Τεχνικές Απορρύπανσης Εδαφών και Θαλασσών Ενότητα 2: Φυσικοχημικές μέθοδοι αποκατάστασης εδαφών (Ι) Τσικριτζής Λάζαρος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας 2 Μετά την επιτυχή ολοκλήρωση της ενότητας οι φοιτητές θα πρέπει να γνωρίζουν : τα κοινά σημεία και χαρακτηριστικά των φυσικοχημικών μεθόδων. τις βασικές αρχές της ηλεκτροκινητικής μεθόδου αποκατάστασης εδαφών. τις βασικές αρχές των μεθόδων σταθεροποίησης και στερεοποίησης εδαφών, τις διαφορές τους και τις κυριότερες υποπεριπτώσεις. 4
Περιεχόμενα ενότητας 2 Φυσικές και χημικές μέθοδοι αποκατάστασης εδαφών, in situ και ex situ. Ηλεκτροκινητική μέθοδος. (Αρχή και περιγραφή λειτουργίας, στάδια εφαρμογής, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα). Μέθοδοι στερεοποίησης σταθεροποίησης (Διαφορές και ομοιότητες, υλικά στερεοποίησης. Περιγραφή μεθόδου και στάδια εφαρμογής, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα). 5
Αποκατάσταση (εξυγίανση) ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ In situ και ex situ. εδαφών Φυσικές, Χημικές, Βιολογικές. Τελική κατάληξη ρύπου: καταστροφή ή απομάκρυνση ή περιορισμός. ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ Είδος και ιδιότητες ρύπου. Τύπος και ιδιότητες εδάφους. 6
ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Ηλεκτροκινητική μέθοδος (1/12) Αρχή της μεθόδου Είναι in situ με υψηλή απόδοση Δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου χαμηλής τάσης στο έδαφος. Άνοδος Κάθοδος. Μετακίνηση των ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΕΝΩΝ ρύπων στα ηλεκτρόδια του πεδίου. Απομάκρυνση. Μέταλλα, ΝΗ4 +, οργαν + κάθοδος. Cl - F - NO3 - άνοδος (όξινο μέτωπο). 7
Ηλεκτροκινητική μέθοδος (2/12) Μηχανισμοί μεταφοράς Electro-emigration (ιόντα). Electro-osmosis (νερό με ιόντα). Electro-phoresis (μεγάλα σωματίδια με φορτίο). Διάχυση λόγω διαφοράς συγκέντρωσης (ΔC). 8
Ηλεκτροκινητική μέθοδος (3/12) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005) 9
Ηλεκτροκινητική μέθοδος (4/12) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005) 10
Ηλεκτροκινητική μέθοδος (5/12) Παράμετροι που επηρεάζουν (και ερευνώνται): Ηλεκτρική αγωγιμότητα εδάφους (για καθορισμό της τάσης ΔV), καθώς και χημικές παράμετροι (αλατότητα, ιόντα κλπ). Ηλεκτρική αγωγιμότητα νερού, ph και χημικές ενώσεις εδαφικού νερού. Απόσταση ηλεκτροδίων και τρόπος τοποθέτησής τους σε πηγάδια. Ρυθμός ροής φορτίων. Ασκούμενη τάση (ΔV). 11
Ηλεκτροκινητική μέθοδος (6/12) Σύστημα Lasagna λαζάνια (Ι). Συνδυάζει ηλεκτροκίνηση (ώσμωση) με ζώνες επεξεργασίας διαδοχικά. Οι ρύποι μεταφέρονται στις ζώνες (οριζόντιες ή κάθετες). 12
Ηλεκτροκινητική μέθοδος (7/12) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005). Σύστημα Lasagna (ΙΙ) οριζόντιες ζώνες 13
Ηλεκτροκινητική μέθοδος (8/12) Σύστημα Lasagna λαζάνια (ΙV). Αρχή λειτουργίας. Τα ηλεκτρόδια προκαλούν ηλ. πεδίο (ΔV) και μετακινούν τους διαλυμένους ρύπους στις ζώνες. Επίσης θερμαίνουν το έδαφος. Οι ζώνες έχουν χημικά που εξουδετερώνουν και απομακρύνουν τους ρύπους. Ένα ειδικό κύκλωμα μεταφέρει νερό από την Κάθοδο (υψηλό ph) στην Άνοδο (χαμηλό ph) ουδέτερες συνθήκες. 14
Ηλεκτροκινητική μέθοδος (9/12) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005) Σύστημα Lasagna (V) κατακόρυφες ζώνες. 15
Ηλεκτροκινητική μέθοδος (10/12) ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ. Κατάλληλη για τους εξής ρύπους: βαρέα μέταλλα (Cr, Ni..), ραδιενεργά ( 137 Cs, 80 Sr..), νιτρικά (NO3 - ), φωσφορικά (PO4 3- ), ΗC και PAHs (πετρέλαια, βενζίνες). Κατάλληλη για τους εξής εδαφικούς σχηματισμούς: ιλύες, ιζήματα, εδάφη χαμηλής διαπερατότητας, πολύ υγρά (κορεσμένα) εδάφη που δεν στραγγίζουν εύκολα και δεν εξυγιαίνονται με άλλες μεθόδους. 16
Ηλεκτροκινητική μέθοδος ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΘΟΔΟΥ. Είναι in situ. (11/12) Έχει αποτελέσματα και σε σχεδόν αδιαπέραστα εδάφη. Απομακρύνει το ρύπο κι όχι απλά τον παγιδεύει. Διαλύει τους ρύπους όχι με οξέα, αλλά μέσω του χαμηλού ph. 17
Ηλεκτροκινητική μέθοδος ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ. Όχι τόσο ώριμη τεχνολογία. Ακριβή 200-1500 / m 3. (12/12) Σε ξηρά εδάφη μειώνεται η απόδοσή της (Πρέπει η υγρασία W> 14%). Τα ηλεκτρόδια είναι από αδρανή & ακριβά υλικά (γραφίτης, Pt). Αλλιώς φθείρονται και επιβαρύνουν το έδαφος. 18
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση (1/5) To απόβλητο ρύπος παγιδεύεται αδρανοποιείται σε μια στερεά δομή αφού γίνει ανάμειξη με κατάλληλο υλικό. Ευρεία εφαρμογή (ακόμη και για την αλλαγή ιδιοτήτων του εδάφους). Σταθεροποίηση (stabilization) Μετατροπή ρύπων σε λιγότερο τοξικούς ή κινητικούς. Χημική εξουδετέρωση ή μείωση διαλυτότητας. Στερεοποίηση (solidification) To απόβλητο εγκιβωτίζεται σε στεγανή-ασυμπίεστη «κάψουλα». Μηχανικός (ή και χημικός) τρόπος δέσμευσης των ρύπων. 19
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση (2/5) Στόχοι της μεθόδου Να μετατραπούν οι ρύποι σε αδιάλυτες ενώσεις (χημική σταθεροποίηση). Να γίνουν λιγότερο τοξικοί. Να βελτιωθούν οι ιδιότητες του εδάφους και να μειωθεί η επιφάνεια των κόκκων. Να δημιουργηθεί μια μάζα ανθεκτική, με μικρή συμπιεστότητα κ διαπερατότητα. 20
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση (3/5) Κύριοι μηχανισμοί. Μακρο-εγκλωβισμός (macro-encapsulation). Παγίδευση ρύπων στο «καλούπι» του υλικού δέσμευσης (ασυνεχείς πόροι). Αν το καλούπι διαβρωθεί (ρωγμές), μέρος των ρύπων διαφεύγει. (Γι αυτό επικάλυψη με ρητίνες, ίνες υάλου). Μικρο-εγκλωβισμός (micro-encapsulation). Παγίδευση ρύπων στην κρυσταλλική δομή του υλικού δέσμευσης. Δεν επηρεάζεται αρχικά από την αποσάρθρωση. Όσο όμως οι κόκκοι τρίβονται και μικραίνουν ένα μέρος των ρύπων διαφεύγει πάλι. 21
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση (4/5) Κύριοι μηχανισμοί [συνέχεια]. Απορρόφηση (Absorption). Όπως το σφουγγάρι κρατά το νερό. Προστίθεται στερεό υλικό που ρουφά τα υγρά. Τυχόν συμπίεση όμως τα απελευθερώνει. (προσωρινό μέτρο). Απορροφητικά υλικά: ιπτάμενη τέφρα, τσιμέντο, ζεόλιθοι, πριονίδια, σανό. Προσρόφηση (Adsorption). Διαφορά με απορρόφηση: Η συγκράτηση γίνεται επιφανειακά (Van der Waal s). Φυσική (αντιστρεπτή) ή χημική (μόνιμη) προσρόφηση. Προσροφητικά υλικά: Άργιλος, οξείδια μετάλλων, τέφρα, χώμα. 22
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση (5/5) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005) 23
Υλικά σταθεροποίησης στερεοποίησης (1/4) Τσιμέντο Portland. Παραγωγή: (Ασβεστόλιθος + άργιλος) πύρωση clinker ψήσιμο + πρόσθετα + άλεση τσιμέντο. Περιέχει ανθρακικά, πυριτικά που δεσμεύουν μέταλλα και ρύπους. Βοηθά και το υψηλό ph του τσιμέντου. Εφαρμογή in situ με εισαγωγή πολφού (μίγματος), αν το έδαφος είναι διαπερατό. 24
Υλικά σταθεροποίησης στερεοποίησης (2/4) Ποζολάνες (Pozzolans). Ιπτάμενη και ηφαιστειακή τέφρα, σκουριά υψικαμίνου. Περιέχουν ενεργές αργιλικές και πυριτικές ενώσεις. Μαζί με άσβεστο + νερό «τσιμεντοποιούν» ρυπασμένα τμήματα του εδάφους. 25
Άσβεστος. Υλικά σταθεροποίησης στερεοποίησης (3/4) Προτιμάται όταν το έδαφος έχει ποζολάνες. Σχηματίζεται ζελατινώδες υλικό που συγκρατεί το νερό (μειώνει την κινητικότητα των βαρέων μετάλλων). Εγκλωβίζει και οργανικούς ρύπους (πετρελαιοειδή) μέσω του παραγόμενου Ca(OH) 2. Όμως παράγεται και θερμότητα που εξατμίζει και χρήσιμα πτητικά του εδάφους. Διαλυτά πυριτικά υλικά. Για εδάφη μεγάλης διαπερατότητας, με β.μ + οργανικά. Ιοντοεναλλαγή και σχηματισμός ζελατίνας μείωση νερού και συγκράτηση. Επίσης μείωση «στραγγισμάτων». 26
Υλικά σταθεροποίησης στερεοποίησης (4/4) Θερμοπλαστικά: PET, PP, πίσσα. Ξήρανση - θέρμανση εδάφους προσθήκη υλικού θέρμανση 130-230οC. Τα πλαστικά τήκονται και εγκλωβίζουν τους κόκκους εδάφους (σταθερό προϊόν). Για β.μ., οξέα (αφού προηγηθεί εξουδετέρωση). Οξειδωτικά, νιτρικά άλατα κ.α προκαλούν ρωγμές στη θερμοπλαστική μήτρα. 27
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση Η μέθοδος εφαρμόζεται in situ και ex situ ανάλογα με ρύπους κ έδαφος. In situ. in situ (1/2) Σχεδίαση με αρχές γεωμηχανικής. Πιθανή ρύθμιση ph ή εισαγωγή ατμού για απομάκρυνση πτητικών. Υπολογισμός «εμβέλειας» υλικού με βάση τις ιδιότητες του εδάφους. 28
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση in situ (2/2) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005) 29
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση ex situ (1/2) Ex situ. Εκσκαφή εξαγωγή. Προεργασία / Απομάκρυνση ογκωδών. Ανάμειξη. Απομάκρυνση απαερίων. 30
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση ex situ (2/2) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005) 31
Υαλοποίηση / vitrification (1/4) Είναι μέθοδος σταθεροποίησης. Εξουδετέρωση ή εγκλωβισμός χωρίς προσθήκη ουσιών. Για βαρέα μέταλλα, HC, PCBs. Αρχή μεθόδου. Ηλεκτρική θέρμανση τήξη εδάφους υαλοποίηση + πυρόλυση. Οι ρύποι εγκλωβίζονται στους γυάλινους κόκκους ή διασπώνται. 32
Υαλοποίηση / vitrification (2/4) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005) 33
Υαλοποίηση vitrification (3/4) ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΕΘΟΔΟΥ Το ηλεκτρικό πεδιο θερμαίνει (μέχρι 2000 ο C). Οι ρύποι τήκονται καταστρέφονται. Ομοίως λιώνουν και συστατικά του εδάφους. Η διάπυρη μάζα μεταδίδει τη θερμότητα περιμετρικά και συνεχίζεται η διαδικασία. Δέσμευση απαερίων - επεξεργασία. 34
Υαλοποίηση / vitrification (4/4) ΠΗΓΗ: Γιδαράκος και συν. (2005) 35
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση Δυνατότητες / πλεονεκτήματα Δυνατότητες εφαρμογής. Εφαρμόζεται σε πολλούς τύπους εδαφών, διότι διαθέτει ποικιλία συνδετικών υλικών. Για ειδικούς ρύπους χρειάζεται πρόσθετη έρευνα (Πίνακες εμπειρικοί). Πλεονεκτήματα. Ευρεία εφαρμογή. Χρόνος εξυγίανσης μικρός. Κόστος λειτουργίας σχετικά μικρό. 36
Σταθεροποίηση Στερεοποίηση Μειονεκτήματα Ο όγκος του εδάφους πιθανόν να αυξηθεί λόγω προσθήκης υλικού. Η αντοχή της «κάψουλας» μπορεί να πέσει με τα χρόνια. Δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγάλα βάθη. Η ακινητοποίηση των οργανικών είναι δύσκολη. Τα πτητικά από την πυρόλυση μπρεί να είναι τοξικά (φουράνια, διοξίνες). 37
Τέλος Ενότητας
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Τσικριτζής Λάζαρος. «Τεχνικές αποκατάστασης εδαφών και θαλασσών. Φυσικοχημικές μέθοδοι αποκατάστασης εδαφών (Ι)». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL.
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 40
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 41
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες Τεχνολογίες αποκατάστασης εδαφών και υπογείων υδάτων από επικίνδυνους ρύπους, Ε. Γιδαράκος, Μ. Αιβαλιώτη, Εκδόσεις Ζυγός, Θεσσαλονίκη, 2005. Περιβάλλον και βιομηχανική ανάπτυξη, τόμος Β, Καλδέλης Ιωάννης Κ., Κονδύλη Αιμιλία Μ., εκδόσεις Σταμούλη ΑΕ, 2006. 42