж 12235 16890
Количество энергии, пошедшее на нагрев и разложение загрязнителя, Дж 4688 -
Показатель Эксперимент по очистке почв от мазута
Загрязненный грунт | Чистый грунт
Мощность магнетрона, Вт 800
Время эксперимента, с 600
Расход воды, л/мин 0.33
Количество энергии поглощенное калориметрическим измерителем мощности, Дж 25360 310469
Количество энергии, пошедшее на нагрев и разложение загрязнителя, Дж 285109 -
Учитывая высокую эффективность метода, возможно его применение для очистки почв от таких загрязнителей, как пестициды, поли-хлорированные бифенилы, фторорганические и хлорфторорганические соединения, отработанные моторные масла, фосфорорганические соединения и другие экотоксиканты .
Таким образом метод микроволнового обезвреживания экотоксикантов в грунтах экологически безопасен и весьма перспективен для разрушения большого спектра экотокси-кантов. Микроволновое излучение обладает большой проникающей способностью в грунт (до 5 метров) и представляет собой эффективный бесконтактный способ передачи энергии. Энергоэффективность сверхвысокочастотных установок может достигать 95% (промышленные магнетроны), что значительно превышает существующие в мире аналоги.
Также одним из вариантов обезвреживания загрязнителей почв является утилизация их твердых остатков методом остеклования. Данный процесс не приводит к увеличению реакционной массы, малоотходен и не требует больших энергозатрат.
Литература
1. Королев В. А. Очистка грунтов от загрязнений.— М.: МАИК «Наука/интерпериодика», 2001.- 365 с.
2. Рахманкулов Д. Л., Бикбулатов И. X., Шула-ев Н. С., Шавшукова С. Ю. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов.- М.: Химия, 2003.- 220 с.
3. Старец Я. А., Кочергин А. И., Гундобин Г. С., Рассудова Л. В. // Электроника: наука, техника, бизнес.- 2002.- №5.- С.58.
Исследование проводится в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.
