Poluarea solului

Remedierea electrocinetică

Remedierea prin separare electrocinetică este un procedeu de îndepărtate

a metalelor şi a contaminanţilor organici din solurile cu permeabilitate scăzută

care se bazează pe procese electrochimice şi electrocinetice pentru mobilizarea

contaminanţilor şi îndepărtarea ulterioară a metalelor şi a compuşilor organici

polari.

Tratamentul electrocinetic al solului se bazează pe câteva mecanisme de

transport care includ advecţia, care este generată de deplasarea

electroosmotică şi gradienţii hidraulici aplicaţi la exterior, difuzia frontului

acid spre catod şi migrarea cationiîor şi anionilor spre electrozi. Principalele şi

cele mai importante reacţii cu transfer de electronii care au loc în timpul

procesului electrocinetic sunt reacţiile de electroliză a apei:

H20 —> 2H+ + ½ O2(g) + 2e-

2H2O + 2e- —> 2HO- + H2 (g)

Frontul acid se deplasează spre catod prin migrare electrică, difuzie şi

advecţie. Ionii de hidrogen formaţi determină scăderea /»H-ului în jurul

anodului. In acelaşi timp, creşterea concentraţiei ionilor de hidroxil conduce la

creşterea pR-ului în apropierea catodului.

Pentru dizolvarea hidroxizilor metalici şi a carbonaţilor formaţi sau a

diverşilor compuşi adsorbiţi pe particulele de sol, ca şi pentru protonarea

grupărilor funcţionale organice, este necesară crearea în sol a unui mediu acid.

Totuşi, această acidifiere are mari dezavantaje care se reflectă în eficienţa

redusă a procesului. Adăugarea de acid conduce la o puternică acidifiere a

solului pentru care nu pot fi estimate consecinţele şi nici timpul după care

solul îşi va recăpăta starea de echilibru.

Principalul scop al remedierii electrocinetice este de a produce migrarea

contaminanţilor sub suprafaţa solului în prezenţa unui câmp electric prin

electroosmoză, electromigrare şi electroforeză (Fig. 55). Electroosmoza este

1

definită ca fiind trecerea unui lichid polar printr-o membrană sau printr-o

structură poroasă sub acţiunea unei diferenţe de potenţial electric aplicat între

cele două feţe ale membranei. In sol aceasta constă în deplasarea umidităţii

solului sau a apei subterane de la un anod la un catod, ambii fiind introduşi în

sol. Deplasarea ionilor spre electrodul de sens opus este denumită

electromigrare. Fenomenul de electroforeză constă în transportul coloizilor şi

a particulelor încărcate electric sub influenţa câmpului electric. Aceste

fenomene au loc atunci când solul este supus unui curent de mică tensiune.

Procesul poate fi intensificat prin utilizarea unor agenţi tensioactivi sau

reactivi care să crească viteza de eliminare a contaminanţilor la electrozi. Ca

urmare a migrării la electrozi, contaminanţii se pot electrodepune,

precipita/coprecipita, acumula lângă electrod sau reţine prin schimb ionic. Pot

fi utilizaţi şi electrozi cu proprietăţi adsorbante faţă de contaminanţi. Unele

specii ionice îşi pot schimba numărul de oxidare la electrozi.

Electromigrarea are loc în cazul ionilor anorganici solubili (cationi

metalici, anioni clorură, azotat şi fosfat) prezenţi în soluri umede. Tehnologiile

de remediere electrocinetice care au la bază acest fenomen se pot aplica şi în

solurile argiloase, cu permeabilitate redusă spre deosebire de celelalte

tehnologii care depind puternic de permeabilitatea solului.

Figura 55. Principalele mecanisme de deplasare în solul contaminat

supus diferenţei de potenţial electric.

2

Estimarea timpului necesar decontaminării trebuie făcută pentru a putea

evalua consumul de energie şi pentru a evita apariţia fenomenului de

electroosmoză inversă şi deplasarea speciilor de la catod la anod. Viteza de

decontaminare depinde de:

concentraţia contaminantului, de forma în care se află acesta şi de

interacţiile cu particulele de sol. Contaminantul se poate afla adsorbit,

complexat, dizolvat, precipitat etc.;

viteza de deplasare prin pori când contaminantul se află în soluţie şi nu

participă la reacţii. Această viteză depinde de diversele forţele motrice

(gradientul de potenţial electric, diferenţa de potenţial hidraulic, gradientul de

concentraţie) şi mai puţin de caracteristicile solului cu excepţia cazului în care

are loc fenomenal de electroosmoză.

Eficienţa procesului depinde şi de condiţiile specifice terenului: tipul de

sol, pH, conţinutul în compuşi organici etc.

Procedeul in situ presupune amplasarea unor electrozi în zona

contaminată pentru a forma un ansamblu similar unei celule electrolitice.

Amplasarea se poate face direct în solul umed sau într-o soluţie de electrolit

aflată în sol într-un spaţiu delimitat prin intermediul unor materiale permeabile

(Baraud şi al., 1998; Benazon, 1999). Pentru a menţine parametrii procesului

la valori relativ constante, la anod trebuie să fie introdus un agent de curăţare

sau apă. Astfel, la catod apa contaminată este îndepărtată şi supusă epurării

prin electrodepunere, precipitare sau schimb ionic.

Prin utilizarea electrozilor inerţi, la anod vor fi generaţi ioni H+ şi oxigen

gazos, iar la catod HO" şi hidrogen gazos, ceea ce înseamnă că dacă pH-ul nu

va fi controlat în sol se va forma un front acid care se va deplasa dinspre anod

şi se va propaga prin porii solului spre catod. în condiţiile în care cationii

metalelor grele vin în contact cu mediul bazic, precipită sub formă de

hidroxizi, oxihidroxizi etc, iar în mediu acid aceşti cationi se desorb devenind

mobili.

3

Conductivitatea solului depinde de concentraţia şi mobilitatea ionilor

prezenţi, astfel că eficienţa remedierii se reduce cu scăderea concentraţiei

contaminantului ionic (Reddy şi al., 1997; Reddy şi al., 1999; Reddy şi

Chinthamreddy, 1999; Zelina şi Rusling, 1999). Ionii de hidrogen sunt

schimbaţi cu contaminanţii cationici reţinuţi la suprafaţa solului, care sunt

eliberaţi în soluţia solului. Pe măsură ce contaminanţii sunt îndepărtaţi din sol,

curentul va fi transportat mai ales de ionii de hidrogen, având loc o reducere a

conductibilităţii.

Este important de subliniat că în cazul unei contaminări cu compuşi

organici insolubile în apă, poluanţii lichizi nu ionizează dar se deplasează

totuşi ca urmare a fenomenului de electroosmoză sau în formă dizolvată prin

intermediul unor agenţi tensioactivi sau prin împingere de către frontul de apă.

Principalii parametri care influenţează eficienţa remedierii şi deplasarea

ionilor prin sol sub acţiunea câmpului electric sunt prezentaţi în Tabelul 36.

Eficienţa procesului nu este dependentă de permeabilitatea fluidului în sol ci

de umiditatea şi conductibilitatea electrică a solului. Remedierea

electrocinetică nu este dependentă de dimensiunea porilor şi poate fi aplicată

oricărui tip de sol.

În solurile saturate în apă electroosmoza are drept consecinţă deplasarea

apei sub diferenţa de potenţial electric. Când se aplică un curent continuu de-a

lungul unui mediu poros plin cu lichid, lichidul se deplasează faţă de suprafaţa

solidă staţionară încărcată electric. Când suprafaţa este încărcată negativ,

lichidul se deplasează spre catod. Moleculele neutre dizolvate se deplasează cu

lichidul (Fig. 56). La suprafaţa unor minerale există un exces de sarcină

negativă. Astfel multe argile sunt coloizi polielectrolitici încărcaţi negativ.

4

Tabelul 36. Parametrii care influenţează eficienţa remedierii

electrocinetice

Parametrii care

influenţează eficienţa

remedierii

Parametrii care

influenţează fenomenul de

electromigrare

Parametrii care

influenţează transportul

electroosmolic

Procesele chimice de

la electrozi

Umiditatea solului

Tipul şi structura

solului

Valoarea şi variaţia

pH-uJui

Tipul şi concentraţia

contaminanţilor în

sol

Densitatea de curent

aplicată

Densitatea de curent în

apa din pori

Dimensiunea particulelor

solului Mobilitatea ionică

Concentraţia

contaminantului

Concentraţia ionică totală

Mobilitatea şi

hidratarea ionilor şi

încărcarea particulelor

în soluţia solului

Concentraţia ionilor

Constanta

dieléctrica,

depinzând de

cantitatea de particule

organice şi anorganice

din sol

Temperatură

Densitatea de sarcină la suprafaţă creşte în ordinea: nisip < lut < caolin

< illit < montmorillonit. Injecţia de fluid curat sau apă curată la anod poate

îmbunătăţii procesul de îndepărtare a poluantului. Solurile cărora se poate

aplica remedierea electrocinetică trebuie să aibă:

conductibilitate hidraulică redusă;

contaminanţii să fie solubili în apă (pentru cei insolubili trebuie

adăugaţi agenţi tensioactivi);

concentraţii relativ scăzute ale compuşilor ionici în apă.

5

S-a constatat că solurile care răspund cel mai bine tehnicilor de remediere

electrocinetică în cazul contaminărilor cu metale grele sunt cele cu conţinut

mare de argile şi nisip (Sims, 1990). Argilele prezintă o conductivitate

hidraulică redusă, potenţial redox scăzut, pH uşor alcalin (recomandat pentru

remedierea solurilor contaminate cu unele metale grele), capacitate ridicată de

schimb ionic şi o plasticitate pronunţată. în condiţii normale migrarea ionilor

este foarte lentă, dar aceasta poate fi crescută prin aplicarea de câmp electric

sau presiune hidraulică.

Contaminanţii care pot fi afectaţi de procesele electrocinetice sunt:

metalele grele;

metale radioactive;

anioni anorganici (azotat, sulfat);

lichide nemiscibile cu apa, mai grele decât apa;

cianuri;

hidrocarburi petroliere (motorină, benzină, kerosen, uleiuri

lubrifiante);

explozivi;

contaminanţi micşti organici/anorganici;

hidrocarburi halogenate;

hidrocarburi aromatice polinucleare.

Deşi aplicarea unei diferenţe de potenţial în zona contaminată poate

influenţa mai multe clase de contaminanţi, metalele grele reprezintă categoria

pentru care se foloseşte cel mai frecvent remedierea electrocinetică.

Cea mai mare eficienţă de îndepărtare a metalelor grele (peste 90%) a

fost atinsă pentru solurile argiloase, cu permeabilitate scăzută spre deosebire

de solurile poroase, cu permeabilitate ridicată, la care au fost atinse

randamente de numai 65% (Chilingar şi al., 1997). Teste de laborator au

indicat că eliminarea fenolului din soluri de caolin saturate a avut loc cu

6

randamente de peste 94%. Pentru acest caz trebuie însă luate măsuri speciale

datorită toxicităţii fenolului.

Figura 56. Electroosmoza şielectromigrarea ionilor

( Acar şi Alshawabkeh, 1996)

Majoritatea suprafeţelor particulelor de sol sunt încărcate negativ ca

urmare a substituţiei izomorfe şi a prezenţei legăturilor desfăcute (Yeung şi

al., 1997).

Deplasarea electroosmotică de la anod la catod iniţiază o uşoară scădere a

pH-ului care favorizează desorbiţia ionilor metalici şi mobilizarea lor. Astfel,

deplasarea ionilor metalici contaminanţi de la anod la catod face posibilă

decontaminarea prin procedeul de remediere electrocinetică.

Principalele procese care pot avea loc sunt:

reacţii de complexare;

reacţii acido-bazice;

reacţii redox;

precipitare/dizolvare;

reacţii la interfaţă.

Pe lângă procesele mai sus menţionate şi fenomenele de transport, pot

avea loc şi fenomene secundare datorate generării de căldură şi de gaze la

electrozi care pot favoriza dezvoltarea unor reacţii secundare. Căldura

7

generată la aplicarea unui curent între doi electrozi amplasaţi în solul

contaminat, conduce la scăderea vâscozităţii fluidelor şi, drept consecinţă, la

creşterea vitezei de deplasare a fluxului cu specii între electrozi.

8