Схемы электрокинетических экранов

Размещено на http://www.allbest.ru/

В настоящее время электрокинетические процессы в грунтах, происходящие при воздействии на них поля постоянного или переменного электрического тока, широко используются в технической мелиорации грунтов для решения различных практических задач в строительстве, добыче и переработке полезных ископаемых, сельском хозяйстве. Среди них: 1) электрохимическое закрепление грунтов оснований сооружений (электросиликатизация и электрообработка); 2) электрокинетическая инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных экзогенных геологических процессов (оползней, оплывин, плывунов и т.п.); 3) электроосмотическое водопонижение и электроуплотнение грунтов; 4) электроосаждение осадков в хвостохранилищах и т.п. [1-5].

Наряду с этим с середины 1990-х гг. электрокинетические технологии приобрели новое важное практическое применение. Они стали применяться для решения различных эколого-геологических задач, в частности - для электрокинетической очистки грунтов от токсичных загрязнений [6-12, 14-20]. При этом, наряду с методами непосредственного электрокинетического извлечения из грунтов токсикантов [6-11], стали разрабатываться электрокинетические методы локализации загрязнений или, так называемые, барьерные технологии [6,12,17-20]. Электрокинетические барьерные технологии - технологические схемы защиты грунтовых массивов и подземных объектов (сооружений, водозаборов и т.п.) от загрязнений или их локализации, основанные на использовании электрокинетических процессов. Они представляют собой разновидность техногенных геохимических (физико-химических) барьеров [13]. Наиболее часто такие технологии применяются для защиты от загрязнений подземных вод.

Схемы электрокинетических экранов. Практика показала, что на пути миграции токсиканта в целом ряде случаев гораздо эффективнее вместо абсолютно непроницаемых экранов применять полупроницаемые активные экраны [13]. Такие полупроницаемые экраны пропускают сквозь себя воду, но задерживают и накапливают в себе токсиканты. Активность такого экрана может быть обеспечена разными способами: химическим (за счет хемосорбции токсиканта или его химического разложения), физическим и физико-химическим (за счет адсорбции, кольматации или действия физических полей, включая электрическое поле). В основе создания электрокинетических барьерных технологий лежат полупроницаемые защитные электрокинетические экраны, создаваемые с помощью ряда анодных и ряда катодных электродов. Комбинация этих двух рядов составляет защитный электрокинетический экран.

В частности, для предотвращения распространения радионуклидов от очагов загрязнения в окружающую геологическую среду (подземные воды, почвы и другие грунты) создают электрокинетические барьеры. Они выполняют роль защитных экранов на пути возможной миграции радиоактивных отходов (РАО).

Схема таких электрокинетических защитных экранов показана на рис. 1 и 2. На рис. 1 представлен разрез защитного электрокинетического экрана, который создается вокруг очага радионуклидов в том случае, если очаг расположен на небольшой глубине и снизу подстилается водоупором. Создаваемое вокруг очага с помощью рядов анодных и катодных скважин электрическое поле направлено в противоположную сторону возможной миграции радионуклидов и заставляет их передвигаться к центру очага (направление показано стрелками), а не в стороны от него, тем самым создавая локализованный очаг загрязнения. При необходимости катодные скважины могут быть оборудованы фильтрами; с помощью насосов из этих скважин-электродов может периодически откачиваться фильтрат, обогащенный РАО.

электрокинетический экран грунт мелиорация

Рис. 1. Схема создания защитного экрана вокруг очага радиоактивного загрязнения: 1 - аноды; 2 - катоды; 3 - источник постоянного напряжения; 4 - очаг радиоактивного загрязнения; 5 - водоупор; УГВ - уровень грунтовых вод; ИСН - источник стабилизированного напряжения

Другая схема электрокинетического защитного экрана показана на рис. 2. Она применяется в том случае, если очаг радионуклидов находится на поверхности в виде ограниченного по объему бассейна-накопителя жидких РАО. Если в основании такого бассейна нет защитного экрана, то радионуклиды будут мигрировать с потоком фильтрующейся воды вниз и в стороны от бассейна. Для предотвращения этого по периметру бассейна-накопителя создается наклонный защитный электрокинетический барьер из рядов анодных и катодных скважин. Создаваемое с их помощью электрическое поле локализует радионуклиды в пределах бассейна-накопителя и препятствует загрязнению окружающих грунтов и подземных вод.

В этом случае, также как и в предыдущем, катодные скважины могут быть оборудованы фильтрами; из них с помощью насосов периодически могут откачиваться жидкие радионуклиды. При большой концентрации радиоактивных компонентов в очаге для ее снижения эта защитная схема может быть обустроена в режиме электрохимического выщелачивания, при которой в анодные скважины подается выщелачивающий реагент (анолит), а из катодных скважин откачивается католит, обогащенный РАО.

Рис. 2. Схема защитного экрана вблизи бассейна-накопителя жидких РАО: 1 - катоды; 2 - аноды; 3 - источник постоянного напряжения; 4 - очаг радиоактивного загрязнения; 5 - бассейн с жидкими РАО; УГВ - уровень грунтовых вод; ИСН - источник стабилизированного напряжения

Указанные технологические схемы экранов могут применяться в местах аварий и других очагах радиоактивного загрязнения, т.к. их установка может быть произведена достаточно оперативно.

Наряду с этим в последнее время предложены комбинированные электрокинетические защитные барьеры, состоящие из рядов анодных и катодных скважин, дополненные фильтрующими активными сорбционными экранами. Такой фильтрующий барьер располагают на пути фильтрационного потока с загрязнениями, направление которого регулируется с помощью электрокинетического экрана. Схема такого комбинированного барьера показана на рис. 3.

Рис. 3. Схематический план создания комбинированного защитного электрокинетического барьера на пути миграции загрязненных вод: 1 - направление потока загрязненных вод; 2 - ряд катодов; 3 - ряд анодов; 4 - активный фильтрационно-сорбционный экран; 5 - очищенный поток подземных вод

Здесь на пути загрязненного потока подземных вод (1) под углом устанавливаются ряды анодов (3) и катодов (2), которые улавливают и направляют поток в направлении активного фильтрационно-сорбционного экрана (см. рис. 14.6.1). Далее происходит физико-химическое взаимодействие токсиканта с активными компонентами этого экрана, поток очищается и далее фильтруется чистая вода (5).

В качестве основного грунтового материала для создания таких активных полупроницаемых экранов применяют не глины (у которых хотя и высока сорбционная способность, но низок коэффициент фильтрации), а песчаные грунты, модифицированные различными способами для повышения их сорбционной способности при сохранении высокого коэффициента фильтрации. Таким способами являются: модификация песков инъекционными растворами на основе щавелево-силикатной рецептуры, синтетических смол (фенол-формальдегидной и др.); модификация песков активными химическими и физико-химическими добавками (известь и др.).

Другой вариант комбинированного защитного барьера показан на рис. 4.

В этом варианте катоды (3) располагаются непосредственно внутри активного полупроницаемого экрана (4) (см. рис. 14.6.2). Под действием электроосмоса через этот экран активнее происходит фильтрация загрязненных вод (1), токсичные вещества задерживаются в экране (4) и далее фильтруется уже очищенный поток воды (5).

Рис. 4. Схема комбинированного защитного электрокинетического барьера: 1 - поток загрязненных подземных вод; 2 - анод; 3 - катод; 4 - активный полупроницаемый экран; 5 - очищенный поток подземных вод; УГВ - уровень грунтовых вод

Кроме того, такой вариант комбинированного защитного экрана может дополняться и иными технологиями. В частности, совмещение в нем катодов и анодов с фильтрами позволяет периодически извлекать путем откачки из самого активного экрана накопленные токсиканты и тем самым повышать его работоспособность. Этот вариант может обеспечить длительную работоспособность комбинированного защитного экрана.

Электрокинетическое восстановление защитных экранов. Не менее важной проблемой является восстановление защитных свойств искусственных сорбционных экранов, которые создаются на пути миграции радионуклидов от бассейнов-накопителей. Обычно в качестве таких экранов используются глинистые грунты с высокой сорбционной способностью, содержащие такие минералы как смектиты и иллиты. Кроме того, применяют искусственные защитные экраны и из других дисперсных грунтов (от песков до суглинков), сорбционная способность которых предварительно повышается путем их обработки специальными закрепляющими веществами, например щавелево-алюмосиликатным гелем. Эти вещества снижают фильтрационную способность экрана и повышают его сорбционные характеристики.

Однако с течением времени защитные свойства таких экранов снижаются, а сами экраны накапливают в своем объеме значительное количество радионуклидов. Для того, чтобы восстановить защитные свойства такого экрана весьма эффективным является применение электрокинетического способа. С его помощью можно не только повысить сорбционные и защитные свойства этого экрана, но и очистить его от накопленных радионуклидов без выемки самого загрязненного грунта.

Схема оборудования такого защитного экрана показана на рис. 5.

Во время создания защитного экрана, одновременно с закладкой глинистого или иного сорбирующего грунта в нижней части грунтового экрана (см. рис. 5) горизонтально укладываются ряды анодных труб с фильтрами, а в верхней части экрана - ряды катодных труб-электродов, также оборудованных фильтрами. По периметру экрана также устанавливается электрокинетический защитный барьер, состоящий из ряда анодных, и ряда катодных труб-электродов. Система анодных и катодных электродов подключается к источнику постоянного электрического тока, а катодные скважины с фильтрами, кроме того, подключаются с помощью гибких шлангов к вакуумному насосу. С его помощью из этих скважин периодически ведется откачка фильтрата, обогащенного РАО.

Рис. 5. Схема создания электрокинетического защитного экрана в бассейне-накопителе РАО: 1 - катоды; 2 - аноды; 3 - источник постоянного тока; 4 - насос; 5 - бассейн с жидкими РАО; 6 - защитный экран; 7 - катодные трубы с фильтрами; 8 - анодные трубы с фильтрами; ИСН - источник стабилизированного напряжения

Такая схема может работать как в режиме элекрокинетической защиты, так и в режиме защиты, усиленной дополнительно электрохимическим выщелачиванием, при котором в анодные скважины периодически подается выщелачивающий анолит, а из катодных откачивается католит с РАО. Именно такая схема применяется и при восстановлении защитных свойств сорбционного экрана.

Таким образом, к настоящему времени предложено много вариантов технологических схем электрокинетических защитных экранов, применение которых позволяет эффективно решать многие экологические проблемы, связанные с очисткой территорий от токсикантов и защитой подземных вод от загрязнений. Наряду с этим, электрокинетические технологии позволяют осуществлять очистку и восстановление сорбционных экранов, что продлевает срок их эксплуатации.

Литература

1. Вадюнина А.Ф. Электромелиорация почв засоленного ряда. - М., Изд-во МГУ, 1979, 225 с.

2. Воронкевич С.Д. Основы технической мелиорации грунтов / Учебник. - М., Научный мир, 2005, - 504 с.

3. Горбунов Б.П. Развитие и перспективы электрохимического закрепления грунтов. / Мат-лы к VI Всес. совещ. по закреплению и уплотнению грунтов. - М., Изд-во МГУ, 1968, с. 222-225

4. Жинкин Г.Н., Калганов В.Ф. Электрохимическая обработка глинистых грунтов в основаниях сооружений. - М., Стройиздат, 1980, 164 с.

5. Злочевская Р.И., Королёв В.А. Электроповерхностные явления в глинистых породах. - М., изд-во МГУ, 1988, 177 с.

6. Королёв В.А. Очистка грунтов от загрязнений.- М.: МАИК "Наука / Интерпериодика", 2001. - 365 с.

7. Королёв В.А. Электрохимическая очистка загрязненных грунтов. - Геоэкология, 2003, № 3, с. 226-236.

8. Королёв В.А., Некрасова М.А. Экспериментальные исследования электрохимической миграции ионов металлов в дисперсных породах. - Геохимия. 1998. № 12. С. 1277-1283.

9. Королёв В.А., Романюха О.В. Электрокинетическая очистка почв от углеводородов как фактор улучшения качества ресурса геологического пространства урбанизированных территорий. / Сергеевские чтения. Вып. 8 // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. - М.: ГЕОС, 2006. С. 128-131.

10. Королёв В.А., Самулина Н.В. Электрохимическая очистка глинистых грунтов от фенола. / Сергеевские чтения. Вып. 6 // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. - М.: ГЕОС, 2004. С. 264-267.

11. Королёв В.А., Ситар К.А. Методы очистки глинистых грунтов от нефтяных загрязнений // Тр. Межд. научн. конф. Сергеевские чтения, вып.6. - М., ГЕОС, 2004, с.267-270.

12. Королев В.А., Филимонов С.Д. Электрокинетическая очистка грунтов от загрязнений на застраиваемых территориях: опыт Нидерландов. - Инженерная геология, 2008, № 2, с. 28-33.

13. Максимович Н.Г., Хайрулина Е.А. Геохимические барьеры и охрана окружающей среды. - Пермь, Пермс. гос. ун-т, 2011, 248 с.

14. Ситар КА, Королёв В.А Применение электрохимического метода для очистки глинистых грунтов от нефтяных загрязнений. / Сергеевские чтения. Выпуск 5. Молодежная сессия. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (24 - 25 марта 2003) - М.: ГЕОС, 2003. С. 293-297

15. Acar Y.B., Alshawabkeh A.N. Electrokinetic remediation. Multicomponent species transport in soils under an electric field. // Electrochemical society proceed. 1995. vol. 95-12. P. 219-226.

16. Dzenitis J.M. Soil chemistry effects and flow prediction in electroremediation of soil. - Environmental Science and Technology, 1997. 31(4), pp. 1191-1197.

17. Korolev V.A. Electrokinetic removal of radionuclides. / Electrochemical Remediation Technologies for Polluted Soils, Sediments and Groundwater. /// Edited by K.R.Reddy & C.Cameselle. - Published by A John Wiley & Sons. Inc., Hoboken, New Jersey, USA. 2009, p. 127-140

18. Korolev V.A. et al. Electrokinetic remediation of oil-contaminated soils. - Journal of Environmental Science and Health, Part A. Toxic/Hazardous Substances & Environmental Engineering, 2008, 43(8), pp. 876-880

19. Lageman R.,Pool W. Electrokinetic biofences. / Electrochemical Remediation Technologies for Polluted Soils, Sediments and Groundwater. /// Edited by K.R.Reddy & C.Cameselle. - Published by A John Wiley & Sons. Inc., Hoboken, New Jersey, USA. 2009b, p. 357-366

20. Reddy K.R., Cameselle C. Overview of electrochemical remediation technologies. / Electrochemical Remediation Technologies for Polluted Soils, Sediments and Groundwater. // Edited by K.R.Reddy & C.Cameselle. - Published by A John Wiley & Sons. Inc., Hoboken, New Jersey, USA. 2009, p. 3-28

Размещено на Allbest.ru