Спосіб вилучення важких металів і радіонуклідів із ґрунту

Спосіб вилучення важких металів і радіонуклідів із ґрунту, який включає електрокінетичну обробку ґрунту в полі постійного струму, який відрізняється тим, що в процесі обробки напруженість електричного поля імпульсно збільшують в Кu = 28 разів, при цьому період імпульсу (Т) становить 0,5-10 с, а тривалість імпульсу визначають з виразу: ti = Iп. д. × T /(Ii × K u + Iп.д. ) , де Ii - сила стр уму імпульсу, А; Iп.д. - сила струму, що створює постійне електричне поле, А. Винахід відноситься до області фізико-хімічних методів очищення ґрунту від шкідливих домішок і може бути використаний при ремедиації (відновленні) забруднених ґрунтів. Відомий спосіб очищення ґрунту шляхом вилучення забруднення за допомогою постійного електричного струму при контрольованій напрузі [A. Li, K.A.Cheung, K.R. Reddy. Cosolvent enchanced electrokinetic remediation of soils contaminated with phenanthrene// J. of Engineering, Vol. 126, N. 6, 2000, pp. 527-533 [1]. Очищення ґрунту за відомим способом [1] проводили в колонці довжиною 19,1см і внутрішнім діаметром 6,2см при використанні в якості модельних забруднень бутиламіна, тетрагідрофурана й фенантрена. Вилучення забруднення здійснювали в електричному полі напруженістю 1В/см, після 127 днів ремедіації ступінь очищення ґрунту від фенантрена досяг 43%. Недоліком відомого способу [1] є низький ступінь вилучення забруднення (43%) і значна тривалість очищення (127 днів). Відомий спосіб злектрокінетичного очищення ґрунту шля хом накладання постійного електричного поля від зовнішнього джерела живлення зі стабілізацією напруги [Ch.H. Weng, G. Yuan, H.H. Тu. Remowal of trichlorethylene from clay soil by serieselectrokinetic process Practice Periodical of hazardous, Toxic and Radioactive Waste Management, Vol. 7, No.l, 2003, pp.25- 30].[2]. Спосіб полягає в наступному. Глинистий ґрунт, штучно забруднений трихлоретиленом у кількості 300мг/кг, обробляли електрокінетично. Вилучення забруднення за відомим способом [2] проводили при фіксованих значеннях напруженості електричного поля 1 і 2В/см. Згідно наведених даних е фективність вилучення забруднення залежить від прикладеної напруги. Підвищення напруженості електричного поля з 1 до 2В/см дозволяє збільшити ступінь ви (19) (11) 85635 (13) (21) a200707244 (22) 27.06.2007 (24) 10.02.2009 (46) 10.02.2009, Бюл.№ 3, 2009 р. (72) МАКОВЕЦЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ЛАВРОВИЧ, UA, ЗАВГОРОДНІЙ ВОЛОДИМИР АНДРІЙОВИЧ, UA, СПАСЬОНОВА ЛАРИС А МИКОЛАЇВНА, UA, КОВАЛЬЧУК ІРИНА АНДРІЇВН А, UA, КОРНІЛОВИЧ БОРИС ЮРІЙОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ ТА ХІМІЇ ВОДИ ІМ. А.В.ДУМАНСЬКОГО Н АЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ, UA (56) A. Li, K.A.Cheung, K.R. Reddy. Cosolvent enchanced electrokinetic remediation of soils contaminated with phenanthrene// J. of Engineering, Vol. 126, N. 6, 2000 Ch.H. Weng, G. Yuan, H.H. Тu. Remowal of trichlorethylene from clay soil by series- electrokinetic process Practice Periodical of hazardous, Toxic and Radioactive Waste Management, Vol. 7, No.l, 2003 Jian-Long Chen and Larry Murdoch. Effect of Electroosmosis on Natural Soil: Field test. /Journal C2 2 UA 1 3 85635 лучення трихлоретилена з 86,4 до 91,3%, при цьому витрати електроенергії зросли з 12,6 до 46,2кВт.год/т ґрунту. Як показали наші розрахунки, збільшення ступеня вилучення забруднення на 5% приводить до збільшення тривалості процесу в 3 рази. Таким чином, основним недоліком [2] є істотне збільшення тривалості очищення ґрунту при підвищенні ступеня вилучення забруднення. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною сутністю та результатом, що досягається, є спосіб електрокінетичного очищення ґрунту [Jian-Long Chen and Larry Murdoch. Effect of Electroosmosis on Natural Soil: Field test. /Journal ofGeotechnical and geoenvironmental Engeneering, Vol. 125, No. 12, December 1999,pp. 1090-1098 ] [3]. Сутність способу полягає в наступному. Ґрунт з високим вмістом мулу й глини, вологістю 17,4% забруднювали сполуками міді. Вилучення міді із ґрунту здійснювали електрокінетично в лабораторному апараті. Електродні камери довжиною 15см, внутрішнім діаметром 8см встановлювали вертикально й заповнювали електролітом - 0,01М NaNO3, водневий показник електроліту доводили до величини 3 додаванням відповідної кількості HNO3. Як електроди використовували пластини із платини (Pt). Очищення ґрунту проводили в гальваностатичному режимі при двох значеннях густини струму 0,1 і 0,2мА/см . Тривалість очищення склала від 26 до 70 діб. При цьому вміст міді в ґрунті після 70діб електрокінетичної обробки знизився з 1360 до 200мг/кг(d) (d-сухий ґрунт). Відповідно до наших розрахунків ступінь очищення ґрунту від міді досягав 80%. Недоліком відомого способу [3] є низька ефективність вилучення забруднювача (міді) із ґрунту й значна тривалість процесу. Причиною, що перешкоджає досягненню технічного результату - високого ступеню вилучення забруднення за нетривалий термін в [3] - є те, що електричний режим живлення електрокінетичної установки з фіксованими значеннями струму не може бути оптимальним, тому що в процесі електроремедіації ґрунту не враховувались параметри, які змінюються і впливають на ступінь очищення й тривалість вилучення забруднення, а саме електричний опір середовища, температура, рН, перерозподіл електроліту в об’ємі ґрунту й ін. [L.M. Ottosen, H.K. Hansen, Villumsen. Electrodialytic remediation of soil poluted with copper from wood preservation industry// En viron Sci. and Technol. Vol. 31, №6, 1997. pp 1711-1715] [4]. В основу винаходу поставлене завдання розробити спосіб вилучення забруднення із ґрунту, у якому короткочасне збільшення напруги постійного струму в імпульсному режимі, що заявляється, забезпечило б істотне підвищення ступеня очищення ґрунту від важких металів і радіонуклідів з одночасним зменшенням тривалості процесу. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі вилучення важких металів і радіонуклідів із ґрунту, що включає електрокінетичну обробку ґрунту в полі постійного струму, відповідно до винаходу в процесі обробки напруженість електричного поля імпульсно збільшують в Кu=2-8 разів, при цьому 4 період імпульсу (Т) становить 0,5-10с, а тривалість імпульсу ( t і) визначають із виразу: t і=Iп.л.*Т/(Іі*Кu+Іп.д.), Іп.д.- сила струму, що створює постійне електричне поле, А, Іі - сила стр уму імпульсу, А, Ku - відношення імпульсної напруги до постійно діючої. Нами показано, що здійснення процесу ремедіації ґрунту при постійному стр умі, але з імпульсним збільшенням напруги в режимі, який заявляється, веде до інтенсифіцикації електрокінетичного вилучення забруднення із ґрунту, а отже скорочує тривалість процесу при збереженні оптимального температурного режиму. Таким чином, сукупність істотних ознак способу, що заявляється, є необхідною й достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом результату - підви щення ступеня очищення до 84– 93% з одночасним скороченням часу ремедіації ґрунту в 1,5-2,5 рази. Спосіб реалізується наступним чином. Ділянку ґрунту, забруднену важкими металами й радіонуклідами (загальною массою m 1) облаштовують шур фами під електродні блоки - анодні й катодні. Електродні блоки в зборі складаються з циліндричних, жорстких фільтруючих елементів, обладнаних гідравлічною арматурою і електродами: анодами й катодами. Після установки в шур фи камери заповнюють електролітом, а на електроди подають постійну регульовану напругу від зовнішнього джерела струму. Під дією електричного поля в ґрунті виникає осмотичний потік рідини, що рухається від анодного блоку до катодного й промиває ґрунт, одночасно рухається потік заряджених часток - катіонів металів і радіонуклідів. Таким чином, забруднення концентрується в катодному блоці у вигляді розчину. З метою інтенсифікації електрокінетичного процесу, напругу на електродах імпульсно збільшують в 2-8 разів, при цьому період імпульсу (Т) становить 0,5-10с, а тривалість імпульсу ( t i) визначають із виразу: t і=Iп.л.*Т/(Іі*Кu+Іп.д.), де Iп.д. - сила стр уму, що створює постійне електричне поле, А, Іі - сила стр уму імпульсу, А, Ku - відношення імпульсної напруги до постійно діючої, Т - період імпульсу, с У наведеному виразі Кu=2-8, Т=0,5-10с, а Іпд, Ii - електричні параметри конкретного ґрунту, які знаходять з вольт-амперної характеристики ґрунту, що очищається. Для побудови вольт-амперної характеристики на електроди послідовно подають різні напруги і фіксують відповідну їм силу струму. Надалі процес ремедіації ґрунту проводять в режимі, що заявляється безперервно, наприклад протягом 28, 35 і 45 діб. Такий режим інтенсифікує вилучення важких металів і радіонуклідів із ґрунту, скорочує тривалість вилучення забруднень і забезпечує оптимальну температуру ґр унту - не більше +50°С. Поточний контроль за вилученням забруднення із ґрунту ведуть шляхом аналізу проб католіту за допомогою атомно-абсорбційного спектрофо 5 85635 тометра марки С-115М1 відповідно з інструкцією до приладу. Концентрацію радіонукліду (урану) у пробі визначали за стандартною методикою [А.А. Немодрук, Л.П. Глухова. Взаємодія шестивалентного урану з арсеназо III у сильнокислих розчинах// ЖАХ. - 1963, №1. - С.93-98] [5]. Контрольні проби католіту відбирють 1 раз на добу. Кількість забруднення (m t ), що вилучено із ґрунту за час t , визначають за вмістом забруднення в пробах католіту із виразу: mt = n= t n =t å mn = å ( Qconst + Qосм) · ( Cn - Cn-1) ,мг, n =1 n=1 (1) де t - час від початку ремедіації, діб, m n - кількість забруднення, вилученого із ґрунту подобово за 1, 2, 3, ..., n-нну добу, мг, QCons- об’єм католіту в гідросистемі, дм, Qосм - подобовий об’єм осмотично перенесеної рідини за 1, 2, 3, ..., n-нну добу, дм 3 , Сn - вміст забруднення в католіті на поточну добу, мг/дм 3, Сn-1 - вміст забруднення в католіті за попередню добу, мг/дм 3. Ступінь очищення грунту (D t ) від важких металів і радіонуклідів визначали із виразу: (2) D t =m t /m 1.100%, де m 1 –кількість забруднення в ґрунті до його ремедіації, г, m t - кількість забруднення вилученого із ґрунту, г. Ступінь очистки грунту від забруднення на прикладі міді і тривалість процесу ремедіації ґрунту при різних режимах наведені в таблиці 2, приклади 1-10. 6 Приклад виконання за винаходом 0,5м 3 ґрунту , що містить до 30% мулу й глини, з масовою часткою вологи - 14% забруднювали сполуками міді (CuSO4.2H2O) на глибину 0,5м і одержували забруднену ділянку площею 1м 2. Кількість міді, введеної в ґрунт при його забрудненні (m 1=44,9г) така, що концентрація її в гр унті склала в середньому 116 мг/кг(с1). Вилучення міді із ґрунту здійснювали електрокінетично. Електродні блоки (діаметр 75мм, довжина 500мм) встановлювали вертикально в попередньо вибурені в ґрунті шур фи діаметром 100мм, глибиною 500мм. Катодні блоки встановлювали симетрично по обидві сторони від анодного блоку на відстані 350мм. Осмотичний контакт між поверхнями шурфів і електродних блоків забезпечували шляхом введення в зазор глино-суспензії. Катодні камери електродних блоків заповнювали 6М розчином оцтової кислоти, анодну - водопровідною водою. Як електроди використовували: у катодних блоках - стрижні з нержавіючої сталі марки 10Н18Х діаметром 14мм, довжиною 550мм, в анодному блоці застосували пластину з титану марки ВТ-1 розмірами 520x30x8мм, оброблену діоксидом марганцю. На електроди подавали постійний електричний струм від зовнішнього джерела живлення, яке дозволяє змінювати величину напруги від 0 до 300В. Змінюючи напругу на електродах і фіксуючи відповідну силу струму, одержували вольтамперну характеристику (Табл.1), яка визначає електричні параметри конкретного ґрунту. Таблиця 1 U, B І, А 20 1,6 40 2,2 60 2,9 90 3,8 120 4,7 З вольт-амперної характеристики визначали величину постійно діючої напруги на електродах Uп.д. Для даного грунту пряма пропорційність між напругою й струмом зберігається на ділянці 2040В, обрано середнє значення Uп.д.=30В, йому відповідає струм Іп.д.=1,9 А. Далі, відповідно до винаходу, напругу на електродах імпульсно збільшували в 4 рази й одержували напругу імпульсу U1=30 х4=120В. З вольтамперної характеристики цій напрузі відповідає струм I 1=4,7А. Задаючи період імпульсу, наприклад, Т=7с, знаходили тривалість імпульсу: t і=Iп.л.*Т/(Іі*Кu+Іп.д.)=1,9 x7/(4,7 x4+1,9)=0,64с, (позначення в даному виразі ті ж , що й вище). Процес ремедіації ґрунту проводили в безперервному автоматичному режимі 28 діб. В анодну камеру періодично додавали воду для компенсації електроосмотичного відтоку аноліту. У катодній камері підтримували рН = 3-4 шляхом введення 6М оцтової кислоти. Один раз на добу з катодної камери відбирали надлишок електроосмотично 180 6,3 200 7,0 240 8,3 270 9,3 300 10,0 перенесеної рідини, вимірювали її об’єм (Qocм ), і аналізували проби на мідь (об’єм проби 50мл). Підсумовуючи по добово m t в інтервалі від 0 до 28 діб визначали кількість вилученої міді за 28 діб згідно із виразом (1). За виразом (1) кількість електрокінетично вилученої міді за 28 діб становила m 28 = 41,4г, звідки ступінь очищення знаходили з виразу (2): D28=(41,4/44,9)х100%=92,2% (Табл. 2, приклад 7) Порівнюючи тривалість очищення ґрунту від міді - 45 діб (приклад 2, табл. 2) і 28 діб (приклад 7, табл. 2 ) видно, що 45 діб становить граничну тривалість очищення ґрунту при обраному в прикладі 2 режимі. Встановлено, що напруга імпульсу (2-8) Uп.д., його період (Т=0,5-10с) і тривалість ( t i) обрані з умов, які забезпечують вилучення міді із ґрунту на рівні 84,2-93,1% за 28-45 діб безперервної роботи (Табл. 2, приклади 1-10). 7 85635 8 Таблиця 2 Режим електрокінетичної обработки грунту № п/п Ku Показники Ступінь очистки, Тривалість про% цесу, діб t і, С U i, В Iпд, А Ii, А Т, с 60 120 180 240 60 60 120 120 240 240 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 2,9 4,7 6,3 8,3 2,9 2,9 4,7 4,7 8,3 8,3 0,5 0,5 0,5 0,5 7 10 7 10 7 10 0,12 0,05 0,02 0,01 1,73 2,47 0,64 0,92 0,19 0,28 86,6 85,1 84,2 84,5 88,1 89,6 92,2 93,1 90,3 91,1 45 45 45 45 35 35 28 28 35 35 30 1,9 1,9 9 270 1,9 9,3 10 0,22 4 4 [3] 120 120 1,9 1,9 4,7 4,7