CC BY
32Статья поступила в редакцию 31.03.14. Ред. рег. № 1967
The article has entered in publishing office 31.03.14. Ed. reg. No. 1967
УДК 534.638
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГРУНТОВ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ, ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И УГЛЕВОДОРОДОВ
Е.А. Максимов, О. С. Пташкина-Гирина, В. В. Старших
Челябинская государственная агроинженерная академия 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 75 Тел.: +7(351)265-56-01, e-mail:girina2002@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 04.04.14 Заключение совета экспертов: 09.04.14 Принято к публикации: 13.04.14
Предложена интенсификация электрокинетического способа очистки грунта от радионуклидов, тяжелых металлов, углеводородов (нефтепродуктов) с помощью неравномерного электрического поля и перпендикулярного ему магнитного поля.
Ключевые слова: загрязнение почвы, радионуклиды, тяжелые металлы, углеводороды, электрокинетический способ.
RESEARCH OF ELECTROKINETIC SOIL DECONTAMINATION FROM RADIONUCLIDES, HEAVY METALS AND HYDROCARBONS TECHNOLOGY
E.A. Maksimov, O.S. Ptashkina-Girina, V.V. Starshih
Chelyabinsk State Academy of Agro Engineering 75 Lenin str., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: +7 (351) 265-56-01, e-mail: girina2002@mail.ru
Referred: 04.04.14 Expertise: 09.04.14 Accepted: 13.04.14
The paper presents an intensification method of soil decontamination electrokinetic technique from radionuclides, heavy metals, hydrocarbons (mineral oil) using a non-uniform electric field and a magnetic field which is perpendicular to it.
Keywords: soil contamination, radionuclides, heavy metals, hydrocarbons, electrokinetic technique.
Сведения об авторе: доцент кафедры тепловодогазоснабжения сельского хозяйства Челябинской гос. агроинженерной академии.
Образование: механико-технологический факультет Южно-Уральского гос. университета. Область научных интересов: современные методы очистки сточных вод и грунтов. Публикации: 2 монографии.
Евгений Александрович Максимов JT
Сведения об авторе: зав. кафедрой тепловодогазоснабжения сельского хозяйства Челябинской гос. агроинженерной академии, канд. техн. наук.
Образование: Казахский гос. университет по специальности «Гидрология суши». Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, современные методы очистки сточных вод и грунтов. Публикации: более 50.
Ольга Степановна Пташкина-Гирина
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Ш
Сведения об авторе: доцент кафедры тепловодогазоснабжения сельского хозяйства Челябинской гос. агроинженерной академии.
Образование: металлургический факультет Уральского политехнического института по специальности «Обработка металлов давлением».
Область научных интересов: современные методы очистки сточных вод и грунтов. Публикации: 1 монография, более 40 статей, 41 патент на полезные модели и изобретения
Владимир Васильевич Старших
Введение
В процессе деятельности предприятий атомной промышленности возникает ряд серьезных проблем, связанных с загрязнением отдельных территорий в результате аварий, в том числе радиоактивными продуктами деления урана. Из всех продуктов деления урана наиболее известными являются Cz137, Sr90, Co60, Ra226, которые усваиваются растениями из почвы и по биологической цепочке попадают в организм человека. При этом около 95% радиоактивных загрязнений аккумулируются в верхнем слое грунта.
Универсальных методов очистки почвы от загрязнений тяжелыми металлами, радионуклидами, нефтепродуктами не существует. Эффективность метода очистки зависит от свойств почвы, концентрации в ней загрязнений и других факторов.
В настоящее время в странах ЕЭС, США и России применяются различные методы очистки грунтов от радионуклидов и тяжелых металлов, в том числе методы ограничения - ex situ, методы обработки - in situ [1, 2].
К методам ограничения ex situ распространения загрязнений в почве можно отнести: устройство геоконтейнеров, механическую изоляцию почвы, герметизацию, механическую сепарацию почвы. Данные методы способствуют удержанию загрязнений тяжелых металлов в строго определенном локальном месте и нераспространению их на окружающую территорию.
К методам in situ можно отнести: построение изолирующих водонепроницаемых барьеров, электрокинетическую обработку, отмывание почвы, биологическое выщелачивание.
Большинство разрабатываемых технологий дезактивации грунтов основано на промывке их различными реагентами и включает в себя процессы выщелачивания и селективного извлечения загрязнителей. Одним из новых методов очистки грунтов является электрокинетический метод, главное достоинство которого - возможность его применения для очистки грунтов с низкой фильтрующей способно-
стью непосредственно на месте локального загрязнения. При этом исключается перемещение больших объемов загрязненного грунта от зоны загрязнения к местам их очистки. В основе данного способа лежат методы электромиграции и электроосмоса, протекающих при наложении электрического поля постоянного тока на участок грунта с загрязнениями.
Теоретический анализ
Электрокинетический способ обработки загрязненных почвогрунтов основан на явлении электроосмоса, который является наиболее безопасным с экологической точки зрения, так как не связан с перемещением загрязненных почвогрунтов и их повторной обработкой.
Электрокинетический способ очистки грунтов от радионуклидов, тяжелых металлов, углеводородов (нефтепродуктов) заключается в погружении в почву на очищаемом участке территории центрального и периферийных электродов, создании между центральным и периферийными электродами равномерного электрического поля постоянного тока на участке грунта с загрязнениями, подаче в область, примыкающую к центральному электроду, жидкости-носителя с реагентами, перемещении жидкости-носителя под действием электроосмотического эффекта от центрального электрода к периферийным, вытеснении из почвы жидкостью-носителем радионуклидов, тяжелых металлов, углеводородов. В этом способе наиболее эффективной жидкостью-носителем является слабо концентрированный раствор азотной кислоты с нитратом аммония [3].
Электрокинетический способ очистки грунта от углеводородов, радионуклидов и тяжелых металлов состоит из трех стадий:
- стадии перевода углеводородов, радионуклидов и тяжелых металлов в подвижное состояние;
- стадии интенсивного извлечения радионуклидов, тяжелых металлов, углеводородов (нефтепродуктов) из загрязненного грунта;
- стадии замедленного извлечения загрязнителей из грунта.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
В соответствии с этим первой и второй стадией процесса очистки является перевод радионуклидов, тяжелых металлов, углеводородов в подвижное состояние (закисление грунта) со скоростью, не превышающей 1 см/сут при расстоянии между электродами 1 м и более. При этом с ростом напряженности электрического поля увеличивается скорость извлечения загрязнений и сокращается продолжительность процесса очистки.
На третьей стадии очистки, замедленного извлечения загрязнителей из грунта, происходит разрушение пакетов кристаллической решетки алюмосиликатов.
Известно, что радионуклиды и тяжелые металлы, сорбируемые почвами, образуют комплексы на поверхности частиц глины, при этом величина водородного показателя рН снижается на аноде до рН =2, а на катоде возрастает до рН = 12 в зависимости от силы тока. Перенос веществ в почвах под действием электрического поля происходит в виде диффузии, электромиграции, электроосмоса. На них оказывают влияние минеральный состав грунта, состав проводящей среды с жидкостью-носителем, проводимость жидкости-носителя, электрохимический состав грунта и его пористость. При этом электромиграция является главным механизмом переноса веществ в электрическом поле. Катионы радионуклидов и тяжелых металлов притягиваются и сорбируются на отрицательных зарядах частиц глины. Причем механизм сорбирования включает образование компонентов на их поверхности (адсорбцию) или ионный обмен. Помощь в десорбции (удалении) катионов радионуклидов и тяжелых металлов из почвы
1 оказывает образование ионов водорода Н+ на аноде в ходе электролиза воды и их перенос в почву путем диффузии, электромиграции, электроосмоса. При этом тяжелые металлы и радионуклиды образуют комплексы на поверхности частиц глины, что выражается реакцией [4]
-о
0
пН+ + Ме"+ [почва]"- = Нп"+ [почва]"- + Меи+,
1 +
£ где Ме"+ - катион тяжелых металлов или радионуклидов; п - количество образовавшихся комплексов.
Тяжелые металлы и радионуклиды имеют различные сорбирующие характеристики, которые зависят от типа адсорбентов, т. е. сорбентов, поглощающих загрязнения поверхностным слоем. Главным затруднением при удалении катионов тяжелых металлов и радионуклидов с поверхности глины является их десорбция из тонко гранулированных осадков глины, обладающих большой катионной емкостью. Помощь в десорбции этих катионов оказывают образовавшиеся на аноде ионы водорода Н+ в ходе электролиза воды (жидкости-носителя) и их перемещение в почве под действием электроосмоса.
Схема устройства для осуществления способа очистки почвы от радионуклидов, тяжелых металлов, углеводородов традиционным способом при равномерном электрическом поле представлена на рис. 1.
+
Рис. 1. Схема устройства для очистки почвы от радионуклидов, тяжелых металлов, углеводородов традиционным способом при равномерном электрическом поле [4] Fig. 1. Device scheme for cleaning soil from radionuclides, heavy metals, hydrocarbons in the traditional way with a uniform electric field [4]
На рис. 1 схемы устройства изображены: зона очистки 1; погруженный в почву зоны очистки центральный электрод (анод) 2; система периферийных электродов (катод) 3; форсунка 4 для подачи жидкости-носителя; насос 5 для удаления из периферийных электродов жидкости, содержащей нефтепродукты, радионуклиды, тяжелые металлы; насос 6 для нагнетания жидкости-носителя в форсунку 4; перфорированная труба 7; насос 8 для откачки загрязнений, содержащих тяжелые металлы или радионуклиды.
Основной недостаток электрокинетического способа очистки загрязненных почвогрунтов - это его небольшая интенсивность. Движение жидкости-носителя типа воды с реагентами под действием электроосмотического эффекта не превышает 2,02,5 см/сут. Оно еще более замедляется при вытеснении из почвы водой таких загрязнений, как вязкие углеводороды типа нефти, машинного масла.
Целью настоящей работы является интенсификация электрокинетического способа очистки почвог-рунтов от радионуклидов, тяжелых металлов, углеводородов (нефтепродуктов), повышение скорости электроосмоса путем наложения на загрязненный участок территории неравномерного электрического поля и перпендикулярного ему магнитного поля прямой и обратной полярности.
Методика эксперимента
В предлагаемом способе для снижения продолжительности процесса очистки и повышения ее степени между центральным и периферийными электродами создается неравномерное электрическое поле, а перпендикулярно поверхности загрязненного участка территории дополнительно создается магнитное поле. Для дальнейшей интенсификации про-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
цесса очистки на поверхность загрязненного участка грунта воздействуют магнитным полем обратной полярности [5].
Устройство содержит погруженные в грунт зоны очистки центральный электрод и систему периферийных электродов, форсунки для подачи жидкости-носителя, насосы для нагнетания жидкости в форсунки, механизм удаления жидкости-носителя, содержащей загрязнения, из зоны очистки. По первому варианту устройства для снижения продолжительности очистки и повышения ее степени центральный электрод выполнен в виде стержня, поперечное сечение которого представляет собой многоугольник с вогнутыми сторонами, а система периферийных электродов выполнена из отдельных стержней, соединенных между собой пластинами, расположенными по ломаной линии таким образом, что напротив выступа или впадины на поверхности центрального электрода расположена впадина или выступ ломаной линии пластин, кроме того, устройство дополнительно содержит два соленоида, размещенных один над другим, первый из которых погружен в почву зоны очистки, второй - неподвижно закреплен с помощью траверсы на стойке, проходящей через ось центрального электрода (рис. 2).
Рис. 2. Вид сверху зоны очистки грунта от радионуклидов, тяжелых металлов, углеводородов при неоднородном электрическом поле с центральным и периферийными электродами, соединенными пластинами по ломаной линии: 1 - зона очистки; 2 - погруженный в почву зоны очистки центральный электрод (анод); 3 - система периферийных электродов (катод); 4 - вогнутые стороны многоугольника;
5 - пластины, расположенные по ломаной линии Fig. 2. Top view of the zone of soil decontamination from radionuclides, heavy metals, hydrocarbons in a nonuniform electric field with the central and peripheral electrodes compound by bars in a broken line: 1 - cleaning zone; 2 - central electrode (anode) immersed into the soil purification zone; 3 - peripheral electrode (cathode) system; 4 - in-bent sides of the polygon; 5 - bars arranged in a broken line
По второму варианту поверхность центрального электрода выполнена сетчатой с уплотнениями, а в середине каждой пластины жестко закреплены параболические или игольчатые шипы, причем напротив уплотнений центрального электрода расположены шипы пластин (рис. 3).
Рис. 3. Вид сверху зоны очистки грунта от радионуклидов,
тяжелых металлов, углеводородов при неоднородном электрическом поле с периферийными электродами в виде пластин с параболическими или игольчатыми шипами: 1 - зона очистки; 2 - погруженный в почву зоны очистки центральный электрод (анод); 3 - система периферийных электродов (катод); 4 - сетка центрального электрода;
5 - параболические или игольчатые шипы пластин Fig. 3. Top view of the zone of soil decontamination from radionuclides, heavy metals, hydrocarbons in a nonuniform electric field with peripheral electrodes in the form of bars with parabolic or needle spikes: 1 - cleaning zone; 2 - central electrode (anode) immersed into the soil purification zone; 3 - peripheral electrode (cathode) system; 4 - central electrode grid; 5 - parabolic or needle bars spikes
В устройстве по первому варианту неоднородное электрическое поле создается за счет прохождения постоянного электрического тока между выступами или впадинами (пиком) центрального электрода и впадинами или выступами, образуемыми соединительными пластинами периферийных электродов, по второму варианту - за счет прохождения постоянного электрического тока между уплотнениями на поверхности сетчатого центрального электрода и жестко закрепленными параболическими или игольчатыми шипами пластин.
В предлагаемом устройстве катионы радионуклидов и тяжелых металлов загрязненного грунта, сорбируемые частицами глины, поляризуются в неодно -родном электрическом поле под влиянием момента силы, стремятся развернуться осью вдоль направления действия поля. Неоднородное электрическое поле, создаваемое электродами, обуславливает миграцию катионов глины с сорбированными радионуклидами и тяжелыми металлами от системы периферийных электродов к центральному электроду по более сложной траектории по сравнению с прямолинейной траекторией при традиционном электрокинетическом способе очистки с равномерным электрическим полем от катода к аноду.
Под действием перпендикулярно направленного к загрязненному участку грунта магнитного поля, создаваемого верхним и нижним соленоидами, возникает сила Лоренца. Под действием этой силы катионы глины с адсорбированными радионуклидами и тяжелыми металлами начинают отклоняться от
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
своей прямолинейной траектории, принятой при традиционном электрокинетическом способе с равномерным электрическим полем от анода к катоду и увлекают за собой жидкость-носитель, в которой возникает более сложная круговая траектория движения вокруг центрального электрода.
Круговое движение жидкости-носителя вокруг центрального электрода увеличивает путь очистки при перетекании жидкости-носителя от катода к аноду, интенсифицирует процесс очистки - электромиграцию и электроосмос катионов глины с адсорбированными на них радионуклидами и тяжелыми металлами, что повышает скорость электроосмоса и повышает эффективность очистки грунта от загрязнений.
Заключение
Одним из перспективных способов очистки локальных участков грунта от загрязнителей является технология, основанная на электрокинетических процессах, сочетающих в себе воздействие на него с помощью неравномерного электрического поля, а также направленного перпендикулярно ему магнитного поля, создающего силу Лоренца. Под действием этой силы катионы глины с адсорбированными на их поверхности радионуклидами и тяжелыми металлами отклоняются от прямолинейной траектории от катода к аноду и увлекают за собой жидкость-носитель. При этом возника-
ет круговое движение жидкости-носителя вокруг центрального электрода, приводящее к увеличению пути очистки и вовлечению в этот процесс дополнительных участков грунта.
Под воздействием равномерного электрического поля концентрация адсорбированных ионов Си2 изменяется с 38,16 мг-экв до 0,018 мг-экв в анодной зоне, 2и+2 изменяется с 73,57 мг-экв до 0,016 мг-экв в анодной зоне, РЬ+2 изменяется с 139,99 мг-экв до 0,07 мг-экв в анодной зоне [6].
При очистке грунта с помощью неравномерного электрического поля напряженность электрического поля увеличивается в 3,8 раза по сравнению с ее величиной при равномерном электрическом поле, следовательно, можно предположить, что скорость движения жидкости-носителя при электроосмосе увеличится и составит 1,14-1,71 см/сут.
При обработке загрязненного участка грунта с помощью предлагаемого устройства в значительной степени повышается очистка почвы от радионуклидов цезия (Сб137), стронция (8г90), урана, а также фосфо-рорганических и фторорганических соединений.
Кроме того, при обработке загрязненного участка грунта с помощью неравномерного электрического поля и перпендикулярного ему магнитного поля содержание тяжелых металлов в почве снижается: для свинца - до 99%, для марганца - до 95, для ртути -до 64, для кобальта - до 97, для кадмия - до 96, для хрома - до 92, для железа - до 99, для никеля - до 90.
Список литературы
1. Иванов Ю.А. Поведение в почве радионуклидов, представленных различными компонентами в результате аварии на ЧАЭС // Радиохимия. 1992. № 5. С. 112-129.
2. Израэль А. Экология безопасности и условий развития аварии // Ядерное общество. 2002. № 3. С. 17-19.
3. Lasat M.M. Potential for phytoextraction of Cs137 from acontaminated Soil // Plant and Soil. 1997. № 195. Р. 99-106.
4. Ступин Д.Ю. Загрязнение почв и новейшие технологии их восстановления. СПб: Лань, 2009.
5. Максимов Е.А., Старших В.В. Способ очистки почвы от углеводородов, радионуклидов, тяжелых металлов и устройство для его применения. Положительное решение по заявке № 2012144175/13(070936) от 23.10.2013 г.
6. Королев В.А. Электрохимическая очистка грунтов от загрязнений // Экология и промышленность России. 1998. № 7. С. 11-12.
References
1. Ivanov U.А. Povedenie v pocve radionuklidov, predstavlennyh razlicnymi komponentami v rezul'tate avarii na CAES // Radiohimia. 1992. № 5. S. 112-129.
2. Izrael' A. Ekologia bezopasnosti i uslovij razvitia avarii // Adernoe obsestvo. 2002. № 3. S. 17-19.
3. Lasat M.M. Potential for phytoextraction of Cs137 from acontaminated Soil // Plant and Soil. 1997. № 195. P. 99-106.
4. Stupin D.U. Zagraznenie pocv i novejsie tehnologii ih vosstanovlenia. SPb: Lan', 2009.
5. Maksimov E.A., Starsih V.V. Sposob ocistki pocvy ot uglevodorodov, radionuklidov, tazelyh metallov i ustrojstvo dla ego primenenia. Polozitel'noe resenie po zaavke № 2012144175/13(070936) ot 23.10.2013 g.
6. Korolev V.A. Elektrohimiceskaa ocistka gruntov ot zagraznenij // Ekologia i promyslennost' Rossii. 1998. № 7. S. 11-12.
Транслитерация по ISO 9:1995
— TATA —
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
