Afprøvning af ny elektrokemisk metode til oprensning af olieforurenet jord og grundvand

3. Den elektrokemiske metode

3.1 Teknik beskrivelse
3.2 Design

I dette kapitel gives en kort gennemgang af de kendte fysiske og kemiske processer som påvirkes ved påføring af en elektrisk jævnstrøm til en jordmatrice. De forhold som skal tages i betragtning er principielt de samme som ved anvendelse af de elektrokinetiske oprensningsmetoder som bl.a. er anvendt til oprensning af tungmetalforurenet jord, og som er velbeskrevet i litteraturen.

3.1 Teknik beskrivelse

Generelt er der ved de hidtidige gennemførte forsøgsprojekter i Danmark anvendt væsentligt lavere feltstyrke end der typisk anvendes ved elektrokinetiske oprensningsmetoder. Dette skyldes ifølge de entreprenører, der anvender metoden, at en række af de elektrokinetiske og kemiske effekter ved påføring af jævnstrøm til en jordmatrice enten ikke er ønskede eller er uden betydning for metodens effektivitet. Desuden er der en række sikkerhedsmæssige forskrifter ved anvendelsen af jævnstrøm in-situ, som skal være overholdt.

I det følgende gives en kort beskrivelse af de kendte processer, der vil forløbe ved påføring af en elektrisk jævnstrøm til en jordmatrice.

Ved påføring af et elektrisk jævnstrømsfelt til en jordmatrice, vil der på overfladen af elektroderne ske elektrolytiske processer. Processerne sker, som følge af elektronoverførslen mellem elektrodeoverfladerne og reaktanter i jordmatricen. Ved anoden vil oxidationsprocesser forløbe og ved katoden vil reduktionsprocesser forløbe. Umiddelbart kan nedenstående reaktioner forudses ved henholdsvis anode og katode.

Anode: Fe Þ Fe²⁺ + 2e^- (Korrosion af jernelektrode)

2H₂O Þ 4H⁺ + O₂ + 4e^-

Katode: Meⁿ⁺ +ne^- Þ Me(s) (Udfældning af metal ved katoden)

2H₂O +2e^- Þ 2OH^- + H₂(g)

Det fremgår af ovenstående, at der ved anoden vil ske en dannelse af H⁺-ioner ved anodisk oxidation af vandmolekyler og en frigivelse af Fe²⁺, hvilket bevirker en korrosion af anoden.

På katoden vil der ske en udfældning af metaller og en frigivelse af OH^- -ioner ved katodisk reduktion.

En række andre oxidations- og reduktionsprocesser kan endvidere forløbe, afhængigt af elektrodepotentialerne og aktiviteten af de involverede reaktanter i jordvæsken.

Det elektriske jævnstrømsfelt vil bevirke, at frie ioner i porevæsken vil bevæge sig mod den modsat ladede elektrode. Positivt ladede ioner som f.eks. brintioner og metal-ioner vil bevæge sig mod katoden. Hydroxid-ioner og andre negativt ladede ioner vil bevæge sig mod anoden.

Ionerne i jorden vil være mere eller mindre hydratiserede på grund af vandmolekylets dipolære opbygning. Tranport af ioner ved elektromigrationen vil derfor indirekte medføre en transport af vand, idet ionerne vil trække vand med sig. Denne resulterende vandtransport (elektroosmose) vil i stort set alle jorde bevæge sig mod katoden. Dette skyldes bl.a., at kationer typisk er væsentlig mere hydratiserede end anioner. Desuden er nettotransporten af positive ladninger større end nettotransporten af negative ladninger, hvilket skyldes at kationerne i det elektriske dobbeltlag er væsentlig mere mobile end de som oftest immobile negativt ladede jordpartikler.

Elektroforese er bevægelse af små ladede partikler i et elektrisk felt. I jord vil f.eks. små negativt ladede lerpartikler kunne flyttes i retning af anoden. Transporten vil dog være kraftigt begrænset af friktion mellem jordkornene og elektroforese må derfor forventes at være af mindre betydning i jordmiljøet.

Figur 3.1
Skematisk illustration af elektrokinetiske transportmekanismer. Frit efter /29/

3.2 Design

Dimensionsgivende parametre?

Der er som nævnt i kapitel 2 stor usikkerhed om hvilke kemiske eller biologiske processer forårsaget af det elektriske jævnstrømsfelt, der kan forklare en fjernelse af organiske forureningskomponenter. Der er således ingen tilfredsstillende dokumentation for hvilke parametre, der er styrende for den elektrokemiske metode.

Designet af de anvendte anlæg til elektrokemisk oprensning bygger således primært på in-situ entreprenørernes egne teorier og erfaringer fra foregående projekter.

I figur 3.2 er vist en principskitse af et in-situ anlæg til elektrokemisk oprensning.

Figur 3.2
Principskitse af et in-situ anlæg til elektrokemisk oprensning af olie- og benzinforurenet jord

Nøgletal

I tabel 3.1 er en række nøgletal vedrørende dimensionering af metoden angivet. Tabellen er udarbejdet på baggrund af oplysninger indhentet fra forsøgsprojekter udført med Oliebranchens Miljøpulje som bygherre.

Ved de gennemførte forsøgsprojekter i Danmark er der anvendt jernelektroder, i form af nedvibrerede jernspuns eller nedborede jernrør.

I en del af forsøgsprojekterne har entreprenøren valgt at ændre strømretningen, dels for at undgå en for kraftig korrosion af anoden, dels for at hindre at et evt. begyndende pH-fald ved anoden spreder sig ud i jordmatricen.