Elektrisk motståndsuppvärmning - Electrical resistance heating

Elektrisk motståndsuppvärmning (ERH) är en intensiv in situ miljöåterställning metod som använder flödet av växelström el till värme mark och grundvatten och indunsta föroreningar. Elektrisk ström passerar genom en riktad jordvolym mellan elektrodelementen på ytan. Motståndet mot elektriskt flöde som finns i jorden orsakar värmebildning; vilket resulterar i en temperaturökning tills vattenets kokpunkt på djupet har uppnåtts. Efter att ha nått denna temperatur orsakar ytterligare energitillförsel en fasförändring, bildar ånga och avlägsnar flyktiga föroreningar. ERH är vanligtvis mer kostnadseffektivt när det används för behandling av föroreningskällor.

Elektricitetens friktion kan leda till att metall som kabeln är på värmer upp till en viss värme

Teknologi

Elektrisk motståndsuppvärmning används av miljöåterställningsindustrin för sanering av förorenad mark och grundvatten. ERH består av att konstruera elektroder i marken, applicera växelström (AC) på elektroderna och värma underytan till temperaturer som främjar avdunstning av föroreningar. Flyktiga föroreningar fångas upp av ett ångåtervinningssystem under jord och transporteras till ytan tillsammans med återvunnen luft och ånga. I likhet med jordångsextraktion behandlas sedan luft, ånga och förångade föroreningar vid ytan för att separera vatten, luft och föroreningarna. Behandling av de olika strömmarna beror på lokala föreskrifter och mängden förorening.

Vissa organiska föroreningar med låg flyktighet har en kort halveringstid för hydrolys . För föroreningar som dessa, dvs. 1,1,2,2-tetrakloretan och 1,1,1-trikloretan , kan hydrolys vara den primära formen för sanering. Som underlaget värmes hydrolys halv livslängd av föroreningen kommer att minska som beskrivs av Arrhenius ekvation . Detta resulterar i en snabb nedbrytning av föroreningen. Hydrolysen biprodukt kan saneras genom konventionell ERH, men majoriteten av massan av den primära föroreningen inte kommer att återvinnas utan snarare kommer att brytas ned till en biprodukt.

Det finns övervägande två elektriska belastningsarrangemang för ERH: trefas och sexfas. Trefasuppvärmning består av elektroder i ett upprepande triangulärt eller deltamönster. Intilliggande elektroder har en annan elektrisk fas så att elektricitet leder mellan dem som visas i figur 1. Det förorenade området avbildas av den gröna formen medan elektroderna avbildas av de numrerade cirklarna.

Fig 1. Typiskt trefas ERH-arrangemang

Sexfasuppvärmning består av sex elektroder i ett sexkantigt mönster med en neutral elektrod i mitten av matrisen. Sexfasmatriserna är skisserade i blått i figur 2 nedan. Återigen avbildas det förorenade området av den gröna formen medan elektroderna avbildas av de numrerade cirklarna. I ett sexfasigt värmemönster kan det finnas hot spots och cold spots beroende på faserna som ligger bredvid varandra. Av denna anledning fungerar sexfasvärme vanligtvis bäst på små cirkulära områden som är mindre än 65 fot i diameter.

Fig 2. Typiskt sexfas ERH-arrangemang

ERH är vanligtvis mest effektivt på flyktiga organiska föreningar (VOC). De klorerade föreningarna perkloreten , trikloreten och cis- eller trans-1,2-dikloreten är föroreningar som lätt kan avhjälpas med ERH. Tabellen visar föroreningar som kan avhjälpas med ERH tillsammans med deras respektive kokpunkter. Mindre flyktiga föroreningar som xylen eller diesel kan också åtgärdas med ERH men energibehovet ökar när flyktigheten minskar.

Kemisk	Molekylvikt (g)	Kokpunkt (° C)
Lista över föreningar som kan avhjälpas med ERH
1,1,1-trikloretan	133,4	74
1,1,2-trikloretan	133,4	114
1,1-dikloretan	99	57
1,1-dikloreten	97	32
1,2-dikloretan	99	84
1,2-dikloropropan	167,9	97
bensen	78.1	80
koltetraklorid	153,8	77
klorbensen	112.6	132
kloroform	119,4	62
cis- l, 2-dikloreten	97	60
dibrometan	187.9	132
etylbensen	106.2	136
1,1,2-triklor-1,2,2-trifluoroetan	187.4	48
bensin	100	100
metylenklorid / diklormetan	84.9	41
4-metyl-2-pentanon / metylisobutylketon	100,2	117
2-metoxi-2-metylpropan / metyl- tert- butyleter	88.1	55
perkloreten	165,8	121
trikloreten	131,5	87
tert- butylalkohol	74.1	83
toluen	92.1	111
trans -1,2-dikloreten	97	48
vinylklorid	62,5	-14
xylen	106.2	140

Elektrodavstånd och driftstid kan justeras för att balansera den totala saneringskostnaden med önskad rengöringstid. En typisk avhjälpning kan bestå av elektroder med en avstånd på 15 till 20 fot från varandra med driftstider vanligtvis mindre än ett år. Utformningen och kostnaden för ett ERH-saneringssystem beror på ett antal faktorer, främst volymen mark / grundvatten som ska behandlas, typen av kontaminering och behandlingsmålen. De fysiska och kemiska egenskaperna hos målföreningarna styrs av lagar som gör uppvärmda saneringar fördelaktiga framför de flesta konventionella metoder. Den elektriska energianvändningen som krävs för att värma underytan och förånga föroreningarna kan stå för 5 till 40% av den totala saneringskostnaden.

Det finns flera lagar som styr en ERH-sanering. Daltons lag reglerar kokpunkten för en relativt olöslig förorening. Raoults lag reglerar kokpunkten för ömsesidigt lösliga samföroreningar och Henrys lag reglerar förhållandet mellan förorening i ångfas och förorening i vätskefas.

Daltons lag

För ömsesidigt olösliga föreningar anger Daltons lag att partialtrycket i en icke vattenhaltig fasvätska (NAPL) är lika med dess ångtryck, och att NAPL i kontakt med vatten kokar när ångtrycket i vatten plus VOC är lika med omgivningstrycket. När en VOC-ångbubbla bildas är bubblans sammansättning proportionell mot kompositens respektive ångtryck.

Raoults lag

För ömsesidigt lösliga föreningar anger Raoults lag att en förenings partiella tryck är lika med dess ångtryck gånger dess molfraktion. Detta innebär att ömsesidigt lösliga föroreningar flyger långsammare än om det bara fanns en förening närvarande.

Henrys lag

Henrys lag beskriver tendensen hos en förening att förena luft i ångfasen eller lösa sig i vatten. Henrys lagskonstant, ibland kallad koefficient, är specifik för varje förening och beror på systemtemperaturen. Konstanten används för att förutsäga mängden föroreningar vad som kommer att finnas kvar i ångfasen (eller överföring till vätskefasen), när kondensorn kommer ut.

Senaste innovationer i ERH

Betydande ERH-teknologiska framsteg har skett under de senaste fem åren. Tre fokusområden har varit: sanering av berggrunden, 1,4-dioxan och andra framväxande föroreningar och kontrollerad lågtemperaturvärme för att förbättra andra avhjälpande eller naturliga processer.

Berggrundsbehandling

ERH har använts i över 15 år för behandling av okonsoliderad jord i både vados- och mättade zoner. Senaste framsteg och resultat visar att ERH kan vara en effektiv behandlingsmetod för berggrunden . På en ERH-plats ligger den primära elektriska strömbanan på det tunna vattenskiktet omedelbart intill jorden eller bergkornen. Liten ström transporteras av vattnet i porvolymen. Det är inte porvätskan som dominerar den elektriska konduktiviteten; det är kornvätningsvätskan som dominerar den elektriska ledningsförmågan. Sedimentärt berg kommer vanligtvis att ha det tunna vattenskiktet som krävs för strömflödet. Detta innebär att ERH effektivt kan användas för behandling av sedimentär berggrund, som vanligtvis har betydande primär porositet.

1,4-dioxan

1,4-dioxan är en nyligen identifierad förorening som oroar sig för. Regleringskriterierna för 1,4-dioxan förändras ständigt eftersom mer lärs om denna förorening. 1,4-dioxan har en hög löslighet i vatten och en låg Henry's Law-konstant som tillsammans ger komplexa utmaningar förknippade med sanering. Vid omgivningsförhållanden indikerar de fysiska egenskaperna för 1,4-dioxan att luftstrippning inte är en effektiv behandlingsmekanism. Senaste ERH-saneringsresultaten indikerar att ERH skapar förutsättningar för behandling. ERH-sanering innebär ångstrippning, som historiskt inte hade undersökts för 1,4-dioxan. På ERH-platser observerades ångstrippning för att effektivt överföra 1,4-dioxan till ångfasen för efterföljande behandling. 99,8% minskningar (eller större) av 1,4-dioxankoncentrationerna i grundvatten har dokumenterats om ERH-sanering nyligen. Övervakning av ovanstående behandlingsströmmar indikerar att 95% av 1,4-dioxan förblev i ångströmmen efter avlägsnande från underytan. Dessutom har granulärt aktivt kol visat sig vara en effektiv 1,4-dioxanångbehandlingsmetod.

Kontrollerad lågtemperaturvärme

Förångning är den primära borttagningsmekanismen på de flesta ERH-platser. Emellertid kan ERH också användas för att förbättra andra processer, vissa naturligt förekommande, för att minska kostnaden för behandling av en plym. ERH kan användas för att tillhandahålla kontrollerad lågtemperaturuppvärmning för projekt med saneringsprocesser som inte innefattar ångborttagning. "Uppvärmning vid låg temperatur" avser inriktning på en underjordstemperatur som är lägre än vattenets kokpunkt. Exempel på lågtemperatur ERH inkluderar värmeförstärkt bioremediering , uppvärmning av underytan till temperaturer över lösligheten hos upplösta gaser för att inducera VOC-avdrivning (särskilt koldioxidutrullning), värmeförbättrad kemisk oxidation in situ (speciellt för persulfataktivering) och värme- förbättrad reduktion (såsom med järnkatalyserade reaktioner). ERH-lågtemperaturuppvärmning kan också användas för att hydrolysera klorerade alkaner in situ vid subkokande temperaturer där saltsyra som frigörs under hydrolys reagerar ytterligare med karbonater under ytan och bikarbonater för att producera koldioxid för strippning av VOC under jord.

Användning av låg temperaturuppvärmning i kombination med bioremediering, kemisk oxidation eller avklorering kommer att resultera i ökade reaktionshastigheter. Detta kan avsevärt minska tiden som krävs för dessa saneringsprocesser jämfört med en sanering vid omgivningstemperatur. Dessutom kräver ett lågtemperaturalternativ inte användning av ovanstående behandlingssystem för återvunna ångor, eftersom koktemperaturer inte uppnås. Detta innebär mindre övergripande infrastruktur och lägre totalkostnad.

När värme kombineras med extraktion i flera faser, kommer de förhöjda temperaturerna att minska viskositeten och ytspänningen hos de utvunna vätskorna vilket gör avlägsnandet snabbare och lättare. Detta är det ursprungliga syftet med utvecklingen av ERH - att förbättra oljeåtervinningen (se § Historik ovan).

Svagheter

Svagheter i ERH inkluderar värmeförluster på små anläggningar. Behandlingsvolymer som har en stor yta men är tunna med avseende på djupet kommer att ha betydande värmeförluster vilket gör ERH mindre effektivt. Det minsta behandlingsintervallet för effektiv ERH-sanering är cirka 10 vertikala fot.
Samföroreningar som olja eller fett gör sanering svårare. Olja och fett orsakar en Raoult's Law-effekt som kräver mer energi för att avlägsna föroreningarna.
Torv eller högt organiskt kol i underytan adsorberar företrädesvis VOC på grund av van der Waals- krafter. Denna föredragna adsorption kommer att öka mängden energi som krävs för att ta bort VOC från underytan.
Bränslesäten behandlas mindre vanligt av ERH eftersom andra billigare saneringstekniker finns tillgängliga och eftersom bränsleställen vanligtvis är tunna (vilket resulterar i betydande värmeförluster).
Platser inom deponier är också utmanande eftersom metallavfall kan snedvrida de elektriska strömvägarna. ERH är mer enhetlig i naturlig jord eller sten.

Styrkor

ERH kan anpassas till alla jordtyper och sedimentär berggrund. ERH är också effektivt i både vadose och mättade zoner. Vissa litologier kan begränsa traditionella saneringsmetoder genom att förhindra en tillförlitlig väg för borttagning / förstörelse för förorening av oro. Eftersom elektricitet kan och reser genom vilken litologi som helst som innehåller vatten, kan ERH vara effektivt i alla jordtyper. Genom att bilda flytande ångbubblor under uppvärmningsprocessen skapar ERH en bärargas som transporterar föroreningar av oro upp och ut ur vilken jordtyp som helst. ERH kan inte torka underytan. För att underytan ska kunna leda elektricitet måste det finnas vatten i underytan. Ledningsförmågan upphör innan ytan torkas.
ERH används vanligtvis under aktiva byggnader eller tillverkningsanläggningar. Elektroder kan installeras över kvalitet inom ett inhägnad område eller under grad för att möjliggöra obegränsad ytaåtkomst till behandlingsområdet.
Även om det huvudsakligen används för föroreningskällor, kan ERH användas för att uppnå låga korrigerande mål, såsom maximala föroreningsnivåer, MCL , för dricksvatten.
Efter ERH-behandling svalnar förhöjda underjordstemperaturer långsamt under en period av månader eller år och återgår till omgivningen. Denna period med förhöjda temperaturer är en viktig del av saneringsprocessen. De förhöjda temperaturerna kommer att förbättra bioremediering , hydrolys och järnreduktiv dehalogenering.

Languages

In other projects