Elektrische Widerstandsheizung - Electrical resistance heating

Die elektrische Widerstandsheizung (ERH) ist ein intensives In-Situ- Umweltsanierungsverfahren , das den Fluss von Wechselstrom nutzt , um Boden und Grundwasser zu erwärmen und Schadstoffe zu verdampfen. Elektrischer Strom wird durch ein gezieltes Bodenvolumen zwischen unterirdischen Elektrodenelementen geleitet. Der im Erdreich vorhandene elektrische Strömungswiderstand bewirkt die Bildung von Wärme; Dies führt zu einem Temperaturanstieg, bis der Siedepunkt des Wassers in der Tiefe erreicht ist. Nach Erreichen dieser Temperatur führt ein weiterer Energieeintrag zu einem Phasenwechsel, der Dampf bildet und flüchtige Verunreinigungen entfernt. ERH ist in der Regel kostengünstiger, wenn es zur Behandlung von Kontaminationsquellenbereichen verwendet wird.

die Reibung des Stroms kann dazu führen, dass sich das Metall, auf dem sich der Draht befindet, auf eine bestimmte Hitze erwärmt

Technologie

Die elektrische Widerstandsheizung wird von der Umweltsanierungsindustrie zur Sanierung von kontaminiertem Boden und Grundwasser verwendet. ERH besteht darin, Elektroden im Boden zu konstruieren, Wechselstrom (AC) an die Elektroden anzulegen und den Untergrund auf Temperaturen zu erhitzen, die die Verdunstung von Schadstoffen fördern. Verflüchtigte Schadstoffe werden von einem unterirdischen Dampfrückgewinnungssystem aufgefangen und zusammen mit der rückgewonnenen Luft und dem Dampf an die Oberfläche befördert. Ähnlich wie bei der Bodendampfabsaugung werden Luft, Dampf und verflüchtigte Schadstoffe dann an der Oberfläche behandelt, um Wasser, Luft und Schadstoffe zu trennen. Die Behandlung der verschiedenen Ströme hängt von den örtlichen Vorschriften und der Menge der Verunreinigungen ab.

Einige organische Verunreinigungen mit geringer Flüchtigkeit haben eine kurze Hydrolysehalbwertszeit . Bei Verunreinigungen wie diesen, dh 1,1,2,2-Tetrachlorethan und 1,1,1-Trichlorethan , kann die Hydrolyse die primäre Form der Sanierung sein. Wenn der Untergrund erwärmt wird, verringert sich die Hydrolyse- Halbwertszeit der Verunreinigung, wie durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben . Dies führt zu einem schnellen Abbau der Verunreinigung. Das Hydrolyse -Nebenprodukt kann durch herkömmliches ERH beseitigt werden, jedoch wird der Großteil der Masse der primären Verunreinigung nicht zurückgewonnen, sondern eher zu einem Nebenprodukt abgebaut.

Für ERH gibt es überwiegend zwei elektrische Lastanordnungen: dreiphasig und sechsphasig. Die Dreiphasenheizung besteht aus Elektroden in einem sich wiederholenden Dreiecks- oder Deltamuster. Benachbarte Elektroden haben eine unterschiedliche elektrische Phase, sodass Elektrizität zwischen ihnen geleitet wird, wie in Abbildung 1 gezeigt. Der kontaminierte Bereich wird durch die grüne Form dargestellt, während die Elektroden durch die nummerierten Kreise dargestellt werden.

Abb. 1. Typische dreiphasige ERH-Anordnung

Die sechsphasige Erwärmung besteht aus sechs Elektroden in einem hexagonalen Muster mit einer neutralen Elektrode in der Mitte des Arrays. Die sechsphasigen Arrays sind in Abbildung 2 unten blau umrandet. Auch hier wird der kontaminierte Bereich durch die grüne Form dargestellt, während die Elektroden durch die nummerierten Kreise dargestellt werden. Bei einem sechsphasigen Heizmuster kann es je nach nebeneinander liegenden Phasen Hot Spots und Cold Spots geben. Aus diesem Grund funktioniert die sechsphasige Erwärmung normalerweise am besten auf kleinen kreisförmigen Flächen mit einem Durchmesser von weniger als 65 Fuß.

Abb. 2. Typische sechsphasige ERH-Anordnung

ERH ist in der Regel am wirksamsten bei flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs). Die chlorierten Verbindungen Perchlorethylen , Trichlorethylen und cis- oder trans-1,2-Dichlorethylen sind Verunreinigungen, die mit ERH leicht beseitigt werden können. Die Tabelle zeigt Verunreinigungen, die mit ERH saniert werden können, zusammen mit ihren jeweiligen Siedepunkten. Weniger flüchtige Verunreinigungen wie Xylol oder Diesel können ebenfalls mit ERH beseitigt werden, aber der Energiebedarf steigt mit abnehmender Flüchtigkeit.

Chemisch	Molekulargewicht (g)	Siedepunkt (°C)
Liste der Verbindungen, die mit ERH . saniert werden können
1,1,1-Trichlorethan	133,4	74
1,1,2-Trichlorethan	133,4	114
1,1-Dichlorethan	99	57
1,1-Dichlorethen	97	32
1,2-Dichlorethan	99	84
1,2-Dichlorpropan	167,9	97
Benzol	78,1	80
Tetrachlorkohlenstoff	153.8	77
Chlorbenzol	112.6	132
Chloroform	119.4	62
cis- 1,2-Dichlorethylen	97	60
Dibromethan	187,9	132
Ethylbenzol	106,2	136
1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluorethan	187.4	48
Benzin	100	100
Methylenchlorid/Dichlormethan	84,9	41
4-Methyl-2-pentanon/Methylisobutylketon	100,2	117
2-Methoxy-2-methylpropan/Methyl- tert- butylether	88,1	55
Perchlorethylen	165,8	121
Trichlorethen	131,5	87
tert- Butylalkohol	74,1	83
Toluol	92,1	111
trans- 1,2-Dichlorethen	97	48
Vinylchlorid	62,5	-14
Xylol	106,2	140

Elektrodenabstand und Betriebszeit können angepasst werden, um die Gesamtsanierungskosten mit der gewünschten Reinigungszeit auszugleichen. Eine typische Sanierung kann aus Elektroden im Abstand von 15 bis 20 Fuß bestehen, wobei die Betriebszeiten normalerweise weniger als ein Jahr betragen. Das Design und die Kosten eines ERH-Sanierungssystems hängen von einer Reihe von Faktoren ab, in erster Linie von der zu behandelnden Boden-/Grundwassermenge, der Art der Kontamination und den Behandlungszielen. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Zielverbindungen werden von Gesetzen bestimmt, die beheizte Sanierungen gegenüber den meisten herkömmlichen Verfahren vorteilhaft machen. Der elektrische Energieverbrauch, der für die Erwärmung des Untergrunds und die Verflüchtigung der Schadstoffe erforderlich ist, kann 5 bis 40 % der Gesamtsanierungskosten ausmachen.

Es gibt mehrere Gesetze, die eine ERH-Sanierung regeln. Das Daltonsche Gesetz regelt den Siedepunkt einer relativ unlöslichen Verunreinigung. Das Raoult-Gesetz regelt den Siedepunkt von gegenseitig löslichen Begleitverunreinigungen und das Henry-Gesetz regelt das Verhältnis der Verunreinigung in der Dampfphase zu der Verunreinigung in der flüssigen Phase.

Daltons Gesetz

Für gegenseitig unlösliche Verbindungen besagt das Daltonsche Gesetz , dass der Partialdruck einer Flüssigkeit in nicht wässriger Phase (NAPL) gleich ihrem Dampfdruck ist und dass die NAPL in Kontakt mit Wasser kocht, wenn der Dampfdruck von Wasser plus dem Dampfdruck der VOC entspricht dem Umgebungsdruck. Wenn eine VOC-Dampfblase gebildet wird, ist die Zusammensetzung der Blase proportional zu den jeweiligen Dampfdrücken des Verbundstoffs.

Raoults Gesetz

Für gegenseitig lösliche Verbindungen besagt das Raoultsche Gesetz , dass der Partialdruck einer Verbindung gleich ihrem Dampfdruck mal ihrem Molenbruch ist. Dies bedeutet, dass sich gegenseitig lösliche Verunreinigungen langsamer verflüchtigen, als wenn nur eine Verbindung vorhanden wäre.

Henrys Gesetz

Das Henry-Gesetz beschreibt die Tendenz einer Verbindung, sich in der Dampfphase mit Luft zu verbinden oder sich in Wasser aufzulösen. Die Henry-Konstante, manchmal auch Koeffizient genannt, ist für jede Verbindung spezifisch und hängt von der Systemtemperatur ab. Die Konstante wird verwendet, um die Menge an Verunreinigungen vorherzusagen, die beim Verlassen des Kondensators in der Dampfphase verbleiben (oder in die flüssige Phase übergehen).

Jüngste Innovationen bei ERH

In den letzten fünf Jahren wurden bei ERH bedeutende technologische Fortschritte erzielt. Drei Schwerpunkte waren: Sanierung von Grundgestein, 1,4-Dioxan und andere neu auftretende Schadstoffe sowie kontrollierte Niedertemperaturwärme zur Verbesserung anderer Sanierungs- oder Naturprozesse.

Grundgesteinsbehandlung

ERH wird seit über 15 Jahren zur Behandlung von lockeren Böden sowohl in der vadosen als auch in der gesättigten Zone eingesetzt. Jüngste Fortschritte und Ergebnisse zeigen, dass ERH eine wirksame Behandlungsmethode für Grundgestein sein kann . An einem ERH-Standort verläuft der primäre Strompfad auf der dünnen Wasserschicht, die unmittelbar an den Boden oder die Gesteinskörner angrenzt. Durch das Wasser wird im Porenvolumen wenig Strom getragen. Nicht die Porenflüssigkeit dominiert die elektrische Leitfähigkeit; es ist die Kornbenetzungsflüssigkeit, die die elektrische Leitfähigkeit dominiert. Sedimentgestein weist typischerweise die dünne Wasserschicht auf, die für den Stromfluss erforderlich ist. Dies bedeutet, dass ERH effektiv zur Behandlung von Sedimentgestein verwendet werden kann, das typischerweise eine signifikante primäre Porosität aufweist.

1,4-Dioxan

1,4-Dioxan ist ein kürzlich identifizierter besorgniserregender Kontaminant. Die regulatorischen Kriterien für 1,4-Dioxan ändern sich ständig, da mehr über diesen Schadstoff bekannt wird. 1,4-Dioxan hat eine hohe Löslichkeit in Wasser und eine niedrige Henry-Konstante, die zusammen komplexe Herausforderungen im Zusammenhang mit der Sanierung darstellen. Bei Umgebungsbedingungen weisen die physikalischen Eigenschaften von 1,4-Dioxan darauf hin, dass das Strippen mit Luft kein wirksamer Behandlungsmechanismus ist. Jüngste Ergebnisse der ERH-Sanierung zeigen, dass ERH günstige Bedingungen für die Behandlung schafft. Bei der ERH-Sanierung handelt es sich um eine Dampfstrippung, die in der Vergangenheit für 1,4-Dioxan nicht untersucht wurde. An den ERH-Standorten wurde beobachtet, dass das Dampfstrippen 1,4-Dioxan zur nachfolgenden Behandlung effektiv in die Dampfphase überführt. Bei der jüngsten ERH-Sanierung wurde eine Verringerung der 1,4-Dioxan-Konzentration im Grundwasser um 99,8 % (oder mehr) dokumentiert. Die Überwachung der Behandlungsströme der obigen Qualität zeigt, dass 95% des 1,4-Dioxans im Dampfstrom nach der Entfernung aus dem Untergrund verblieben. Darüber hinaus hat sich körnige Aktivkohle als effektives 1,4-Dioxan-Dampfbehandlungsverfahren erwiesen.

Kontrollierte Niedertemperaturheizung

Die Verflüchtigung ist der primäre Entfernungsmechanismus an den meisten ERH-Standorten. ERH kann jedoch auch verwendet werden, um andere Prozesse zu verbessern, von denen einige natürlich vorkommen, um die Kosten für die Behandlung einer Wolke zu reduzieren. ERH kann verwendet werden, um eine kontrollierte Niedertemperaturheizung für Projekte mit Sanierungsprozessen bereitzustellen, die keine Dampfstrippung beinhalten. "Niedertemperaturheizung" bezieht sich auf das Anstreben einer Untergrundtemperatur, die niedriger ist als der Siedepunkt von Wasser. Beispiele für Niedertemperatur-ERH sind die wärmeunterstützte Bioremediation , das Erhitzen des Untergrunds auf Temperaturen oberhalb der Löslichkeit gelöster Gase, um das Ablösen von VOC (vor allem Kohlendioxid-Aufkochen), hitzeverstärkte chemische In-situ- Oxidation (insbesondere für die Persulfataktivierung) und Hitze zu induzieren. verstärkte Reduktion (wie bei eisenkatalysierten Reaktionen). ERH-Niedertemperaturheizung kann auch verwendet werden, um chlorierte Alkane in-situ bei Temperaturen unter dem Siedepunkt zu hydrolysieren, bei denen während der Hydrolyse freigesetzte Salzsäure weiter mit unterirdischen Carbonaten und Bicarbonaten reagiert, um Kohlendioxid für das unterirdische Strippen von VOCs zu erzeugen.

Die Verwendung von Niedertemperaturerhitzen in Verbindung mit Bioremediation, chemischer Oxidation oder Dechlorierung führt zu erhöhten Reaktionsgeschwindigkeiten. Dadurch kann der Zeitaufwand für diese Sanierungsprozesse im Vergleich zu einer Sanierung bei Umgebungstemperatur deutlich reduziert werden. Darüber hinaus erfordert eine Niedertemperaturoption nicht die Verwendung des oben genannten Behandlungssystems für rückgewonnene Dämpfe, da die Siedetemperaturen nicht erreicht werden. Dies bedeutet weniger erstklassige Infrastruktur und niedrigere Gesamtkosten.

Wenn Wärme mit Mehrphasenextraktion kombiniert wird, verringern die erhöhten Temperaturen die Viskosität und Oberflächenspannung der rückgewonnenen Flüssigkeiten, wodurch die Entfernung schneller und einfacher wird. Dies ist der ursprüngliche Zweck für die Entwicklung von ERH - die Ölförderung zu verbessern (siehe § Geschichte oben).

Schwächen

Schwächen von ERH umfassen Wärmeverluste an kleinen Standorten. Behandlungsvolumina, die eine große Oberfläche haben, aber in Bezug auf die Tiefe dünn sind, weisen erhebliche Wärmeverluste auf, was die ERH weniger effizient macht. Das minimale Behandlungsintervall für eine effiziente ERH-Sanierung beträgt ca. 3 m.
Begleitverunreinigungen wie Öl oder Fett erschweren die Sanierung. Öl und Fett verursachen einen Raoult-Gesetz-Effekt, der mehr Energie benötigt, um die Verunreinigungen zu entfernen.
Torf oder ein hoher organischer Kohlenstoffgehalt im Untergrund adsorbieren bevorzugt VOCs aufgrund von Van-der-Waals- Kräften. Diese bevorzugte Adsorption wird die Energiemenge erhöhen, die erforderlich ist, um die VOCs aus dem Untergrund zu entfernen.
Brennstoffstandorte werden von ERH weniger häufig behandelt, da andere kostengünstigere Sanierungstechnologien verfügbar sind und Brennstoffstandorte normalerweise dünn sind (was zu erheblichen Wärmeverlusten führt).
Auch Standorte auf Deponien stellen eine Herausforderung dar, da metallische Ablagerungen die Strompfade verzerren können. ERH ist in natürlichem Boden oder Gestein gleichmäßiger.

Stärken

ERH ist an alle Bodenarten und Sedimentgesteine anpassbar. ERH ist auch sowohl in der vadosen als auch in der gesättigten Zone wirksam. Bestimmte Lithologien können traditionelle Sanierungsmethoden einschränken, indem sie einen zuverlässigen Weg zur Entfernung/Zerstörung der besorgniserregenden Kontamination verhindern. Da Elektrizität durch jede Lithologie geleitet werden kann, die etwas Wasser enthält, kann ERH in jedem Bodentyp wirksam sein. Durch die Bildung von schwimmfähigen Dampfblasen während des Erhitzungsprozesses erzeugt ERH ein Trägergas, das die bedenkliche Kontamination nach oben und aus jedem Bodentyp transportiert. ERH ist nicht in der Lage, den Untergrund auszutrocknen. Damit der Untergrund Strom leiten kann, muss sich Wasser im Untergrund befinden. Die Leitfähigkeit hört auf, bevor der Untergrund ausgetrocknet ist.
ERH wird üblicherweise unter aktiven Gebäuden oder Produktionsstätten angewendet. Elektroden können innerhalb eines umzäunten Bereichs oberhalb oder unterhalb des Bodens installiert werden, um einen uneingeschränkten Oberflächenzugang zum Behandlungsbereich zu ermöglichen.
Obwohl es hauptsächlich für Bereiche mit Schadstoffquellen verwendet wird, kann ERH verwendet werden, um niedrige Sanierungsziele wie maximale Schadstoffgehalte ( MCLs ) für Trinkwasser zu erreichen.
Nach der ERH-Behandlung kühlen die erhöhten Temperaturen unter der Oberfläche langsam über einen Zeitraum von Monaten oder Jahren ab und kehren zur Umgebungstemperatur zurück. Dieser Zeitraum mit erhöhten Temperaturen ist ein wichtiger Teil des Sanierungsprozesses. Die erhöhten Temperaturen werden die Bioremediation , die Hydrolyse und die eisenreduzierende Dehalogenierung verbessern .

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