CC BY
59
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 504.064:550.837.31
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГРУНТОВ ОТ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЙ
НА ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВКАХ
ELECTROPHYSICS MONITOR ELECTROOSMOTIC TREATMENT PROCESSES OF SOIL FROM OIL POLLUTION ON LABORATORY INSTALLATIONS
Простое Сергей Михайлович,
доктор техн. наук, профессор, e-mail: psm.kem@mail.ru Prostov Sergey М., Dr. Sc., Professor Шабанов Евгений Анатольевич, аспирант, e-mail: evgenshab@mail.ru Shabanov Evgeniy A., postgraduate
Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28, street Vesennyaya, Kemerovo, 650000, Russia
Аннотация. Рассмотрены методики и результаты лабораторного моделирования процессов в глинистых грунтах, загрязненных нефтесодержащими веществами: на образцах, на одномерной и объемной физической моделях. Описаны лабораторные установки, порядок проведения экспериментов и обработки их результатов. Подтверждена возможность точечного и интегрального прогноза степени загрязнения грунта по результатам измерений его электросопротивления. Выявлена динамика изменений пористости, влажности, гранулометрического состава нефтезагрязненных грунтов при электрообработке в результате термического и осмотического воздействия путем сопоставления данных прямых измерений и электрофизического контроля системой микродатчиков. Дано сопоставление результатов электрообработки чистого грунта, загрязненного жидкими и вязкими нефтепродуктами, а также при дополнительном воздействии активного вещества -растворителя.
Abstract. This article describes methods and results of laboratory simulation ofprocesses in the clay soils contaminated by oil substances in samples, one-dimensional and three-dimensional physical models. It describes the laboratory installations, the procedure for conducting experiments and processing their results. The study confirms the possibility ofpoint and integrated prediction of the degree of contamination of the soil based on the measurements of its electrical resistance. It identifies the dynamics of changes ofporosity, moisture content, granulometric composition of soils contaminated with oil products during electric treatment due to thermal and osmotic effects by comparing the data of direct measurements and electrical control by the system of micro-probes. The article presents comparison of the results obtained in electric treatment of clean soils, soils contaminated with liquid and viscous oil, as well as when additionally exposed to an active substance - solvent.
Ключевые слова: глинистые грунты, нефтепродукты, загрязнение, электроосмос, удельное электросопротивление, пористость, влажность, гранулометрический состав.
Keywords: clay soils, petroleum products, pollution, electroosmose, electrical resistivity, porosity, moisture content, granulometric composition.
Введение
Одними из наиболее распространенных загрязняющих веществ являются нефть и нефтепродукты. Аварии на нефтедобывающих предприятиях, при транспортировании нефти приводят к катастрофическим последствиям. При отсутствии аварийных ситуаций нефтезагрязнение грунтов происходит в массовых объемах. Так, на горнодобывающих и углеперерабатывающих предприятиях Кузбасса подобные явления имеют место на стационарных и передвижных топливо- и масло-
заправочных пунктах, складах горюче-смазочных материалов, причем значительное число загрязнений происходит в грунтовых основаниях эксплуатирующихся зданий и сооружений, что затрудняет или исключает их механическое удаление для дезактивации [1].
Методологические подходы решения проблемы очистки грунтов от загрязнений рассмотрены в фундаментальной монографии [2]. Современные исследования, проводимые различными организациями, направлены на развитие физико-
химических [3, 4], биологических [5, 6, 7] методов дезактивации или их сочетания [8, 9], при этом подчеркивается, что при воздействии точечных (локальных) источников эмиссии загрязнителей (поллютантов) возрастает значение методов мониторинга (локация зон загрязнения, контроль изменения концентрации экотоксиканта) [10, 11].
Перспективно для дезактивирующей обработки малопроницаемых грунтов применение электрохимического метода, сочетающего пропускание через массив тока с высокой плотностью, электроосмотическое насыщение грунтов активной жидкостью, разжижающей вязкие компоненты или дезактивирующей загрязнитель, и удаление растворов, содержащих растворенный загрязнитель. Экспериментально-теоретические основы электроосмотических процессов, изложенные в [12], нашли практическое применение в мелиорации (водопонижение и осушение) и строительстве (закрепление грунтов химическими раствора-ми)[13, 14]. Ввиду сложности и недостаточной изученности комплекса проходящих при электрообработке физико-химических процессов, а также энергоемкости данного метода, он не получил пока массового распространения.
Идея использования электрохимического метода для очистки грунтов от нефтезагрязнителей и других экотоксикантов развивается в МГУ под руководством проф. В. А. Королёва. Результаты фундаментальных исследований электроповерхностных явлений в глинистых породах доказали практическую значимость данного направления исследований [15-18].
Другой нерешенной проблемой является контроль процессов обработки грунта на различных его стадиях, это направление исследований развивается в лаборатории геоконтроля КузГТУ.
Основная физическая предпосылка метода контроля состоит в том, что все используемые в автомобильном и железнодорожном транспорте нефтепродукты (масла, дизельное топливо, бензин) проявляют ярко выраженные диэлектрические свойства, эффективное удельное электросопротивление (УЭС) этих жидкостей изменяется в диапазоне р = 1010— 1012 Ом-м, в то время, как для природных минеральных растворов этот диапазон составляет р = 0.1-100 Ом-м. УЭС влагонасыщен-ной горной породы, которая представляет собой трехфазную среду, определяется с помощью классической эмпирической зависимости [19-20]
сск
Pk=-fr-Pb (1)
где т- пористость (поровая пустотность); W -коэффициент влагонасыщения пространства пор и трещин; рь- УЭС заполняющего поровое пространство раствора, Ом-м; к„, а, ß, у - эмпирические параметры, которые зависят от структурно-текстурных особенностей
грунтов; Кц — параметр, учитывающий поверхностную проводимость гли-
нистого микрослоя на поверхности пор; ОС - параметр, зависящий от типа геологического отложения; /3 - параметр, определяемый в основном извилистостью поровых каналов; у - параметр, зависящий от смачиваемости раствором поверхности пор.
Величина параметров к„ и ОС для угленосных и углевмещающих отложений одного типа может быть принята равной 1 [21]. Параметр /? зависит от структуры порового пространства и для уплотненных несвязных грунтов изменяется в диапазоне Р = 1.3-2.2; параметр у определяется степенью смачиваемости поверхности твердой фазы и изменяется в диапазоне у = 1.8-3.5.
Диапазоны значений параметров /? и у, получены путем обратных расчетов с использованием банка экспериментальных данных рк / рь, а также усредненных значений физико-технических
параметров т и IV для основных видов глинистых грунтов Кузбасса [22].
Для оценки содержания загрязнителя в поро-вой жидкости целесообразно использовать теоретическую зависимость логарифмического средневзвешенного для двухкомпонентной среды, что позволит с большой достоверностью рассчитать искомую величину [23]:
1ёРЬ=К1ёРп+КЫ> (2)
где рь, рп, ре - УЭС средневзвешенного, нефтепродукта и электролита соответственно, Ом-м; У„,Уе-объем в растворе соответственно нефтепродукта и электролита.
Теоретические зависимости (1) и (2) принципиально позволяют оценивать степень загрязнения грунта нефтепродуктами по результатам единичных замеров, продольных и площадных электрических зондирований [24, 25].
Данная работа посвящена экспериментальной проверке изложенной идеи на образцах грунтов и лабораторных установках.
Материалы и методы
Комплекс лабораторных исследований включал следующие эксперименты:
- проверка расчетных зависимостей на образцах грунтов с заданной загрязненностью;
- моделирование процесса электрохимической обработки на одномерной модели;
- моделирование процесса электрохимической обработки на трехмерной модели.
Для сопоставления теоретических и экспериментальных результатов введен коэффициент загрязнения грунта к, равный отношению объема содержащегося в порах грунта нефтепродукта к общему объему поровой жидкости.
Путем преобразований уравнений (1) и (2) можно получить
1п
к=-
V,.
ркт
Р]уу
™<ПРе
(3)
1п
Рп_ Ре
Образцы загрязненного грунта получали путем смешивания миксером чистого грунта с фиксированным количеством машинного масла. Для искусственно загрязненных образцов грунта в хо-
де эксперимента определяли пористость, влажность, УЭС грунта рк, электролита ре и поровой жидкости р„, а также коэффициент загрязнения грунта к с помощью специально разработанного программного комплекса, обеспечивающего циклический подбор оптимальных значений постоянных /? и у.
Одномерная физическая модель зоны электрохимической очистки имела цилиндрическую форму с расстоянием между электродами в горизон-
®
12
гтт
12
/Г7\ 11 \ 1^.10
1
1'1 \
Рисунок 1 - Схема экспериментальной одномерной модельной установки: 1—4 - четырехэлектродные датчики-зонды № 1-4; 5 - положительный электрод (анод); 6 - отрицательный электрод (катод); 7 - полиэтиленовая труба 0160 мм; 8 - обрабатываемый загрязненный грунт; 9 - каротажный прибор КП-2; 10 - источник постоянного напряжения V- 16 В; 11 - дренажные отверстия; А, М, И, В - медные микроэлектроды; 12 - отверстия для подачи растворителя
Рисунок 2 - Схема экспериментальной трехмерной модельной установки: 1 - емкость (ванна); 2 - электроды-инъекторы; 3 - датчики-микрозонды; 4 - питающая установка (два последовательно включенных источника питания постоянного электрического тока Б5-50); 5 - амперметр
тальном направлении, близким к реальному, /= 0.3 м (рис.1).
В качестве исследуемой среды применялся уплотненный суглинок, смешанный с помощью миксера с нефтепродуктом. Емкость для помещения грунта представляла собой трубу из непрово-
набор бюкс для определения влажности, весы электронные, духовой шкаф, набор сит.
Объемная (трехмерная) физическая модель представляла собой участок зоны электрохимической очистки с реальными поперечными размерами электродов и расстоянием между ними в гори-
Таблица 1 - Физико-технические характеристики грунта в опытных образцах (масса грунта тя= 200 г, масса воды ть — 20 г, влажность Ж =22%)
Характеристика № образца
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Масса масла, г 0 2 4 10 15 20 30 40 50 60
УЭС грунта, рк, Ом м 13.75 17.5 21.25 23.75 22.5 25 26.25 42.5 950 1150
Пористость, т, % 38.8 40.7 42.5 48.1 52.7 57.4 66.7 76 85.3 94.6
к, % 0 1 1.8 4.35 6.4 8.3 12 15.4 18.5 21.4
дящего материала (полиэтилена), наружный диаметр трубы 160 мм, внутренний 140 мм. К торцам трубы прикреплены пластины из оцинкованной стали толщиной 0.7 мм, пластины подрезаны по сечению трубы. В нижней части трубы вблизи электродов 5, 6 предусмотрены дренажные отверстия 11. В грунт перед загрузкой для повышения плотности тока было добавлено 800 г воды , 8 г соли поваренной ШС1 (1 %).
Методика эксперимента включала измерение УЭС загрязненного грунта с помощью датчиков-зондов, изготовленных из четырехжильного медного кабеля. Датчики-микрозонды с расстоянием между контактами АМ = МИ= ИВ =10 мм погружены в грунт через отверстия в трубе на глубину 70 мм. Измерительным прибором является каротажный прибор КП-2, реализующий измерения УЭС на постоянном токе в импульсном режиме с автоматической компенсацией поляризации, разработанный в КузГТУ. Остальные электрические характеристики грунта и установки измерены электронным мультиметромМУ64. Электрическое поле в модели создавалось стабилизированным блоком питания с напряжением II = 12-16 В.
Физико-механические характеристики грунта определяли с помощью следующих приборов и принадлежностей полевой лаборатории ПЛЛ-2:
зонтальном сечении (рис. 2).
В качестве исследуемой среды применялся уплотненный суглинок, смешанный с помощью миксера с нефтепродуктом. Концентрация нефте-загрязнителя соответствовала практически возможной при постепенном периодическом загрязнении или при разливе нефти в результате аварии. Таким образом, все физические параметры модели не отличались от соответствующих параметров натуры.
Емкость с размерами 1000x500x360 мм изготовлена из непроводящего электрический ток материала (ламинированной влагостойкой фанеры), гидроизолирована полиэтиленовой пленкой и заполнена суглинком. В грунт на глубину 300 мм погружены электроды-инъекторы - перфорированные стальные электросварные трубы с внутренним диаметром 51 мм, заглушенные внизу деревянной заглушкой.
Методика эксперимента включала измерение истинного УЭС загрязненного грунта с помощью описанных выше датчиков-микрозондов, погруженных в грунт на глубину 180 мм. Общее количество датчиков - 22. Электрическое поле в модели создавалось стабилизированным блоком питания Б5-50 с напряжением U = 50-300 В, при силе тока до 0.6 А.
Таблица 2 - Зависимость коэффициента загрязнения к от относительного изменения УЭС грунта
в образце
Уравнение R FKp F
к=9.49——10.61 РкО 0.900 7.709 17.356
к = \2.52\п(Рк ) 1.19 РкО 0.867 7.709 12.287
к = \Ъ.51(Рк )2 42.7257 Рк +24.44 РкО РкО 0.981 9.552 81.746
к = 0.19( Рк )61022 РкО 0.977 7.709 93.087
рд. , От- т к, %
чЗ
10
25
20
10 15 10
10 о
-
Г
— /
- - - - * н
- нн /• А
— 1
— ж •
/ * • Г*"
-- 1- ч- ь
- [— > ■
и
411 и-
: . —3
) * 4 ( » 1 * < > #5£
Рисунок 3 - Результаты экспериментального определения и программного расчета коэффициента загрязнения в образцах грунта: 1 - коэффициент к, полученный экспериментальным путем; 2 - расчетный коэффициент; 3 - сопротивление рк грунта в образцах
Результаты и обсуждения
В ходе эксперимента с искусственно загрязненными образцами, начиная с образца № 7, наблюдалось частичное нарушение структурных связей образца. С увеличением концентрации нефтепродукта при к> 30 % происходило изменение фазового состояния образца: переход его из твердого связного в пластичную несвязную суспензию, что способствовало резкому росту УЭС образца {рк-^-рп). Область применения предложенного метода контроля ограничивается к< 20 %, при этом погрешность оценки не превышает 23 %. (табл. 1)
Для геофизического экспресс-прогноза можно подобрать регрессионную зависимость, достаточно точно описывающую характер изменения коэффициента загрязнения к по мере увеличения концентрации нефтепродукта в грунте и соответствующего относительного увеличения УЭС рь В табл. 2 приведены результаты статистической обработки - уравнения регрессии и соответствующие расчетные показатели: корреляционное отношение (коэффициент корреляции) Я; критерий Фишера, Т7; критическое значение критерия Фишера, ¥кр. Наибольшую точность обеспечивает полиномиальная зависимость (Я = 0.981).
В графической форме результаты эксперимента представлены на рис. 3.
Основными задачами экспериментальных исследований на одномерной модели (см. рис. 1) были следующие: установление влияния нагревания массива электрическим током на разложение органических веществ; изучение физических па-
раметров очищаемого массива; исследование процессов электрокоагуляции, способствующих переходу нефтепродуктов в твердое состояние.
На рис. 4 приведены результаты измерений УЭС р обрабатываемого грунта в зависимости от координаты х расположения датчиков-зондов в установке с течением времени.
Из графиков следует, что физические процессы при электрообработке в течение 6 сут чистого и загрязненного маслом грунта принципиально отличаются: у чистого грунта происходит электроосмотическое перемещение влаги в область анода; в загрязненном грунте зафиксировано движение жидкости в обоих направлениях, причем нефтепродукты по порам перемещаются в сторону катода. Через дренажные отверстия наблюдались выделения накопленной жидкости: у анода с незначительными следами нефтепродуктов, у катода - с их заметным содержанием.
На рис. 5 представлены результаты контроля относительного изменения УЭС р/ро по продольной оси трубы в ходе процессов электрообработки грунта и после его прекращения. Изменения основных физических параметров грунта в районе датчиков № 1 и № 4 (в зонах основного электроосмоса) приведены в табл. 3, а изменения гранулометрического состава - в табл. 4. Описанные выше эксперименты позволяют оценить электротермическое воздействие обработки на грунтовый массив без растворения густых фракций нефтепродуктов.
Проведен опыт с разжижением нефтезагряз-нителя. В установку был загружен суглинок, пе-
days
iL р, Om.m
р, От. т
Рисунок 4 -
ст 7 # sensor
cm
# sensor
Изменение УЭС чистого грунта (<з) и загрязненного маслом ЗНЕЬЬНЕЫХ (б) с добавлением раствора №С1 при электрохимической обработке: 1 - начало обработки; 2 - через 1 сут; 3-2 сут; 4-6 сут
t, days
Рисунок 5 - Графики изменения относительного УЭС массива при электрохимической очистке от загрязнения маслом ЗИеПНеНхи^га (а); бензином (б); маслом З/геПНеИхШга отработанным (в); дизельным топливом (г) (объем загрязнителя V— 100 г): 1 - четырехэлектродный датчик-зонд № 1; 2 - № 2; 3 - № 3; 4 - № 4
ремешанный с водой (800 г), маслом (170 г) и поваренной солью (12 г).
В ходе эксперимента производилась обработка загрязненного грунта постоянным электриче-
ским током и промывка грунта растворителем нефтепродуктов Гексан-н
Промывающая жидкость подавалась в отверстие в трубе около датчика № 1 в момент и = 64 ч от начала эксперимента в объеме 100 мл (70 г).
Также промывающая жидкость подавалась около датчика № 4 в момент ¿2= 136 ч от начала эксперимента в объеме 100 мл (70 г). За время эксперимента под отрицательным электродом скапливалась жидкость, по свойствам близкая к свойствам воды, скопление происходило равномерно в ходе всего эксперимента, объем жидкости 150 мл.
При подаче Гексана на датчик № 1, жидкость распространялась в массив, при этом не стекала под электроды. При подаче на датчик № 4 Гексан стекал под отрицательный электрод, суммарный объем жидкости составил 20 мл (14 г).
р/ро 5.0
Из графиков изменения относительного УЭС (рис. 6) следует, что в зоне разжижения и растворения нефтепродукта происходят дополнительное снижение величины УЭС.
Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:
- при нагревании в процессе пропускания тока и воздействии на нефтепродукты в порах грунта они переходят в твердое связное состояние, что приводит к увеличению УЭС грунта на всем протяжении зоны обработки при£> 3 сут;
3.0
1.5
/, Am
к 4. ——^ У 1 I-' 1 —-
/*" У —г-*-? ¡ • ♦♦ ^ i 1 Г: - *--
/ I V / / • л ^ * ^
/ 7 -tí * ^
V. / \
——^ JtlZ'h ... • У
1 1 fl
t, days
m, gram
Рисунок 6 - Графики изменения относительного УЭС массива, силы тока / и массы т подачи промывающей жидкости при электрохимической очистке от загрязнения маслом БкеИНеИхиига, промывкой растворителем Гексан-н: 1 - четырехэлектродный датчик-зонд № 1; 2 - № 2; 3 - № 3; 4 - № 4; 5 - сила тока 1,6- масса воды, скопившейся под отрицательным электродом; 7 - количество поданной промывающей
жидкости; ¿1, ¿2 - моменты введения растворителя
Таблица 3 - Изменение физических параметров в результате электрообработки
Рис., № датчика Характеристики (до/после обработки)
Влажность, % Плотность во влажном состоянии, г/см3 Плотность в сухом состоянии, г/см3
Рис. 5, а, № 1 54/15 2.33/1.72 1.51/1.49
Рис. 5, б, № 1 17.3/12.2 1.80/1.66 1.53/1.48
Рис. 5, в, № 1 15.9/9.3 1.81/1.61 1.56/1.47
Рис. 5, г, № 1 19/16 1.81/1.74 1.52/1.50
Рис. 5, а, № 4 54/52 2.33/2.3 1.51/1.51
Рис. 5, б, № 4 17.3/16.0 1.80/1.74 1.53/1.5
Рис. 5, в, № 4 15.9/7.5 1.81/1.62 1.56/1.51
Рис. 6, № 1 33/18 2.04/1.92 1.53/1.63
Рис. 6, № 4 33/14.3 2.04/1.64 1.53/1.43
Таблица 4 - Изменение гранулометрического состава грунта в результате электрообработки
Рис., № датчика Содержание фракций (в мм), % (до/после обработки)
2 0.5 0.25 0.1 <0.1
Рис. 5, а, № 1 0.9/3.6 22.3/30.4 12.2/14.6 14/30.6 50.6/20.75
Рис. 5, б, № 1 1.2/4.0 19.3/32.3 13.5/16.8 16.6/25.4 49.4/21.5
Рис. 5, в, № 1 2.0/2.1 17.6/21.2 15.5/22.3 18.8/28.9 46.1/25.5
Рис. 5, г, № 1 1.4/2.0 19.8/31.1 13.9/15.7 16.1/28.8 48.8/22.4
Рис. 5, б, № 4 1.2/1.5 19.3/20.1 13.5/14.0 16.6/17.0 49.4/47.6
Рис. 5, в, № 4 2.0/4.0 17.6/20.1 15.5/20.8 18.8/23.6 46.1/31.5
Рис. 6, № 1 7.7/10.6 33.4/40.3 15.1/15.1 18.6/15.3 25.2/18.7
Рис. 6, № 4 7.7/20.7 33.4/39.1 15.1/13.1 18.6/24.1 25.2/3
- в результате электролитического воздействия постоянного тока на загрязненный массив происходит образование твердых частиц и слипание этих частиц, что приводит к изменению гранулометрического состава глинистого грунта в сторону увеличения содержания более крупных фракций;
- в приэлектродных зонах вследствие дренирования накопленной влаги влажность снижается, а увеличение процентного содержания крупных фракций приводит к снижению плотности грунта как во влажном, так и в сухом состоянии;
- с момента начала процесса коагуляции нефтепродуктов при £> 3 сут процесс увеличения УЭС происходит относительно монотонно как в приэлектродных, так и в центральной переходной области при обработке грунтов, смешанных с вязкими тяжелыми жидкостями (масла, мазут), для легких фракций (бензин, дизельное топливо) характерно снижение УЭС в прикатодной зоне;
- введение в грунт растворителя способствует образованию вокруг электрода зоны разжижения, причём направление электроосмотической фильтрации соответствует преобладанию в растворителе Гексан-н положительно заряженных ионов.
Таким образом, нефтепродукт в порах выполняет функцию скрепляющего вещества, однако его действие носит локальный характер на уровне зерен грунта и существенно отличается от механизма консолидации грунтового массива при двухрастворном [26] и однорастворном [27] электрохимическом закреплении.
Из приведенных результатов эксперимента на объемной модели (см. рис. 2) следует, что электроосмотические процессы в приэлектродных областях при обработке чистого и загрязненного нефтепродуктом грунта взаимосвязаны и имеют при этом существенные отличия, обусловленные
а
различием электропроводящих свойств водного раствора (низкое УЭС) и машинного масла (диэлектрик):
- у чистого грунта происходит поступательное перемещение влаги от катода к аноду, сопровождающееся снижением УЭС в зоне скопления влаги и увеличением УЭС в зоне электроосушения, при этом прианодная зона осушения по протяженности превышает зону влагонасыщения, формирование указанных зон происходит достаточно быстро, через 3.0-3.5 А ч с момента начала электрообработки;
- в загрязненном грунте зафиксирован волнообразный характер изменения УЭС, связанный с тем, что вязкость нефтепродукта значительно выше, чем водного раствора, при этом положительные приращения УЭС, соответствующие преобладанию в порах нефтепродукта, и отрицательные, соответствующие преобладанию водного раствора, в ходе обработки становятся более контрастными и перемещаются в зону анода; в катодной области при оттоке влаги УЭС меняется несущественно, что указывает на преобладающее влияние изоляции минеральных зерен грунта масляной пленкой.
Временной характер описанных выше процессов в приэлектродных областях на основной оси обработки характеризуется графиками зависимостей относительного УЭС р/ро в характерных точках массива от токорасхода I t, приведенными на рис. 7.
Гидродинамические процессы в приэлектродных областях характеризуются круговыми диаграммами УЭС, приведенными на рис. 8 и 9.
Установлены следующие особенности формирования приэлектродных объемных зон:
- вокруг анода в чистом грунте наблюдается асимметрия УЭС, зона скопления влаги с р/ро =
Ь
P/Po
/ /
/ Лг у
--N - / г
4 __/ Х 1
,h 16.5 30.3 56 /•/,
Рисунок 7 - Изменение УЭС чистого (а) и загрязненного отработанным маслом 8НЕ1ХНЕЫХ (б) грунта при электрохимической обработке: 1 - на датчике № 1 около отрицательного электрода; 2 -на датчике № 8 около положительного электрода
Рисунок 8 - Круговые диаграммы изменения УЭС чистого грунта при электрохимической обработке при г = 90 мм {а) и г = 150 мм (б) при различных токорасходах/-г: 1 - начало обработки; 2-6 Ач; 3 - 13.5 Ач; 4 - 22.5 А ч
0.6-0.7 соответствует круговому сектору в диапазоне Дф = 90-120°, с бокового и обратного направления зафиксирован отток жидкости; непосредственно вблизи электрода-катода формируется зона термического осушения грунта (г = 90 мм), по мере удаления от оси электрода анизотропия УЭС значительно сглаживается;
- в загрязненном грунте в прикатодной зоне не зафиксировано ярко выраженного слоя термического осушения, в остальном структура данной зоны не отличается от чистого грунта; в прианод-ном объеме сектор скопления нефтепродукта достигает Дер = 180°.
Заключение
В результате анализа экспериментальных данных получены следующие наиболее существенные научные положения.
1. Локацию зон, загрязненных нефтепродуктами, целесообразно проводить методом электросопротивлений: точечно с использованием заглубленных микродатчиков; зондированием с земной
поверхности. Погрешность прогноза коэффициента загрязнения грунта (по объемному соотношению) до перехода грунта в пластичное состояние не превышает 23 %.
2. При электрообработке на загрязненный массив оказывается электротермическое и электроосмотическое воздействие. В результате электротермического воздействия на нефтепродукты в порах грунта они переходят в твердое связное состояние, что приводит к увеличению УЭС грунта на всем протяжении зоны обработки, а также к уменьшению влажности и снижению плотности грунта. В результате электроосмотического воздействия постоянного тока происходит образование твердых частиц и их слипание, что приводит к изменению гранулометрического состава глинистого грунта в сторону увеличения содержания более крупных фракций.
Авторы выражают благодарность ООО «НООЦЕНТР» (ген. директор, канд. тех. наук О. В. Герасимов) за материальное обеспечение при создании лабораторных установок.
Рисунок 9 - Круговые диаграммы изменения УЭС загрязненного отработанным маслом грунта при электрохимической обработке при г = 90 мм (а) и г= 150 мм (б) при различных токорасходах/-^: 1 - начало обработки; 2 - 21.3 А-ч; 3 - 30.3 А-ч; 4-65.1 А-ч
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хорошилова, JI. С. Геоэкологическое состояние угледобывающих регионов Кузбасса. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2007. - 135 с.
2. Королев, В. А. Очистка грунтов от загрязнений. - Москва: МАИК «Наука / Интерпериодика», 2001.-365 с.
3. Сухоносова, А. Н. Очистка почв от нефтяного загрязнения и оценка ее эффективности / А. Н. Су-хоносова, В. А. Бурлака, Д. Е. Быков [и др.] // Экология и промышленность России. - 2009. - № 10. - С. 18-20.
4. Archegova I. В., Khabibullina F. М., Shubakov A. A. Optimization of the purification of soil and water objects from oil using biosorbents. Contemporary Problems of Ecology. 2012. No.6. pp.548-553
5. Ахметзянова, JI. Г. Применение методов статистического анализа для определения безопасного содержания нефтепродуктов в серой почве / JI. Г. Ахметзянова, А. А. Савельев, С. Ю. Селивановская // Сибирский экологический журнал. - 2014. - № 6. - С. 777-783.
6. Trusei I. V., Ozerskii A. Yu., Ladygina V. P. Distribution of microorganisms in the oil-polluted ground of vadose and saturation zones. Contemporary Problems of Ecology. 2009. No.l. pp. 22-26
7. Kolesnikov S. I., Zharkova M. G., Kazeev K. Sh. Ecotoxicity assessment of heavy metals and crude oil based on biological characteristics of chernozem. Russian Journal of Ecology. 2014. No.3. pp. 157-166.
8. Efremova V. A., Dabakh E. V., Kondakova L. V. A chemical and biological assessment of the state of urban soils. Contemporary Problems of Ecology. 2013. No.5. pp. 561-568.
9. Korzhov Yu. V., Lapshina E. D., Khoroshev D. I. CLEANSOIL as a perspective method of remediation of oil-contaminated soils under existing infrastructure. Contemporary Problems of Ecology. 2010. No.3. pp. 292-298
10. Vorobeichik E. L., Kozlov M. V. Impact of point polluters on terrestrial ecosystems: Methodology of research, experimental design, and typical errors. Russian Journal of Ecology. 2012. No.2. pp. 89-96
11. Seredina V. P., Sadykov M. E. The soils of West Siberia middle taiga oil deposits and a predictive estimate of contamination hazard with organic pollutants. Contemporary Problems of Ecology. 2011. No.5. pp. 457-459.
12. Ломизе, Г. M. Электроосмотическое водопонижение / Г. М. Ломизе, А. В. Нетушил. - Москва ; Ленинград : Госэнергоиздат, 1958.- 178 с.
13. Страданченко, С. Г. Исследование параметров химического и электрохимического закрепления грунтов / С. Г. Страданченко, П. Н. Должиков, А. А. Шубин. - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2009. -198 с.
14. Простое, С. М. Электрохимическое закрепление грунтов / С. М. Простое,
A. В. Покатилов, Д. И. Рудковский ; РАЕН. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 2011. - 294 с.
15. Korolev, V. A., Romanyukha О .V., Abyzova А. М. Electrokinetic remediation of oil-contaminated soils. Journal of Environmental Scince and Health. Part A: Toxic. Hazardous Substances and Environmental Engineering. 2008. T. 43. No.8. pp. 876-880
16. Королев, В. А. Электрохимическая очистка грунтов от экотоксикантов: итоги и перспективы // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. 2008. - № 1. - С. 13-20.
17. Злочевская, Р. И. Электроповерхностные явления в глинистых породах. - Москва : Из-во МГУ, 1988.- 177 с.
18. Королев, В. А. Теория электроповерхностных явлений в грунтах и их применение. - Москва : ООО «Сам полиграфист», 2015. - 468 с.
19. Дахнов, В. Н. Электрические и магнитные методы исследования скважин. - Москва : Недра, 1981.-344 с.
20. Кобранова, В. Н. Физические свойства горных пород. - Москва : Гос. науч.-техн. изд-во нефтяной и горно-топливной лит., 1962. - 490 с.
21. Prostov S. М., Khyamyalyainen V. A., Bakhaeva S. P. Interrelation among electrophysical properties of clay rocks, their porosity and moisture saturation // Journal of Mining Science. 2006. No.4. pp.349-359
22. Штумпф, Г. Г. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна / Г. Г. Штумпф, Ю. А. Рыжков, В. А. Шаламанов[и др.]. - Москва : Недра, 1994. - 447 с.
23. Ржевский, В. В. Основы физики горных пород: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. / В.
B. Ржевский, Г. Я. Новик. - Москва : Недра, 1984. - 359 с.
24. Простое, С. М. Метод оценки загрязнения нефтепродуктами по электрическим свойствам грунтов / С. М. Простое, М. В. Гуцал, Е. А. Шабанов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2015. - № 6. - С 38-44.
25. Prostov Sergey М., Gucal Maxim V., Shabanov Evgeniy A. Physical basis ofcontrolledelectrochemical cleaningsoilsfrompetroleum. Proceedings of the Taishan Academic Forum - Project on Mine Disaster Prevention and Control / Atlantis Press. 2014. pp. 433^141
26. Покатилов, А. В. Контроль изменения физико-механических свойств массива глинистых грунтов при электрохимическом закреплении / А. В. Покатилов, С. М. Простое // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2006. - № 4. - С. 10-14.
27. Рудковский, Д. И. Исследование факторов, влияющих на процессы гелеобразования растворов для одностадийного ЭХЗ / Д. И. Рудковский, С. М. Простое, А. В. Покатилов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2008. - № 5. - С. 18-22.
References
1. Horoshilova, L. S. Geojekologicheskoe sostojanie ugledobyvajushhih regionov Kuzbassa [The ecological state of the coal mining regions of Kuzbass]. - Kemerovo: Kuzbas svuzizdat, 2007. - 135 p.
2. Korolev, V. A. Ochistka gruntov ot zagrjaznenij [Clean soil from pollution]. - Moskva: MAIK "Nauka / Interperiodika", 2001. - 365 p.
3. Suhonosova, A. N. Ochistka pochv ot neftjanogo zagrjaznenija i ocenka ее jef-fektivnosti [Cleaning soil from oil pollution and evaluation of its effectiveness] / A. N. Suhonosova, V. A. Burlaka, D. E. Bykov [i dr.] // Jekologija i pro-myshlennost1 Rossii [Ecology and Industry of Russia]. - 2009. - # 10. - P. 18-20.
4. Archegova I. В., Khabibullina F. M., Shubakov A. A. Optimization of the purification of soil and water objects from oil using biosorbents. Contemporary Problems of Ecology. 2012. No.6. pp.548-553
5. Ahmetzjanova, L. G. Primenenie metodov statisticheskogo analiza dlja opre-delenija bezopasnogo soderzhanija nefteproduktov v seroj pochve [Application of the methods of statistical analysis to determine safe
concentrations of petroleum products in the gray soil] / L. G. Ahmetzjanova, A. A. Savel'ev, S. Ju. Selivanovskaja // Sibirskij jekologicheskij zhurnal [Siberian Journal of Ecology]. - 2014. - # 6. - P. 777-783.
6. Trusei I. V., Ozerskii A. Yu., Ladygina V. P. Distribution of microorganisms in the oil-polluted ground of vadose and saturation zones. Contemporary Problems of Ecology. 2009. No.l. pp. 22-26
7. Kolesnikov S. I., Zharkova M. G., Kazeev K. Sh. Ecotoxicity assessment of heavy metals and crude oil based on biological characteristics of chernozem. Russian Journal of Ecology. 2014. No.3. pp. 157-166.
8. Efremova V. A., Dabakh E. V., Kondakova L. V. A chemical and biological assessment of the state of urban soils. Contemporary Problems of Ecology. 2013. No.5. pp. 561-568.
9. Korzhov Yu. V., Lapshina E. D., Khoroshev D. I. CLEANSOIL as a perspective method of remediation of oil-contaminated soils under existing infrastructure. Contemporary Problems of Ecology. 2010. No.3. pp. 292-298
10. Vorobeichik E. L., Kozlov M. V. Impact of point polluters on terrestrial ecosystems: Methodology of research, experimental design, and typical errors. Russian Journal of Ecology. 2012. No.2. pp. 89-96
11. Seredina V. P., Sadykov M. E. The soils of West Siberia middle taiga oil deposits and a predictive estimate of contamination hazard with organic pollutants. Contemporary Problems of Ecology. 2011. No.5. pp. 457^159.
12. Lomize, G. M. Jelektroosmoticheskoe vodoponizhenie [Electro osmotic dewatering] / G. M. Lomize, A. V. Netushil. - Moskva ; Leningrad : Gosjenergoizdat, 1958. - 178 p.
13. Stradanchenko, S. G. Issledovanie parametrov himicheskogo i jelektrohimicheskogo zakreplenija gruntov [Investigation of the parameters of the chemical and electrochemical grouting] / S. G. Stradanchenko, P. N. Dolzhikov, A. A. Shubin. - Novocherkassk : JuRGTU (NPI), 2009. - 198 p.
14. Prostov, S. M. Jelektrohimicheskoe zakreplenie gruntov [Electrochemical grouting] / S. M. Prostov, A. V. Pokatilov, D. I. Rudkovskij ; RAEN. - Tomsk : Izd-vo Tomskogo universiteta, 2011. - 294 p.
15. Korolev, V. A., Romanyukha О .V., Abyzova A. M. Electrokinetic remediation of oil-contaminated soils. Journal of Environmental Scince and Health. Part A: Toxic. Hazardous Substances and Environmental Engineering. 2008. T. 43. No.8. pp. 876-880
16. Korolev, V. A. Jelektrohimicheskaja ochistka gruntov ot jekotoksikantov: itogi i perspektivy [Electrochemical cleaning of soils from toxicants: results and prospects] // Vestnik Moskovskogo universiteta. Serija 4: Geologija [Bulletin of Moscow University. Series 4: Geology]. 2008. - # 1. - P. 13-20.
17. Zlochevskaja, R. I. Jelektropoverhnostnye javlenija v glinistyh porodah [Electrosurface phenomena in clay rocks]. - Moskva: Iz-vo MGU, 1988. - 177 p.
18. Korolev, V. A. Teorija jelektropoverhnostnyh javlenij v gruntah i ih primenenie [Theory electrosurface phenomena in soils and their application]. - Moskva : ООО "Sam poligrafist", 2015. - 468 p.
19. Dahnov, V. N. Jelektricheskie i magnitnye metody issledovanija skvazhin [Electrical and magnetic methods for wells]. - Moskva : Nedra, 1981. - 344 p.
20. Kobranova, V. N. Fizicheskie svojstva gornyh porod [Physical properties of rocks]. - Moskva : Gos. nauch.-tehn. izd-vo neftjanoj i gorno-toplivnoj lit., 1962. -490 p.
21. Prostov S. M., Khyamyalyainen V. A., Bakhaeva S. P. Interrelation among electrophysical properties of clay rocks, their porosity and moisture saturation // Journal of Mining Science. 2006. No .4. pp.349-359
22. Shtumpf, G. G. Fiziko-tehnicheskie svojstva gornyh porod i uglej Kuzneckogo bassejna [Physical and technical properties of rocks and coals of Kuznetsk basin] / G. G. Shtumpf, Ju. A. Ryzhkov, V. A. Shalamanov[i dr.]. - Moskva : Nedra, 1994. - 447 p.
23. Rzhevskij, V. V. Osnovy fiziki gornyh porod: Uchebnik dlja vuzov [Fundamentals of rock physics]. - 4-e izd., pererab. i dop. / V. V. Rzhevskij, G. Ja. Novik. - Moskva : Nedra, 1984. - 359 p.
24. Prostov, S. M. Metod ocenki zagrjaznenija nefteproduktami po jelektricheskim svojstvam gruntov [Method of evaluating oil contamination on the electrical properties of soils] / S. M. Prostov, M. V. Gucal, E. A. Shabanov // Vestnik KuzGTU. - 2015. - # 6. - P. 38-44.
25. Sergey M. Prostov, Maxim V. Gucal, Evgeniy A. Shabanov. Physical basis of controlled electrochemical cleaning soils from petroleum. Proceedings of the Taishan Academic Forum - Project on Mine Disaster Prevention and Control / Atlantis Press. 2014 p. 433-441
26. Pokatilov, A. V. Kontrol' izmenenija fiziko-mehanicheskih svojstv massiva glinistyh gruntov pri jelektrohimicheskom zakreplenii [Control changes in physical and mechanical properties of the solid clay soils during electrochemical induration] / A. V. Pokatilov, S. M. Prostov // Vestnik KuzGTU. - 2006. - # 4. - P. 10-14.
27. Rudkovskij, D. I. Issledovanie faktorov, vlijajushhih na processy geleob-razovanija rastvorov dlja odnostadijnogo JeHZ [Investigation of factors influencing the process of gelling solutions for one-step electro chemical grouting] / D. I. Rudkovskij, S. M. Prostov, A. V. Pokatilov // Vestnik KuzGTU . - 2008. - #5. - P. 18-22.
Поступило в редакцию 27.11.2016 Received 27.11.2016
