| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Elektrodialytisk rensning af jord fra træimprægneringsgrunde

7. Stort Pilotanlæg

7.1 Startkoncentrationer

Der blev udtaget 17 jordprøver fra jorden under påfyldningen af pilotanlægget, og der blev målt startkoncentrationer for kørslen i disse jordprøver, se figur 7.1. Det ses, at der er meget store koncentrationsforskelle mellem prøverne. Det ses endvidere, at forholdet mellem de tre elementer imellem de forskellige jordprøver er rimelig konstant.

Figur 7.1:
Startkoncentrationer af Cu, Cr og As i de 17 jordprøver, som blev udtaget ved påfyldning af jord i pilotanlægget.

Middelværdierne for de tre metaller var i de 17 jordprøver 2900 mg Cu/kg, 1580 mg Cr/kg og 3150 mg As/kg. I karret var der ca. 4 m³ jord, og med en massefylde på 1,6 ton/m³ svarer det til, at der er ca. 6,4 ton tørstof i karret. Beregnet ud fra middelværdierne var der således 18,5 kg Cu, 10 kg Cr og 20 kg As i pilotanlægget.

7.2 Beskrivelse af anlæg

Der er blevet fremstillet en container med de indvendige mål: 1,3 m bred, 4 m lang og 1,1 m dyb. Containeren er indvendig foret med et lag 2,5 mm polyester, således at containeren ikke i sig selv kan lede strøm.

I bunden af containeren blev der lagt et ca. 5 cm tykt lag af drængrus, som blev dækket af et lag geotextil, inden den forurenede jord blev fyldt i karret. I bunden af containeren var der lavet to huller til afløb. Ideen var at sørge for, at dette drænlag ikke var vandmættet, ved at tappe væske fra det med jævne mellemrum, således at den ammoniak som skulle penetrere ned gennem jorden kunne ledes bort gennem dette gruslag.

I hver side i længderetningen er der placeret 4 elektrodeenheder, 4 katodeenheder i den ene side og 4 anodeenheder i den anden. Elektrodeenhederne er konstrueret efter det samme princip som elektrodeenhederne i Megalabopstillingen, de er blot større. Enhederne i pilotanlægget er 1 m høje og 0,5 m brede. Katodeenhederne er lavet med dobbeltkammer, således at de har et opkoncentreringskammer yderst og et elektrodekammer inderst. Anodeenhederne er lavet med enkeltkammer. Foran hver af de yderste membraner, blev der placeret et stykke Geotextil for at beskytte membranen mod direkte påvirkning fra skarpe sten og lign.

Anlægget er placeret i en isoleret skibscontainer med ventilation. På figur 7.2 vises et billede af anlægget.

Figur 7.2:
Pilotanlæg med jord fra Dansk A-træ

Hvert elektrodekammer har et separat cirkulationssystem, hvor en pumpe pumper elektrolytten rundt. På figur 7.2 kan det ses, at dunkene til cirkulationsystemerne er samlet bag containeren. Der ses 6 dunke på billedet, hvoraf de meget blå er dunkene til katodeopkoncentreringskamre. Den blå farve stammer fra Cu, som er blevet fjernet fra jorden. Der er yderligere 6 dunke til anlægget, som ikke ses på billedet. Under kørslen har jorden været dækket over af en plasticmembran for at mindske ammoniakfordampningen.

7.3 Opstart

Den 20.01.00 blev der hentet jord til anlægget på Dansk A-træ i Allerød. Jorden blev sorteret med håndkraft for at skille alle metalliske dele fra før jorden blev fyldt i karret. Jorden blev jævnet efterhånden som den kom op i karret, og for ca. hver 20 cm blev den overhældt med koncentreret ammoniak. I alt blev der påfyldt 20 l koncentreret ammoniak.

Jorden blev påfyldt til en højde på ca. 85 cm. Jordvoluminet er således ca. 4 m³, når voluminet fra de 8 elektrodeenheder trækkes fra det totale volumen. Anlægget indeholder således ca. 6,5 ton tør jord, eller 7,8 tons jord med et vandindhold på 20%.

Den 25.01.00, hvor blev der tilført endnu 25 l koncentreret ammoniak. Denne gang ved at grave en række huller ned midt mellem elektroderne, og fylde dem med ammoniak. Der blev også hældt ammoniak ned langs elektroderne og i et smalt hulrum, som var bag ved elektroderne. Den 28.01.00 blev der igen hældt 15 l koncentreret ammoniak på jorden, og endelig blev den vandmættet med postevand.

Cirkulationssystemerne for elektroderne blev testet i samme periode, og alle elektrodeenheder var tætte. Der blev påfyldt 25 l vand og 2 l koncentreret ammoniak til hvert cirkulationssystem.

Hvert elektrodepar blev tilsluttet en separat strømforsyning. Strømmen bliv tændt i kortere intervaller i denne opstartsfase, og anlægget blev endeligt startet d. 25.01.00. Der blev startet med en lav strømstyrke, som gradvist blev sat op til 500 mA for hvert elektrodepar.

7.4 Driftsfase

Den første driftsfase for anlægget, som beskrives her, varede i perioden 25.01.00 til 25.07.00, dvs. i 6 måneder.

Hvert elektrodepar og jorden imellem, blev betragtet som en sektion. Hver enhed var således ca. 1 m bred og indeholdt ca.1 m³ jord, og de blev nummereret A, B, C og D. Selvfølgelig var hver enhed ikke totalt afgrænsede fra de øvrige, men denne inddeling af anlægget i muliggjorde forskellige deleksperimenter under pilotkørslen. Det blev besluttet, at sektion A skulle køre som referenceenhed, og her skulle der ikke testes nye ideer under kørslen. Sektion B kørte med en lavere strømstyrke. I jorden mellem elektroderne i sektion C og sektion D blev der efter ca. 3 mdr. placeret et kammer til tilledning af ammoniak. Elektrodeenhederne (se figur 6.2) i sektion D havde ionbyttermembraner fra et andet firma end de øvrige.

For at sammenligne ionbyttermembraner fra forskellige firmaer var der fra starten en elektrodeenhed (D), som havde ionbyttermembraner fra et andet firma (Ionics) end de øvrige (Membranes International). Ionics har større styrkeegenskaber og udvider sig meget lidt. Det viste sig efter ca. 2 måneders kørsel, at katodeenhed (D)var blevet utæt, og kort efter blev også katodeenhed (C) utæt. I (D) var membranen blevet presset ud fra rammen øverst, medens membranen var flækket langs kanten for (C). Det var derfor nødvendigt at skifte membraner i de to enheder, som måtte graves fri. I alt var elektrodepar C og D ude af drift i ca. 1 måned. Det blev vurderet, at elektrodeenhederne ikke var konstrueret stærke nok til at kunne holde til det tryk, som elektrolytten blev tilledt med, når trykket fra pumpen blev øget med det tryk, som kom fra, at dunkene stod højere end elektroddenhederne. Derfor blev cirkulationssystemet vendt, således at elektrolytterne nu suges ud af enhederne i stedet for. Dette system har kørt upåklageligt.

Strømstyrken var den første måned 300 mA i gennemsnit for alle fire elektrodepar. De sidste 5 måneder var strømstyrken 1 A for elektrodepar A og 0,5 A for de øvrige tre elektrodepar. Energiforbruget for de fire elektrodepar var: A) 48 kWh/ton, B) 34 kWh/ton, C) 30 kWh/ton og D) 25 kWh/ton.

Dunkene med elektrolytopløsninger fra katodeopkoncentreringskamrene blev skiftet, når Cu koncentrationen nåede ca. 1 g/L, dvs. der blev fjernet ca. 25 g Cu, hver gang, en dunk blev skiftet.

7.4.1 Sektion A

Sektion A var referenceenheden. Ved dette elektrodepar blev der efter ca. 1 uges kørsel gravet endnu et hul på ca. 50 cm hvori der blev påfyldt koncentreret ammoniak, inden hullet igen blev fyldt med jord. Ellers blev der kun udført rutiner som udskiftning af elektrolytvæske i katode-opkoncentreringskammer og anodekammer. Ammoniak blev tilledt fra oven og bag elektrodeenhederne i denne anlægsenhed. Sektionen kørte meget fint i de første 4 måneder, hvor der blev fjernet ca. 200 g Cu til katodeopkoncentreringskammeret. Herefter gik rensningshastigheden mærkbart ned i den efterfølgende måned, hvor der kun blev fjernet ca. 10 g Cu. Denne nedgang i effektivitet skyldes uden tvivl, at ammoniakken var opbrugt i de nederste jordlag i anlægget. Tilførslen af ammoniak hertil var begrænset til den mænge, som penetrerede ned gennem jorden efter påhældning på overfladen. Elektrolytvæsken i anodeenheden begyndte at svinde langsomt efter de første ca. 5 måneder, og til slut i perioden, var enheden så utæt, at den tømtes meget hurtigt. Anodeenheden må skiftes for at kunne fortsætte driften i sektion A.

Energiforbruget til elektrodepar A har været ca. 92 kWh, dvs. 48 kWh/ton jord ved et vandindhold på 20%. Der er ca. fjernet 4 g Cu/kWh, og hvis det var et gennemsnit, som kunne holdes til rensningen Cu koncentrationen i jorden var 500 mg/kg, ville det svare til et energiforbrug på 602 kWh/ton.

Der blev udtaget jordprøver i to dybder (10 cm og 35 cm) i sektion A. I hver dybde blev der udtaget tre prøver i hver linie parallelt med elektrodeenhederne. Prøverne fra samme afstand i samme højde blev sammenblandet før de blev analyseret. På figur 7.3 ses koncentrationsprofilerne for Cu i de to dybder. På figur 7.4 ses koncentrationsprofilerne for As i 10 cm dybde.

Figur7.3:
Cu koncentrationsprofiler i jorden mellem elektrodepar A i to dybder. Middelstartkoncentrationen, mindste målte startkoncentration og højeste målte startkoncentration er indtegnet.

Det er kun i jordprøverne nærmest anoden, at Cu koncentrationen i sektionen er under den gennemsnitlige startværdi for jorden i karret. Koncentrationsprofilerne i de to dybder er påfaldende ens. Den laveste koncentration er fundet ved anodeenheden, som jo passer fint med, at Cu fjernes mod katoden. Begge profiler viser en hulning i koncentrationsniveauet midt mellem elektroderne. Dette kan evt. høre sammen med, at Cu er fjernet i større mængde her pga. den meget bedre ammoniakiblanding på stedet.

Figur 7.4 viser As koncentrationerne i de samme prøver:

Figur 7.4:
As koncentrationer mellem elektrodepar A i to dybder efter 6 mdrs. kørsel. Middel, min og max koncentrationer for hele karret er vist.

Det ses af figur 7.4, at de As-koncentrationer, som er målt i jordprofilene alle ligger omkring 7000 mg/kg, og det er betydelig mere, end den middelstartværdi, som blev målt. Heldigvis ses der et, for de to dybder entydigt, fald i As koncentration ved katodeenden og i forhold til resten af jordprofilet.Koncentrationen er her ca. halvdelen af hvad den er i det øvrige profil.

For Cr var de målte koncentrationer i de to dybder påfaldende ens, når det tages i betragtning, hvor stor variation der var på startkoncentrationerne, idet koncentrationerne efter 6 mdrs. kørsel alle lå mellem 2100 og 2600 mg/kg,.

7.4.2 Sektion B

Den første måned var der en høj spændingsforskel mellem elektroderne i forhold til de øvrige sektioner ved en strømstyrke, som var den samme. Det betyder at modstanden i sektion B var høj sammenlignet med de tre andre sektioner. Årsagen blev aldrig fundet, men efter den første måned begyndte modstanden langsomt at falde, og de sidste 4 måneder lå modstanden i niveau med de øvrige elektrodepar. Cu fjernelsen var også dårligst for elektrodepar B. Her blev der kun fjernet ca. 35 g Cu ud til katodeopkoncentreringskammeret, og af disse blev der fjernet under 5 g Cu i løbet af de første 2 måneder. Der blev udtaget prøver i 10 cm´s dybde i jorden mellem enhederne, og profilerne for Cu, Cr og As ses på figur 7.5.

Figur 7.5:
Cu, Cr og As koncentrationer i jorden mellem elektrodepar B efter 6 mdr.

Som for elektrodepar A er den laveste koncentration for Cu fundet ved anoden, og den laveste As-koncentration blev fundet ved katoden. Cr-niveauet igen forholdsvis konstant.

7.4.3 Sektion C

Katodeenheden blev som nævnt allerede utæt efter 2 måneders kørsel og måtte graves op. Dette indebar, at jorden fra katodeenheden og halvvejs ind mod anoden blev gravet væk for at få elektroden op.

Figur 7.6:
Cu, Cr og As koncentrationsprofiler i jorden mellem elektrodepar C

Der er ingen tydelig profildannelse for hverken Cu, As eller Cr mellem elektrodepar C, se figur 7.6. Det skal her erindres, at jorden fra midten af karret og ud til katoden blev opblandet Den øverste del af jorden fra midten og ud mod anoden blev tillige berørt af udgravninger da kammeret til ammoniaktilledning blev gravet ned. Selv om anlægget har kørt ca. 3 mdr. med dette kammer, kan det ikke ses på profilet, men det kan hænge sammen med, at jordprøverne blev taget i 10 cm dybde, det kan være, at det er anderledes i længere nede i jorden.

I alt blev der fjernet ca. 95 g Cu til katodeopkoncentreringskammer C. Da elektrodeenheden blev gravet fri var der udfældet Cu i bunden af enheden og på katoden. Disse udfældninger var ca. 10 g Cu, og forinden utætheden havde der sandsynligvis været mere Cu i enheden.

7.4.4 Sektion D

Figur 7.7:
Cu, Cr og As koncentrationsprofiler i jorden mellem elektrodepar D

På samme måde, som jorden mellem elektrodepar C blev gravet fri, blev også jorden mellem elektrodepar D berørt. Og for elektrodepar D var der, som det ses på figur 7.7, heller ikke tale om tydelige profildannelser.Til
katodeopkoncentreringskammer D blev der fjernet ca. 90 g Cu. I enheden var der udfældet ca. 4 g Cu da den blev gravet fri efter 2 mdrs. kørsel.

7.5 Sammenligning af de 4 sektioner

Der tegner sig et generelt billede af, at koncentrationerne i jorden efter første kørselsperiode i pilotanlægget generelt er højere end middelstartkoncentrationerne, som blev fundet ved kørslens start. Startprøverne har således ikke været repræsentative for jordpartiet.

Elektrodepar A var det elektrodepar, hvorigennem der blev sendt den største strømmængde, idet der her blev benyttet en strømstyrke på 1 A mod 0,5 A for de øvrige elektrodeenheder. Energiforbruget for elektrodepar A var som følge af den højere strømstyrke også det højeste på 48 kWh/ton jord, hvor de øvrige elektrodepar lå på 25 til 34 kWh/t. Det var da også for elektrodepar A, hvor den klart største mængde af Cu blev fjernet: 210 g Cu mod kun 35 g Cu for elektrodepar B. Elektrodepar C og D kørte forholdsvis ens, og var begge gravet fri efter ca. 2 mdrs. Kørsel. For disse to elektrodepar var den fjernede Cu mængde henholdsvis 90 og 96 g Cu. Det vurderes at den forskel i den fjernede Cu mængde, der er mellem elektrodepar A og de øverige, skyldes den højere strømstyrke.

For de to elektrodepar A og B, som kørte uden jorden blev gravet ud mellem dem i de 6 mdr. kunne ses tydelige tegn på, at As koncentrationen ved katoderne var ca. halvdelen af, hvad den var i resten af profilet mellem de to elektrodepar, så As var blevet mobiliseret og fjernet fra anodeenden af jorden.

Der blev ikke fjernet Cr fra jorden. Der er ingen tydelig profildannelse, som det var tilfældet med As og Cu, og der blev ikke fundet Cr i nogen af elektrodeenhederne.

7.6 Forbedringer af anlæg til næste driftsfase

Ammoniak blev valgt som additiv til pilotkørslen med Dansk A-træ/Allerød. Resultaterne fra pilotanlægget og den laboratoriefase, som blev udført samtidig på jorden, viste desværre, at ammoniak ikke kunne mobilisere Cr i jord fra Dansk A-træ/Allerød.

I laboratoriet blev der testet forskellige andre additiver, og det blev fundet, at ammoniumcitrat var et meget lovende additiv, idet det kunne mobilisere alle tre elementer samtidig, se bilag E. Nu forestår der en undersøgelse i laboratorieskala, som skal vise hvilken koncentration og pH værdi ammoniumcitrat skal have for at rensningsprocessen forløber bedst. Ammoniumcitrat vil sandsynligvis blive additivet til rensningen i næste fase i pilotanlægget.

Siden pilotanlægget blev designet er der gjort mange erfaringer med f.eks. Megalab opstillingen og laboratorieeksperimenter, som har gjort, at der nu er planlagt en række anlægsforbedringer, inden pilotanlæggets næste fase.

For det første er 1,1 meter for langt for ionerne at elektromigrere, idet rensningsprocessen vil tage alt for lang tid, når tungmetallerne skal flyttes over så lang afstand. Derfor er det hensigtsmæssigt at afkorte afstanden ved at placere opsamlingsenheder til tungmetallerne i jorden mellem elektroderne. Det er planen, at der skal indsættes to opsamlingsenheder mellem hvert elektrodepar, således at den afstand, som ionerne skal bevæge sig over kun er ca. 30 cm. Membranernes holdbarhed i ammoniaksystemet er tilsyneladende kun ca. 6-7mdr. på baggrund af de utætheder, som blev fundet for Megalabenhederne efter dette tidsrum. Hvis afstanden nedsættes til 30 cm, er det muligt, at rensningstiden kan gøres så lav, at en udskiftning af membraner under processen ikke er nødvendig.

Strømtætheden i anlægget kan også med fordel øges. Dette kan ses dels af, at elektrodepar A, hvor strømtætheden var dobbelt så høj som for de øvrige elektroder, også var det sted hvor rensningen gik langt bedst. Sammenlignes strømstyrken i Megalabanlægget og i pilotanlægget ses det, at de var i sammen niveau på trods af at tværsnitsarealet i pilotanlægget var meget større. Det betyder at strømtætheden (A/m²) i pilotanlægget var lav i forhold til megalabanlægget, og det burde være muligt, at øge strømstyrken i pilotanlægget så strømtætheden kommer op på den samme som i megalabanlægget, dvs.til ca. 2-3 A pr. elektrodepar, hvorved processen sandsynligvis ville forløbe tilsvarende hurtigere.