СПОСОБ ОЧИСТКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРУНТОВ
METHOD OF CLEANING OIL-CONTAMINATED SOILS

Изобретение относится к области переработки и обезвреживания нефтезагрязненных почв в полевых условиях и может быть использовано для проведения ремедиации земель.
Известен способ электрокинетической очистки грунтов от радиоактивных и токсичных веществ (патент РФ 2211493, опубликовано: 27.08.2003, бюл. №24). Он относится к области охраны окружающей среды, в частности к очистке природных и техногенных материалов, и наиболее эффективно может быть использован при очистке глинистых грунтов, содержащих радиоактивные и токсичные вещества. Способ включает создание на участках очищаемого грунта двух катодных полостей и расположенной между ними анодной полости, размещение электролитов в данных полостях и подведение к ним положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока, вывод электролита из анодной полости и подачу его в катодные полости, вывод электролита и газовой фазы из катодных полостей и очистку электролита. Перед подведением к электролитам анодной и катодных полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока в грунт между анодной и катодными полостями подают электролит в количестве 0,1-0,5 объема на объем очищаемого грунта через перфорированные трубки. Трубки устанавливаются в грунт на глубину загрязнения и на одинаковом расстоянии друг от друга.
Основными недостатками такого способа являются необходимость затрат на подготовку и введение в зону очистки электролита, сложность работы с жидким электролитом, связанная с различными показателями проницаемости грунта, а также то, что расстояние между электродами при их установке не учитывает почвенные характеристики и величину подаваемого напряжения при обработке.
Известен способ очистки области загрязненного неоднородного грунта путем установки в грунт анодных и катодных электродов, разделения области загрязненного неоднородного грунта на зоны по характеристикам грунта и подачи в каждой зоне соответствующего напряжения постоянного тока; в результате создается электроосмотический поток либо электромиграционное перемещение загрязнителей, либо и то, и другое (патент США N 5476992 по кл. С25С 001/22 от 17.11.1993).
Недостатком данного изобретения является то, что не учитывается влияние характеристик используемых электродов на эффективность очистки, а также не предотвращается загрязнение атмосферного воздуха при образовании газообразных веществ на анодах.
Наиболее близким техническим решением изобретения является способ очистки области загрязненного неоднородного грунта (патент РФ 2167720, опубликовано 27.05.2001, бюл. №15), происходящий путем установки в грунт анодных и катодных электродов (наклонно или горизонтально вблизи поверхности грунта), разделения области загрязненного неоднородного грунта на зоны по характеристикам грунта и подачи в каждой зоне соответствующего напряжения постоянного тока. Область загрязненного грунта дополнительно разделяют на зоны по концентрации и/или типу загрязнителя, определяют объем грунта, подлежащего очистке в каждой зоне, определяют электрический заряд, который необходимо пропустить через каждую зону для обеспечения требуемой степени очистки, из соотношения. Один или более электродов устанавливают наклонно к поверхности земли; один или более анодных электродов могут быть установлены горизонтально вблизи поверхности грунта; на поверхность грунта наносят электроизоляционное покрытие.
Недостатком способа является трудность размещения электродов в горизонтальном положении, необходимость дополнительных затрат на электроизоляционное покрытие, возможность создания неоднородного электрического поля при использовании цилиндрических электродов и, как следствие, снижение эффективности работы установки и повышение экономических затрат.
Этих недостатков лишен предлагаемый способ очистки нефтезагрязненного грунта в полевых условиях.
Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективной очистки почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами с применением электрохимической обработки без дополнительной транспортировки грунта и исключение вторичного загрязнения окружающей среды ввиду перемещения.
Технический результат достигается тем, что в способе очистки нефтезагрязненных грунтов путем установки в грунт анодных и катодных электродов согласно изобретению на выделенном участке загрязненной почвы подготавливают скважины, куда на глубину загрязнения помещают цилиндрические катоды, выполненные из стали, и аноды из графита, подключенные к источнику постоянного электрического тока, погруженные в грунт параллельными батареями и соединяющиеся каждый своей шиной, при этом расстояние  между электродами в зависимости от силы тока и напряжения определяют как
где R - радиус электродов;
Н - глубина погружения электродов;
U - величина подаваемого напряжения;
I - сила тока;
ρ - удельное сопротивление грунта.
На фиг. 1 представлена схема установки для осуществления способа очистки нефтезагрязненных почв в полевых условиях электрохимической обработкой, на фиг. 2 приведена схема размещения электродов на загрязненном участке, на фиг. 3 представлены результаты экспериментальных исследований.
Установка содержит источник питания 1; катоды 2, изготавливаемые из стали; аноды 3, изготавливаемые из графита; защитную крышку 4; газоотводную трубу 5 для отвода газообразных продуктов окисления углеводородов; трубу 6 для отвода электрофоретического потока, содержащего нефтепродукты.
Сущность изобретения заключается в воздействии электрических токов малого напряжения на почву, загрязненную нефтепродуктами, вследствие чего одна часть нефтепродуктов перемещается под действием возникающих электрокинетических явлений к катоду в составе жидкой фазы совместно с поровым раствором либо пластовыми водами и откачивается через трубку; а другая часть подвергается окислению на аноде и в почвенном массиве. Окисление углеводородов происходит за счет кислорода, перекиси водорода и гидроксильных радикалов, образование которых инициируется электрохимическими процессами, возникающими в почве под действием электрического напряжения. Газообразные продукты окисления отводятся через специальную трубу и собираются для последующего разделения и утилизации. Изготовление анодов из графита позволяет избежать их окисления и разрушения, а также интенсифицировать электроокислительные процессы.
Величину силы тока I и напряжения U устанавливают исходя из требуемой степени очистки и требуемого времени обработки грунта.
Катоды и аноды соединяют отдельными шинами и погружают в грунт на глубину проникновения загрязнения Н.
Такой тип соединения позволяет создавать электрическое поле, близкое к однородному, и пропускать необходимое количество электричества при напряжении, безопасном для окружающей среды (до 10 В), таким образом повышается эффективность работы установки, и снижаются экономические затраты на обработку.
Изменение концентрации нефтепродуктов описывается уравнением:
где C(t) - концентрация нефтепродуктов в момент времени t;
max
C - начальная концентрация нефтепродуктов;
α, b - коэффициенты, зависящие от типа почвы;
t - время обработки грунта;
I - сила тока.
Время, необходимое для проведения электрохимической обработки, для достижения концентрации нефтепродуктов C(t) составляет:
Коэффициент b определяется как соотношение:
ост
где С - остаточное содержание нефтепродуктов в почве.
Коэффициент α рассчитывается по формуле:
1
где q - электрический заряд, пропускаемый через загрязненный грунт в определенный момент времени.
Величина удельного сопротивления определяется экспериментальным путем или находится по формуле:
2
где S - площадь электродов, м;
- расстояние между электродами, м;
R - сопротивление среды между электродами, Ом.
2
Пример осуществления способа на участке загрязненного грунта размерами 400 м.
Для определения глубины загрязнения осуществляют отбора проб грунта с использованием цилиндрического пробоотборника. Концентрацию нефтепродуктов в грунте определяют с помощью метода ИК-спектрометрии. Плотность грунта определяют по ГОСТ 5180-2015. Удельную электрическую проводимость грунта определяют по методике ГОСТ 26423-85. Электрохимическая обработка почв может проводиться только в теплый период года (при температуре от +2°С). Используя значения начальной и требуемой после очистки концентрации нефтепродуктов, а также найденные характеристики грунта и величину необходимого напряжения, по указанным формулам определяется расстояние между электродами, их количество. Оптимальное количество пар электродов для данной площади составляет 12,5 шт., поэтому устанавливается 13 графитовых и 12 стальных электродов. При загрязнении грунта на глубину 1 м для бурения скважин используют мотобур с диаметром шнека 0,4 м. Длина электродов соответствует глубине загрязнения и глубине скважин и равна 1 м. В скважины по предлагаемой схеме устанавливают катоды в виде цилиндрических стержней из графита ЭУТ-1 и аноды в виде цилиндров из стали ВСт3сп. Каждая скважина с электродом снабжается крышкой и отводящими трубами. Выведенные электролит и газовая фаза собираются раздельно и в дальнейшем могут отправляться на очистку (например, сорбционную). При подаче напряжения, равного 6,03 В, время обработки грунта составит 2 теплых периода. Эффективность очистки определяется путем измерения концентрации нефтепродуктов в грунте после обработки методом ИК-спектрометрии. После очистки грунта до требуемого уровня электроды разъединяются, вынимаются из грунта и перевозятся на другой загрязненный участок, где вновь могут монтироваться.
Эффективность снижения концентрации нефтепродуктов в грунте при использовании предлагаемого способа достигает 84,5%, о чем свидетельствуют проведенные экспериментальные исследования, фиг. 3.
Способ обеспечивает высокую степень удаления нефтяных углеводородов без загрязнения окружающей среды за счет электрохимических и электрокинетических процессов, возникающих под действием электрического напряжения, подаваемого на электроды.
Применение изобретения позволит эффективно проводить ремедиацию почв, загрязненных нефтепродуктами по всей глубине загрязнения без перемещения, исключить выбросы углеводородов за счет испарения в атмосферу, использовать нефтяные углеводороды, откачиваемые в жидкой фазе, подготовить загрязненные земельные площади для восстановления растительных сообществ.
К основным преимуществам предлагаемого способа электрохимической очистки нефтезагрязненного грунта относятся следующие:
- высокая производительность и эффективность очистки за счет оптимального размещения электродов;
- уменьшение энергопотребления за счет уменьшения суммарного сопротивления между электродами;
- удобство монтажа, демонтажа и транспортировки предлагаемой установки.