Застосування хімічного відновлення методів рекультивації in situ, подібно до хімічного окиснення in situ, тісно пов’язане з поточними реакціями окиснення-відновлення в гірському середовищі. Суть хімічного відновлення in situ полягає у створенні редукуючих умов шляхом нанесення відновників на забруднене середовище (рис. 4.2.16), одночасно зменшуючи форми забруднювача з менш шкідливими, відповідно. менш небезпечні властивості. Процес зменшення здебільшого доповнюється іншими подальшими процесами санації, наприклад шляхом іммобілізації забруднювача шляхом осадження отриманих відновлених форм забруднення.
Застосовність
Процес хімічного відновлення може бути використаний для відновлення забруднень, чутливих до змін окисно-відновних умов, особливо тих, відновлені форми яких не виявляють небезпечного впливу на навколишнє середовище, відповідно. вони для нього менш шкідливі. До таких забруднювачів належать, наприклад (Bhandari et al., 2007; Suthersan and Payne, 2005; Chambers, 1991; Rocca et al., 2007): Cr 6+ (зниження до Cr 3+), NO3 - (можливе відновлення до NH4 +, можливо до елементарного N2), UO2 2+ (відновлення до чотиривалентного урану), Se 6+ (відновлення до Se 4+ або до елементарного Se). Процес хімічного відновлення також застосовувався для усунення забруднень деякими органічними речовинами (наприклад, хлорованими аліфатичними вуглеводнями, ПХБ тощо).
основна характеристика
Успішне використання хімічного відновлення in situ можливе лише після детального обстеження місцевих умов, зосереджуючись, зокрема, на природі та кількості цільового забруднення, а також на загальних геохімічних та гідрогеологічних умовах у навколишньому середовищі. Використання процесів хімічного відновлення для рекультивації забруднень in situ рекомендується, особливо у формі створення реакційноздатних зон або рекультивації менших територій джерел, менше для комплексної рекультивації великих територій (Suthersan and Payne, 2005).
Загалом хімічне відновлення in situ передбачає нанесення відновників безпосередньо в зону насичення. Відновники можуть застосовуватися, зокрема, за допомогою гідрогеологічних інфільтраційних свердловин або в нормальних умовах, або під тиском. Також можливе використання інфільтраційних стоків, відп. використовувати принцип реактивних бар’єрів (рис. 4.2.17). Застосовуючи відновник, необхідно одночасно забезпечити необхідні хіміко-фізичні умови в насиченій зоні, що разом із хорошим контактом відновника із забруднювачем забезпечить необхідний перебіг та ступінь окисно-відновних реакцій та таким чином зменшують забруднення до бажаної форми.
Відновники, що застосовуються при відновленні in situ, забезпечують зменшення забруднювача за рахунок переносу електрона до молекули/атому забруднення (відновник - це донор електронів, забруднювач - акцептор електронів). Серед доступних відновників можна використовувати напр. (US EPA, 2000; Сазерсан та Пейн, 2005):
• водень (наприклад, при каталітичній дії паладію) - для відновної дегалогенації аліфатичних та ароматичних вуглеводнів (Newell et al., 1997b), або шляхом застосування водню для підтримки природних процесів біосанації хлорованих вуглеводнів;
• дітіоніт натрію Na2S2O4 (Chilakapati, 1999) - застосування відновника змінює окислювально-відновлювальні умови та зменшує присутні метали (особливо Fe 3+ до Fe 2+, які надають тривалий ефект на дегалогенацію хлорованих органічних забруднень ( Szecody et al., 2004) або інші форми забруднюючих речовин, здатних до відновлення, наприклад Cr 6+ (Fruchter et al., 2000) Тести на видалення певних вибухових речовин (наприклад, тротилу) в природних відкладеннях заліза також проводилися в лабораторії умови (Boparai et al., 2008);
• Сірководень (Thorton et al., 2007) - успішно протестований для відновлення забруднених гірських середовищ, таких як відновлення шестивалентного хрому;
• нульово-валентне колоїдне залізо - використовується для відновлення хлорованих вуглеводнів, а також для відновлення металів та інших компонентів, напр. CrO4 2–, TcO4 - або UO2 2+ (Інь та Аллен, 1999). Він також використовується як матеріал для реактивних бар'єрів. Для нанесення тонкої свердловини використовується дуже тонке колоїдне залізо з нанорозміром (Canterll et al., 1995);
• EHC - це запатентована комбінація т.зв. складний вуглець і нуль-валентне залізо, яке характеризується контрольованим поступовим викидом у навколишнє середовище. Він використовує як хімічні, так і мікробіологічні процеси деградації і може використовуватися як у твердій, так і в рідкій формі. Він може бути адаптований до конкретних умов та потреб in situ.
Приклад застосування відновника - дитионіту - з використанням свердловин для відновлення шестивалентного хрому складається з наступних етапів (Міністерство енергетики США, 2000 р.):
• Під час фази інфільтрації на забруднений водоносний шар наносять необхідну кількість відновника. Загальна відновна здатність залежить, зокрема, від кількості нанесеного реагенту та вмісту заліза в середовищі.
• Під час фази реакції (перші десятки годин) реагент реагує з навколишнім середовищем. Реагент реагує з присутнім залізом згідно з такою реакцією:
.
• Після фази реакції надлишок непрореагованого реагенту та рухливі продукти реакції відкачуються.
• Застосування попередніх кроків створить реакційну зону, здатну знерухомити або знищити забруднювач у природних умовах потоку забрудненої води. Утворений відновний бар'єр, що містить залізне залізо, іммобілізує хром під час проходження забрудненої води відповідно до реакції:
.
• Якщо відновлювальна здатність бар’єру недостатня, можна повторно застосувати відновник до навколишнього середовища.
• В результаті бар’єру підземні води не містять розчиненого шестивалентного хрому. Вміст розчиненого кисню в підземних водах є низьким завдяки окисно-відновним процесам.
Переваги та обмеження
Головний переваги хімічне відновлення можна узагальнити наступним чином:
• метод не вимагає забруднення забрудненого матеріалу на поверхню, що зменшує витрати на відновлення; за допомогою свердловин (або інших методів, наприклад, розпушування; гірська маса), глибші частини забрудненого середовища також доступні для відновлення (Інь та Аллен, 1999);
• підходить свердління в добре проникному середовищі, напр. піски та гравії (Міністерство енергетики США, 2000);
• При необхідності можна повторно застосувати відновник простим способом і збільшити або зменшити подовжити ефект реакцій редукції;
• зона скорочення працює тривалий час і в той же час відносно швидко; він залишається активним у навколишньому середовищі, що забезпечує іммобілізацію забруднень, що поступово виділяються з менш проникних зон;
• контакт людини із забрудненим матеріалом зведений до мінімуму (через те, що не відбувається безпосереднього вилучення забруднення з навколишнього середовища).
Головний недоліки та обмеження хімічне відновлення можна резюмувати в наступних пунктах:
• застосування відновників через свердловини обмежує в середовищі з низькою проникністю, яке не забезпечує достатньої міграції відновника, і, отже, неможливо відновити ширші ділянки без великих бурових робіт (Міністерство енергетики США, 2000);
• необхідність моніторингу санації та контролю ефективності методу (подібно до інших методів in situ);
• застосування деяких відновників (наприклад, дітіоніт натрію) вимагає присутності природного відновлюваного заліза в санітарному середовищі;
• вища неоднорідність навколишнього середовища (наприклад, більш проникні пільгові шляхи) може спричинити проблему з проникненням забруднювача через бар'єр зниження; це може спричинити меншу ефективність методу (Szecody et al., 2004);
• у деяких випадках при відновленні умов окислення може відбутися ремобілізація забруднень, відповідно. утворення токсичних/небезпечних продуктів (інтер) деградації (Інь та Аллен, 1999);
• суттєва зміна окисно-відновних умов може спричинити зміну форми виникнення елементів і, отже, зміну їх рухливості - застосування методу вимагає хорошого знання місцевих геохімічних умов, щоб уникнути потенційних несприятливих реакцій із навколишнім середовищем.
Тривалість та ефективність очищення
Спосіб є відносно швидким за рекомендованих умов застосування, зокрема достатній контакт відновника з забруднювачем. У літературі (Міністерство енергетики США, 2000 р.) Зазначається, наприклад, що застосування дитионіту може значно знизити концентрацію шестивалентного хрому в підземних водах за один місяць порівняно з санаційною прокачкою, яка триває кілька років.
Загальна вартість залежить від конкретних умов навколишнього середовища та забруднювача, що видаляється. Порівняно з деякими традиційними основними методами, такими як напр. санації, цей метод може принести значну економію, до 60% (Міністерство енергетики США, 2000). Це пояснюється головним чином меншими експлуатаційними витратами, що має довгостроковий ефект зменшення вмісту забруднювачів без значних додаткових витрат. На практиці найдорожчим є встановлення системи і особливо вартість моніторингу санації.
Пояснення: 1 - концептуальна схема, 2 - проект обробленої ділянки, 3 - напрямок потоку підземних вод, 4 - ширина зони, що обробляється, 5 - довжина зони, що обробляється, 6 - забруднена зона, 7 - джерело забруднення, 8 - оброблена зона, 9 - нагнітальна свердловина, 10 - моніторингова свердловина (зонд), 11 - кернова свердловина, 12 - реактивна зона.
Автори: Яна Франківська, Йозеф Кордік, Ігор Сланінка, Любомир Юркович, Володимир Грайф,
Петро Шоттник, Іван Дананай, Славомир Мікіта, Катаріна Деркова та Власта Янова
Діоніз Штур Державний геологічний інститут, Братислава 2010, 360 с,