Remediación electrocinética - Electrokinetic remediation
La remediación electrocinética , también denominada electrocinética , es una técnica que utiliza corriente eléctrica directa para eliminar partículas orgánicas, inorgánicas y de metales pesados del suelo mediante potencial eléctrico . El uso de esta técnica proporciona un enfoque con una perturbación mínima de la superficie mientras se tratan los contaminantes del subsuelo .
Componentes del sistema
Un sitio de remediación electrocinética básica contiene una fuente de corriente continua externa , un electrodo cargado positivamente (o ánodo ) y un electrodo cargado negativamente (o cátodo ) colocado en el suelo. La colocación de los electrodos se basa en el tamaño y la forma de las columnas de contaminantes conocidas. La eliminación de contaminantes y la prevención de la migración de la pluma son grandes influencias para determinar la disposición de los electrodos. Cada electrodo está encerrado en un depósito en el que se puede inyectar una solución electrolítica . Las soluciones electrolíticas sirven tanto como medio conductor (o fluido de poros) como como medio para extraer contaminantes e introducir sustancias químicas o entidades biológicas. Otro uso de la solución electrolítica es para el control y / o despolarización de reacciones de electrodos. Sumergidos en una solución, los electrodos pueden resultar en oxidación en el sitio del ánodo y la reducción en el sitio catódico. La oxidación y formación de un frente ácido son subproductos del proceso y causan un grado variable de influencia en el sistema. Al bombear, procesar y probar la solución electrolítica en cada sitio de electrodo, puede prolongar la vida útil y la eficiencia del sistema.
Método
Cuando se aplica corriente, por la fuente de energía directa, a los electrodos, se producen migraciones debajo de la superficie del suelo . Aunque muchos tipos de migraciones ocurren en conjunto con la corriente, hay dos migraciones impulsoras dentro de la electrocinética; migración iónica y electroforesis . Cuando la solución electrolítica se inyecta dentro del suelo, parte de la solución iónica forma una doble capa difusa con suciedad y contaminantes. Esta doble capa difundida ayudará en la deriva iónica que se producirá a medida que la corriente atraviese el suelo y el líquido circundante; este proceso se denomina electroósmosis . El espesor de la doble capa difundida es función de la composición iónica de la solución a granel y la densidad de carga promedio de los productos de hidratación . A medida que aumenta la concentración de electrolito, disminuye el espesor de la doble capa difusa. La electroforesis es el flujo de masa de partículas cargadas bajo un campo eléctrico . Ambos procesos funcionan al mismo tiempo pero a contracorriente. Las partículas cargadas son impulsadas por un flujo de electroforesis desde el cátodo al ánodo mientras que la solución electrolítica fluye desde el ánodo al cátodo. De los dos procesos principales, la electroforesis (o electromigración) es más dominante que la electroósmosis. La electroforesis sirve como factor impulsor que induce el flujo de electroósmosis en la dirección opuesta. La electromigración también sirve como componente principal para la eliminación de contaminantes iónicos. Para que se produzca la electromigración, el material absorbido debe disolverse a una forma iónica, ya sean metales, partículas orgánicas o inorgánicas. El flujo electroosmótico entre los electrodos promueve el desarrollo de un entorno de pH bajo en el suelo. Este entorno de pH bajo impide que los contaminantes metálicos se absorban en las superficies de las partículas del suelo, lo que ayuda a la formación de compuestos que hacen posible la electrocinética. Con este pensamiento es posible acidificar el suelo e inducir la liberación de metales pesados absorbidos.
Aplicaciones
La remediación electrocinética se aplica a muchos contaminantes que pueden disolverse en el agua subterránea . Los metales pesados son uno de los principales contaminantes que se eliminan mediante el proceso electrocinético. Algunos metales como el cadmio (II) pueden eliminarse con grandes consecuencias en el gasto energético. El cromo (III) se puede eliminar pero con baja eficiencia debido a la facilidad de hidrólisis que le permite absorber otras sustancias. El cromo (IV) también es un candidato para la eliminación electrocinética, aunque la migración del cromo (IV) se retarda en presencia de azufre porque se descompondrá en cromo (III). Otras especies de metales pesados que se prueban y se informa que son tratables incluyen; mercurio , zinc , hierro , plomo , cobre y magnesio .
La electrocinética también es posible con metales alcalinos y alcalinotérreos que viajan más rápido en la mayoría de los medios que los metales pesados. En pruebas entre 20 y 30 voltios, se sabía que los metales alcalinos se movían entre 50 y 60 cm por día por voltios, mientras que los metales pesados se movían a velocidades entre 10 y 20 cm por día por voltios. Es posible que esta diferencia se deba a la lenta desorción y disolución de los metales pesados. La electrocinética también se puede utilizar para tratar compuestos orgánicos polares ( fenol y ácido acético ) y radionucleótidos ( radio ), aniones tóxicos (nitratos y sulfatos), líquidos densos en fase no acuosa (DNAPL), cianuro , hidrocarburos de petróleo (combustible diesel, gasolina , queroseno y aceites lubricantes), contaminantes halogenados, explosivos, hidrocarburos aromáticos halogenados y polinucleares.
Ventajas
Una de las ventajas de la electrocinética es que la remediación se puede realizar in situ (dentro del sitio de remediación) para tratar contaminantes en zonas de baja permeabilidad para superar la accesibilidad de contaminantes o la administración del tratamiento. La remediación también puede ocurrir ex situ (removida del sitio natural) para que los contaminantes sean analizados y tratados en un laboratorio . Esta versatilidad de la ubicación del tratamiento puede resultar muy rentable. La electrocinética tiene la ventaja de su uso en suelos saturados o insaturados debido a la inserción de fluido poroso. La remediación también puede ocurrir a pesar de las estratificaciones u homogeneidad del suelo . Para suelos de baja permeabilidad como caolita y arenas arcillosas, es posible eliminar hasta el 90% de los contaminantes de metales pesados. En muchos casos, se debe realizar un pretratamiento del suelo para determinar las condiciones adecuadas de trabajo del suelo.
Una cosa a tener en cuenta es que el perfil de potencial en los suelos se puede determinar mediante la distribución iónica del fluido de los poros. Debido a que la distribución de iones afecta la eficiencia del sistema electrocinético, ingenieros como John Dzenitis han realizado un estudio exhaustivo para encontrar reacciones clave alrededor de los electrodos que se pueden usar para crear modelos para la predicción del caudal iónico. Luego, estos modelos pueden interpretarse para determinar si la remediación electrocinética es la mejor opción para un sitio determinado.
Limitaciones
Una limitación importante de la electrocinética es la introducción de un fluido externo en el suelo. Si el contaminante no se puede disolver, no es posible extraer el contaminante de interés. La electrólisis cerca de los electrodos puede alterar el pH del suelo, especialmente si la corriente se induce durante un período de tiempo prolongado. El uso prolongado del sistema electrocinético también puede causar condiciones ácidas alrededor de los electrodos que a veces reaccionan con contaminantes. Si el aumento de la acidificación del suelo no es ambientalmente aceptable, se debe reevaluar el uso de electrocinética. Los grandes objetos metálicos que están enterrados bajo tierra también suponen una limitación para los electrodos porque ofrecen un camino para cortocircuitar el sistema. Los objetos metálicos enterrados también pueden cambiar el gradiente de voltaje y disminuir o detener el flujo. La eliminación de compuestos orgánicos volátiles de los suelos puede aumentar la concentración de vapor del suelo. Contrariamente a la intuición, los suelos altamente permeables reducen la eficiencia de la electrocinética. Donde un suelo de baja permeabilidad como la arcilla puede recibir hasta un 90% de eliminación inicial de contaminantes, un suelo de baja permeabilidad como la turba logra aproximadamente un 65% de eliminación de los contaminantes iniciales.
Otra limitación importante del proceso electrocinético es la disminución del potencial eléctrico del sistema. Los diferentes efectos de polarización pueden disminuir el funcionamiento del sistema. Por ejemplo: La polarización de activación puede ocurrir durante el proceso de remediación electrocinética eliminando las burbujas de gas que se forman en la superficie de los electrodos durante la conductividad. La polarización por resistencia puede ocurrir después de que el proceso de remediación electrocinética ha comenzado. Se puede observar una capa blanca. Al igual que en las manchas de agua dura, esta capa puede ser la sal insoluble y otras impurezas que inhiben la conductividad. La polarización de la concentración ocurre cuando los iones de hidrógeno generados en el ánodo son atraídos por el cátodo y los iones de hidróxido generados en el cátodo son atraídos por el ánodo. Si ocurre la neutralización, el potencial entre el sistema cae. El aplanamiento local del perfil de potencial eléctrico también puede causar la diferencia en la migración.
Estudios de caso
En muchos casos, el estudio de incidencias en sitios específicos con remediación electrocinética puede conducir a nuevos avances en la tecnología. Muchas veces, la remediación electrocinética se combinará con otras formas de remediación para manejar problemas específicos del sitio. En una perseveración de madera danesa, el cobre era un metal pesado que contaminaba el suelo de dos formas; solución iónica con diferentes complejos dentro del suelo o una red cristalina de minerales del suelo. Para este sitio , el pH del suelo fue un parámetro de gran importancia debido a una mayor cantidad de cobre presente como solución iónica. Creando barreras activas o membranas de intercambio que evitan que los iones viajen desde el compartimento del electrodo al suelo. La separación del suelo del electrodo está diseñada para disuadir la acidificación del cátodo y la pérdida de corriente a medida que los iones altamente móviles pasan del sitio del electrodo a través del suelo.
En 1995, en el sitio de Paducah, en Kentucky, EE. UU., Se desarrolló una nueva técnica para eliminar metales pesados de los suelos. Llamado Proceso de Lasaña, es simplemente la creación de varias zonas permeables horizontales que se utilizan para proporcionar tratamiento a través de la matriz del suelo contaminado mediante la adición de diferentes aditivos a la solución electrolítica. Las mezclas como sorbentes, reactivos catalíticos, soluciones tampón, agentes oxidantes en este sistema se aplican a través de un sistema vertical con el ánodo cerca de la parte inferior y el cátodo cerca de la parte superior. La orientación del sistema de ánodo y cátodo vertical facilita el reciclaje del fluido y el tratamiento del sistema. La formación de las capas de lasaña se debe a la fractura en arcillas sobreconsolidadas debido a los electrodos horizontales. El acoplamiento de los electrodos horizontales con un sistema de presión vertical hace que este método sea especialmente eficaz para eliminar los contaminantes de las capas más profundas del suelo. La primera prueba de este proceso demostró una eficacia del 98% para eliminar el tricloroetileno del sitio de Paducah. La remediación electrocinética también es adecuada para su uso en sitios con contaminación radiactiva.