Riscaldamento a resistenza elettrica - Electrical resistance heating

Il riscaldamento a resistenza elettrica (ERH) è un metodo intensivo di bonifica ambientale in situ che utilizza il flusso di elettricità a corrente alternata per riscaldare il suolo e le acque sotterranee ed evaporare i contaminanti. La corrente elettrica viene fatta passare attraverso un volume di terreno mirato tra gli elementi dell'elettrodo sotto la superficie. La resistenza al flusso elettrico che esiste nel terreno provoca la formazione di calore; con conseguente aumento della temperatura fino al raggiungimento del punto di ebollizione dell'acqua in profondità. Dopo aver raggiunto questa temperatura, un ulteriore apporto di energia provoca un cambiamento di fase, formando vapore e rimuovendo i contaminanti volatili. L'ERH è in genere più conveniente se utilizzato per il trattamento delle aree di origine dei contaminanti.

l'attrito dell'elettricità può far riscaldare il metallo su cui si trova il filo fino a un certo calore

Tecnologia

Il riscaldamento a resistenza elettrica è utilizzato dall'industria del ripristino ambientale per la bonifica di terreni e acque sotterranee contaminati. L'ERH consiste nella costruzione di elettrodi nel terreno, nell'applicazione di elettricità in corrente alternata (AC) agli elettrodi e nel riscaldamento del sottosuolo a temperature che favoriscono l'evaporazione dei contaminanti. I contaminanti volatilizzati vengono catturati da un sistema di recupero dei vapori sotterranei e convogliati in superficie insieme all'aria e al vapore recuperati. Simile all'estrazione del vapore dal suolo , l'aria, il vapore e i contaminanti volatilizzati vengono quindi trattati in superficie per separare acqua, aria e contaminanti. Il trattamento dei vari flussi dipende dalle normative locali e dalla quantità di contaminante.

Alcuni contaminanti organici a bassa volatilità hanno una breve emivita di idrolisi . Per contaminanti come questi, cioè 1,1,2,2-Tetracloroetano e 1,1,1-tricloroetano , l'idrolisi può essere la principale forma di bonifica. Quando il sottosuolo viene riscaldato, l' emivita di idrolisi del contaminante diminuirà come descritto dall'equazione di Arrhenius . Ciò si traduce in una rapida degradazione del contaminante. Il sottoprodotto dell'idrolisi può essere riparato dall'ERH convenzionale, tuttavia la maggior parte della massa del contaminante primario non verrà recuperata ma piuttosto si degraderà a sottoprodotto.

Esistono principalmente due disposizioni di carico elettrico per ERH: trifase e sei fasi. Il riscaldamento trifase è costituito da elettrodi disposti a ripetizione triangolare o a triangolo. Gli elettrodi adiacenti sono di una fase elettrica diversa , quindi l'elettricità conduce tra loro come mostrato nella Figura 1. L'area contaminata è rappresentata dalla forma verde mentre gli elettrodi sono rappresentati dai cerchi numerati.

Fig 1. Tipica disposizione ERH trifase

Il riscaldamento a sei fasi è costituito da sei elettrodi disposti in uno schema esagonale con un elettrodo neutro al centro dell'array. Gli array a sei fasi sono delineati in blu nella Figura 2 di seguito. Ancora una volta l'area contaminata è rappresentata dalla forma verde mentre gli elettrodi sono rappresentati dai cerchi numerati. In uno schema di riscaldamento a sei fasi possono esserci punti caldi e punti freddi a seconda delle fasi che si trovano l'una accanto all'altra. Per questo motivo, il riscaldamento a sei fasi in genere funziona meglio su piccole aree circolari di diametro inferiore a 65 piedi.

Fig 2. Tipica disposizione ERH a sei fasi

L'ERH è in genere più efficace sui composti organici volatili (VOC). I composti clorurati percloroetilene , tricloroetilene e cis- o trans- 1,2-dicloroetilene sono contaminanti facilmente bonificabili con ERH. La tabella mostra i contaminanti che possono essere bonificati con ERH insieme ai rispettivi punti di ebollizione. Anche i contaminanti meno volatili come lo xilene o il diesel possono essere bonificati con l'ERH, ma il fabbisogno energetico aumenta al diminuire della volatilità.

Chimico	Peso molecolare (g)	Punto di ebollizione (°C)
Elenco dei composti che possono essere bonificati con ERH
1,1,1-tricloroetano	133.4	74
1,1,2-tricloroetano	133.4	114
1,1-dicloroetano	99	57
1,1-dicloroetene	97	32
1,2-dicloroetano	99	84
1,2-dicloropropano	167.9	97
benzene	78.1	80
tetracloruro di carbonio	153.8	77
clorobenzene	112,6	132
cloroformio	119.4	62
cis -1,2-dicloroetilene	97	60
dibromoetano	187.9	132
etilbenzene	106.2	136
1,1,2-tricloro-1,2,2-trifluoroetano	187.4	48
benzina	100	100
cloruro di metilene/diclorometano	84.9	41
4-metil-2-pentanone/metilisobutilchetone	100,2	117
2-metossi-2-metilpropano/metil terz- butil etere	88.1	55
percloroetilene	165.8	121
tricloroetilene	131.5	87
tert -alcol butilico	74.1	83
toluene	92,1	111
trans -1,2-dicloroetene	97	48
cloruro di vinile	62,5	-14
xilene	106.2	140

La distanza tra gli elettrodi e il tempo di funzionamento possono essere regolati per bilanciare il costo complessivo della riparazione con il tempo di pulizia desiderato. Una riparazione tipica può consistere in elettrodi distanziati di 15-20 piedi l'uno dall'altro con tempi operativi generalmente inferiori a un anno. La progettazione e il costo di un sistema di bonifica dell'ERH dipendono da una serie di fattori, principalmente il volume di suolo/acque sotterranee da trattare, il tipo di contaminazione e gli obiettivi del trattamento. Le proprietà fisiche e chimiche dei composti target sono regolate da leggi che rendono le bonifiche riscaldate vantaggiose rispetto alla maggior parte dei metodi convenzionali. L'utilizzo di energia elettrica necessaria per riscaldare il sottosuolo e volatilizzare i contaminanti può rappresentare dal 5 al 40% del costo complessivo della bonifica.

Ci sono diverse leggi che regolano una bonifica ERH. La legge di Dalton regola il punto di ebollizione di un contaminante relativamente insolubile. La legge di Raoult regola il punto di ebollizione dei co-contaminanti reciprocamente solubili e la legge di Henry regola il rapporto tra il contaminante nella fase vapore e il contaminante nella fase liquida.

legge di Dalton

Per i composti mutuamente insolubili, la legge di Dalton afferma che la pressione parziale di un liquido in fase non acquosa (NAPL) è uguale alla sua tensione di vapore e che la NAPL a contatto con l'acqua bollirà quando la tensione di vapore dell'acqua più la tensione di vapore del VOC è uguale alla pressione ambiente. Quando si forma una bolla di vapore VOC, la composizione della bolla è proporzionale alle rispettive pressioni di vapore del composito.

La legge di Raoult

Per i composti mutuamente solubili, la legge di Raoult afferma che la pressione parziale di un composto è uguale alla sua tensione di vapore per la sua frazione molare. Ciò significa che i contaminanti reciprocamente solubili si volatilizzeranno più lentamente che se fosse presente un solo composto.

la legge di Henry

La legge di Henry descrive la tendenza di un composto a unirsi all'aria nella fase vapore oa dissolversi in acqua. La costante della legge di Henry, a volte chiamata coefficiente, è specifica per ciascun composto e dipende dalla temperatura del sistema. La costante viene utilizzata per prevedere la quantità di contaminante che rimarrà nella fase vapore (o trasferimento alla fase liquida), all'uscita dal condensatore.

Innovazioni recenti in ERH

Negli ultimi cinque anni si sono verificati significativi progressi tecnologici di ERH. Tre aree di interesse sono state: bonifica del substrato roccioso, 1,4-diossano e altri contaminanti emergenti e calore controllato a bassa temperatura per migliorare altri processi correttivi o naturali.

Trattamento della roccia madre

L'ERH è utilizzato da oltre 15 anni per il trattamento di suoli non consolidati sia nella zona vadosa che in quella satura. I recenti progressi e risultati mostrano che l'ERH può essere un metodo di trattamento efficace per il substrato roccioso . In un sito ERH, il percorso primario della corrente elettrica si trova sul sottile strato d'acqua immediatamente adiacente al suolo o ai granelli di roccia. Poca corrente viene trasportata dall'acqua nel volume dei pori. Non è il fluido dei pori che domina la conduttività elettrica; è il fluido bagnante del grano che domina la conduttività elettrica. La roccia sedimentaria possiede tipicamente il sottile strato d'acqua necessario per il flusso di corrente. Ciò significa che l'ERH può essere efficacemente utilizzato per il trattamento del substrato roccioso sedimentario, che in genere ha una porosità primaria significativa.

1,4-diossano

L'1,4-diossano è un contaminante preoccupante recentemente identificato. I criteri normativi per l'1,4-diossano cambiano costantemente man mano che si apprende di più su questo contaminante. L'1,4-diossano ha un'elevata solubilità in acqua e una bassa costante della legge di Henry che si combinano per presentare complesse sfide associate alla bonifica. In condizioni ambientali, le proprietà fisiche dell'1,4-diossano indicano che lo strippaggio dell'aria non è un meccanismo di trattamento efficiente. I recenti risultati della bonifica dell'ERH indicano che l'ERH crea condizioni favorevoli per il trattamento. La bonifica dell'ERH comporta lo strippaggio a vapore, che storicamente non era stato studiato per l'1,4-diossano. Nei siti ERH, è stato osservato che lo strippaggio con vapore trasferisce efficacemente 1,4-diossano alla fase vapore per il successivo trattamento. Riduzioni del 99,8% (o superiori) nelle concentrazioni di 1,4-diossano nelle acque sotterranee sono state documentate su recenti bonifiche di ERH. Il monitoraggio dei flussi di trattamento di cui sopra indica che il 95% di 1,4-diossano è rimasto nel flusso di vapore dopo la rimozione dal sottosuolo. Inoltre, il carbone attivo granulare ha dimostrato di essere un efficace metodo di trattamento del vapore 1,4-diossano.

Riscaldamento controllato a bassa temperatura

La volatilizzazione è il meccanismo di rimozione principale nella maggior parte dei siti ERH. Tuttavia, l'ERH può essere utilizzato anche per migliorare altri processi, alcuni naturali, per ridurre il costo del trattamento di un pennacchio. L'ERH può essere utilizzato per fornire un riscaldamento controllato a bassa temperatura per progetti con processi di bonifica che non comportano lo strippaggio a vapore. "Riscaldamento a bassa temperatura" si riferisce al targeting di una temperatura del sottosuolo inferiore al punto di ebollizione dell'acqua. Esempi di ERH a bassa temperatura includono il biorisanamento potenziato dal calore , il riscaldamento del sottosuolo a temperature superiori alla solubilità dei gas disciolti per indurre lo strippaggio dei VOC (in particolare l'ebollizione dell'anidride carbonica), l'ossidazione chimica in situ potenziata dal calore (specialmente per l'attivazione del persolfato) e il calore- riduzione potenziata (come con le reazioni catalizzate dal ferro). Il riscaldamento a bassa temperatura ERH può essere utilizzato anche per idrolizzare gli alcani clorurati in situ a temperature sub-bollenti, dove l'acido cloridrico rilasciato durante l'idrolisi reagisce ulteriormente con i carbonati e i bicarbonati del sottosuolo per produrre anidride carbonica per lo stripping del sottosuolo dei COV.

L'uso del riscaldamento a bassa temperatura abbinato a biorisanamento, ossidazione chimica o declorazione comporterà un aumento delle velocità di reazione. Ciò può ridurre significativamente il tempo necessario per questi processi di bonifica rispetto a una bonifica a temperatura ambiente. Inoltre, un'opzione a bassa temperatura non richiede l'uso del sistema di trattamento di qualità sopra per i vapori recuperati, poiché non verranno raggiunte le temperature di ebollizione. Ciò significa meno infrastrutture di qualità superiore e costi complessivi inferiori.

Quando il calore è combinato con l'estrazione multifase, le temperature elevate ridurranno la viscosità e la tensione superficiale dei fluidi recuperati, rendendo la rimozione più rapida e semplice. Questo è lo scopo originale per lo sviluppo di ERH - per migliorare il recupero del petrolio (vedi § Storia sopra).

Debolezze

I punti deboli di ERH includono perdite di calore su piccoli siti. I volumi di trattamento che hanno un'ampia superficie ma sono sottili rispetto alla profondità avranno perdite di calore significative che rendono l'ERH meno efficiente. L'intervallo minimo di trattamento per un'efficace bonifica dell'ERH è di circa 10 piedi verticali.
I co-contaminanti come olio o grasso rendono più difficile la bonifica. Olio e grasso causano un effetto della Legge di Raoult che richiede più energia per rimuovere i contaminanti.
La torba o l'alto contenuto di carbonio organico nel sottosuolo assorbono preferenzialmente i COV a causa delle forze di van der Waals . Questo adsorbimento preferenziale aumenterà la quantità di energia necessaria per rimuovere i COV dal sottosuolo.
I siti di combustibile sono trattati meno comunemente da ERH perché sono disponibili altre tecnologie di bonifica meno costose e perché i siti di combustibile sono generalmente sottili (con conseguenti perdite di calore significative).
Anche i siti all'interno delle discariche sono difficili perché i detriti metallici possono distorcere i percorsi della corrente elettrica. ERH è più uniforme in terreno naturale o roccia.

punti di forza

ERH è adattabile a tutti i tipi di suolo e al substrato roccioso sedimentario. L'ERH è efficace anche nelle zone vadose e sature. Alcune litologie possono limitare i metodi tradizionali di bonifica impedendo un percorso affidabile di rimozione/distruzione per la contaminazione della preoccupazione. Poiché l'elettricità può e viaggia attraverso qualsiasi litologia che contiene acqua, l'ERH può essere efficace in qualsiasi tipo di terreno. Formando bolle di vapore galleggianti durante il processo di riscaldamento, l'ERH crea un gas di trasporto che trasporta la contaminazione preoccupante verso l'alto e fuori da qualsiasi tipo di terreno. ERH non è in grado di essiccare il sottosuolo. Affinché il sottosuolo conduca elettricità, deve essere presente acqua nel sottosuolo. La conduttività cesserà prima che il sottosuolo sia essiccato.
ERH è comunemente applicato in edifici attivi o impianti di produzione. Gli elettrodi possono essere installati sopra il livello all'interno di un'area recintata o sotto il livello per consentire l'accesso illimitato alla superficie dell'area di trattamento.
Sebbene utilizzato principalmente per le aree di origine dei contaminanti, l'ERH può essere utilizzato per raggiungere obiettivi correttivi bassi come i livelli massimi di contaminanti, MCL , per l'acqua potabile.
Dopo il trattamento ERH, le temperature sotterranee elevate si raffredderanno lentamente in un periodo di mesi o anni e torneranno all'ambiente. Questo periodo con temperature elevate è una parte importante del processo di bonifica. Le temperature elevate miglioreranno il biorisanamento , l' idrolisi e la dealogenazione riduttiva del ferro.

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