Спосіб очищення ґрунтових вод та ґрунту від важких металів та радіонуклідів

Спосіб очищення ґрунтових вод та ґрунту від важких металів і радіонуклідів, що включає встановлення електродів в ґрунт, електрокінетичну обробку ґрунтових вод та ґрунту електричним 3 струмом постійної потужності 2-4 кВт/м ґрунту, який відрізняється тим, що анод і катод встановлюють з відхиленням від вертикалі, причому відстань між верхніми кінцями електродів в 1,1-1,2 разу більша, ніж між нижніми. (19) (21) u201101536 (22) 10.02.2011 (24) 26.09.2011 (46) 26.09.2011, Бюл.№ 18, 2011 р. (72) ЯЦЕНКО АРТЕМ ПАВЛОВИЧ, КОРНІЛОВИЧ БОРИС ЮРІЙОВИЧ, МАКОВЕЦЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ЛАВРОВИЧ, СПАСЬОНОВА ЛАРИСА МИКОЛАЇВНА, ЗАВГОРОДНІЙ ВОЛОДИМИР АНДРІЙОВИЧ (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ "КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ" 3 частина забруднення, яке знаходиться в ґрунтових водах, із міжелектродного простору під дією електроосмотичного тиску виноситься в неактивну зону ґрунту, а тому не може бути вилучена в електродну камеру. Загальну кількість забруднення (Q) можна розподілити наступним чином: Q = Q1 + Q2 + Q3, де Q1 - масова частка забруднення, яке електроосмотично і електроміграційно можна спрямувати в електродну камеру - до 95 %, Q2 - масова частка забруднення, що залишається в ґрунті, і вилучення якого пов'язане із надмірними затратами часу та електроенергії - 1-3 %, Q3 - масова частка забруднення, яке разом з ґрунтовою водою під дією електроосмотичного тиску рухається в позаелектродну зону, а тому недосяжне для вилучення відомим способом - 34%. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення ступеня вилучення забруднення із ґрунтових вод та ґрунту. Поставлена задача вирішується тим, що очищення ґрунтових вод та ґрунту від важких металів і радіонуклідів здійснюється за допомогою електрокінетичної обробки ґрунтових вод та ґрунту шляхом встановлення електродів в ґрунт, та пропускання електричного струму постійної потужнос3 ті 2-А кВт/м ґрунту. Згідно з корисною моделлю новим є те, що анод і катод встановлюють з відхиленням від вертикалі, причому відстань між верхніми кінцями електродів в 1,1-1,2 разу більша, ніж між нижніми. Ефективність запропонованого способу витікає із суті процесу електрокінетичної обробки ґрунту, яка полягає в наступному. Напруженість електричного поля в ґрунті, як і величина електроосмотичного потоку, визначаються відстанню між електродами та величиною напруги на них. При наявності електроосмотичного потоку, структура ґрунту чинить гідравлічний опір, що призводить до виникнення в ґрунті електроосмотичного тиску. При вертикально встановлених електродах (аналог) градієнт напруженості електричного поля по висоті очищуваної зони ґрунту відсутній. В таких умовах частина ґрунтових вод з забрудненням попадає вниз масиву ґрунту (в позаелектродну, неактивну зону), звідки вилучення забруднення стає неможливим. Здійснення очищення ґрунтових вод та ґрунту в нових умовах, коли відстань між електродами в верхній їх частині в 1,1-1,2 разу більша за відстань між ними внизу (пропонована корисна модель), зумовлює ведення процесу електрокінетичного очищення ґрунтових вод та ґрунту при зростаючій напруженості електричного поля, а відповідно, і електроосмотичного тиску в ґрунті в напрямку зверху вниз, що забезпечує досягнення максимальної величини електроосмотичного тиску на нижній межі оброблюваного ґрунту і унеможливлює перенесення забруднення із міжелектродного простору в неактивну зону. Таким чином досягають вилучення забруднення Q3. Наведена сукупність істотних ознак пропонованого способу є необхідною і достатньою для 62964 4 отримання забезпечуваного результату - досягнення високого ступеня очищення 98,8 % за 54 доби обробки. Спосіб може бути реалізований наступним чином. На земельній ділянці, забрудненій іонами важких металів та радіонуклідів, бурять шурфи з відхиленням від вертикалі, щоб розмістити електродні блоки. Кут нахилу анодного і катодного блоків визначається тим, що відстань між верхніми кінцями електродів в 1,1-1,2 разу більша ніж відстань між нижніми. Електродні блоки, що складаються із жорстких фільтруючих елементів, гідравлічної арматури і електродів, встановлюють в шурфи, камери заповнюють електролітом, формуючи електрокінетичний ланцюг: анод - аноліт - ґрунт -католіт - катод. За допомогою електродів через ґрунт пропускають постійний струм заданої потужності від зовнішнього джерела живлення. В результаті формуються електроміграційний та електроосмотичний потоки, які забезпечують вилучення забруднення із ґрунтових вод та ґрунту. Забруднена ґрунтова вода під дією електроосмотичного тиску знизу долає гравітацію і утримується в активній зоні електрокінетичної ванни, чим виключається спрямованість забруднення в позаелектродну зону. Забруднення в складі католіту накопичується в катодній камері, звідки направляється в робочу ємність. Процес очищення здійснювали безперервно протягом 54 діб. Поточний контроль за вилученням забруднення із ґрунтових вод та ґрунту проводили 1 раз на добу шляхом аналізу проб католіту. При цьому концентрацію міді визначали методом атомно-абсорбційної спектрофотометрії, а урану - методом спектрофотометрії з використанням арсеназо ІІІ. Масу забруднення (mn, мг), вилученого за n діб визначали, користуючись виразом: m n  Q  k  1 q n  C n • Cn, n Q = Const - об'єм католіту в катодній гілці гідравлічної системи електрокінетичної ванни після 3 закінчення ремедіації, дм ; k - вміст забруднення в католіті після закінчен3 ня процесу очищення, мг/дм ; n - кількість діб, за яку визначають mn; 3 qn - подобовий об'єм відібраного католіту, дм ; Сn - подобовий вміст забруднення в католіті, 3 мг/дм . Процес ремедіації вважають закінченим, якщо масова частка вилученого забруднення досягає 98%. Ступінь очищення (К) визначали із виразу: K = [(mn/a1]- 100 %, де а1 - вміст забруднення внесеного в ґрунтову воду та ґрунт, мг. Ступінь очищення ґрунтових вод та ґрунту від забруднення в залежності від нахилу електродів наведено в таблицях 1 (мідь) та 2 (уран). Приклад виконання способу за корисною моделлю. Ділянку ґрунту (750 мм х 530 мм), який містить 62,5 % мулу і глини, 22,2 % органіки та 15,3 % ґрунтової води, забруднювали сполуками міді (CuSO4•2H2O) та урану (UO2(Ac)2•2H2O). Площа 2 забрудненого ґрунту складала 0,4 м , загальна 5 маса внесеного забруднення становила 5000 мг міді та 5000 мг урану. Вилучення міді та урану із ґрунтових вод та ґрунту здійснювали електрокінетично при постійній 3 електричній потужності 3 кВт/м ґрунту. Електродні блоки діаметром 75 мм, довжиною 550 мм встановлювали в ґрунт з відхиленням від вертикалі у відповідно вибурені шурфи. Згідно з корисною моделлю, відстань між анодними та катодними електродами в верхній частині дорівнювала 550 мм, в нижній - 500 мм, тобто співвідношення відстаней між верхом та низом анод-катодної пари дорівнювало 1,1. Як катоди використовували стрижні із нержавіючої сталі марки 10Н18Х діаметром 14 мм, довжиною 550 мм, а як аноди - брали пластини із титану марки ВТЧ, розмірами 520 × 30 × 8 мм, покриті діоксидом марганцю. Як джерело електричного живлення використовували стабілізатор потужності постійного струму. Електрокінетичну обробку ґрунту проводили при таких електричних параметрах: потужність 3 постійного струму - 3,00 кВт/м ґрунту, вихідна напруга на електродах V=150 В, вихідна напруженість електричного поля на поверхні ґрунту Uв = 2,55 В/см, внизу камери Uн = 2,70 В/см. Всього було задіяно дві анодні та дві катодні камери. Рівень електроліту в камерах підтримували постійним. Для цього анодні та катодні камери обладнані датчиками контролю рівня електроліту, гідравлічними системами, до яких входять насоси, електричні клапани і буферні ємності. Перед під'єднанням електродів до джерела електричного живлення, електродні камери заповнювали: анодні - водою, катодні - ЗМ розчином оцтової кислоти. Потім вмикали електричний струм і за допомогою регулятора потужності встановлювали необхідні електричні параметри процесу. Надалі процес обробки проводили безперервно в автоматичному режимі. Температуру ґрунту визначали термометром. Процес очищення контролювали періодичним (1 раз на добу) відбором та аналізом проб католіту на мідь атомно-абсорбційним методом, а на уран 62964 6 спектрофотометрією з використанням арсеназо ІІІ. Процес очищення ґрунтових вод та ґрунту закінчували, коли ступінь видалення досягав 98 %. Тривалість очищення ґрунтових вод та ґрунту від міді склала 54 доби (Табл. 1, пр. 1, 2). Температура ґрунту в процесі ремедіації не перевищувала 31 °C. Аналогічно прикладу за корисною моделлю проводили очищення ґрунтових вод та ґрунту від урану, змінюючи розвал електродів анод-катодної пари, який характеризується співвідношенням відстаней між верхом та низом електродів, як в діапазоні, що заявляється, так і поза його межами, тривалість ремедіації склала 60 діб (Табл. 2, пр. 1, 2 та 3, 4). Встановлено, що розвал електродів анодкатодної пари в межах, що заявляються, забезпечує високий ступінь очищення ґрунтових вод та ґрунту при тій же тривалості процесу. При збільшенні розвалу електродів за межі 1,2, наприклад, до величини 1,3, ступінь очищення ґрунтових вод та ґрунту знижується на 6-7 % (при збереженні тривалості обробки 54 доби). Слід зазначити, що зменшення розвалу електродів до величини 1,0, приводить до електрокінетичної обробки за аналогом (у якого електроди встановлено вертикально), з усіма його недоліками, зазначеними вище. Дані про вилучення міді наведено в таблиці 1, з якої видно, що запропонований спосіб електроремедіації ґрунту, у порівнянні з відомим способом дозволяє істотно підвищити ступінь очищення ґрунтових вод та ґрунту з 95,1 % до 98,1-98,8 %, тобто на 3,0-3,7 % при збереженні тривалості процесу ремедіації 54 доби. Що стосується вилучення урану (Табл. 2), то за 60 діб ступінь очищення ґрунтових вод та ґрунту досягав 98,0-98,2 %, в той час як для аналога він становить 94,7 %. Таким чином, використання способу, що заявляється забезпечує ступінь очищення ґрунтових вод та ґрунту від важких металів та радіонуклідів на рівні 98,0-98,8 % при тій же тривалості обробки. Таблиця 1 Вміст міді (Сu) в ґрунСпіввідношення відстаней між Вилучено міді, Тривалість очи№ з/п тових водах та ґрунті верхом та низом анода і камг щення, діб до їх очищення, мг тода За корисною моделлю 1 5000 4905 1,1 54 2 5000 4940 1,2 54 Позамежні значення 3 5000 4740 1,0 54 4 5000 4600 1,3 54 За аналогом 5 2350 2235 1,0 54 Ступінь очищення, % 98,1 98,8 94,8 92,0 95,1 7 62964 8 Таблиця 2 Вміст урану (U) в ґруСпіввідношення відстаней Вилучено ура№ з/п нтових водах та ґрунті між верхом та низом анода і ну, мг до їх очищення, мг катода За корисною моделлю 1 5000 4910 1,1 2 5000 4900 1,2 Позамежні значення 3 5000 4740 1,0 4 5000 4600 1,3 За аналогом 5 2350 2225 1,0 Комп’ютерна верстка Мацело В. Підписне Тривалість очищення, діб Ступінь очищення, % 60 60 98,2 98,0 60 60 94,8 92,0 60 94,7 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601