전기저항난방

Electrical resistance heating

전기저항난방(ERH)은 교류전기의 흐름을 이용해 토양과 지하수를 가열하고 오염물질을 증발시키는 현장환경개선법이다.[1] 전류가 지표면 아래 전극 요소들 사이에서 목표 토양량을 통과한다. 토양에 존재하는 전기적 흐름에 대한 저항은 열 형성을 야기한다; 그 결과 깊이에 있는 물의 끓는점에 도달할 때까지 온도가 상승한다. 이 온도에 도달한 후 추가 에너지 입력은 위상 변화를 일으켜 증기를 형성하고 휘발성 오염물질을 제거한다. ERH는 일반적으로 오염원 영역을 처리하는 데 사용할 때 더 비용 효율적이다.

전기의 마찰로 인해 철사가 켜져 있는 금속이 특정 열까지 예열될 수 있다.

기술

전기저항난방은 오염된 토양과 지하수의 교정조치에 환경복원업계가 사용한다. ERH는 지상에 전극을 건설하고, 전극에 교류(AC) 전기를 가하여 오염물질의 증발을 촉진하는 온도에 지하를 가열하는 것으로 구성된다. 휘발성 오염물은 지표면 아래 증기 회수 시스템에 의해 포획되어 회수된 공기와 증기와 함께 표면으로 전달된다. 토양증기추출과 마찬가지로 공기, 증기 및 휘발성 오염물질은 표면에서 처리되어 물, 공기, 오염물질을 분리한다. 다양한 하천에 대한 처리는 현지 법규와 오염물질의 양에 따라 달라진다.

일부 낮은 변동성 유기 오염물질은 반감기가 짧다. 이와 같은 오염물질의 경우(예: 1,1,2,2-테트라클로로에탄1,1,1-트리클로로에탄) 가수분해가 교정조치의 주요 형태가 될 수 있다. 표면 아래가 가열될 때 오염물질의 가수 분해 반감기아르헤니우스 방정식에 의해 설명된다. 이것은 오염물질의 급속한 저하를 초래한다. 가수 분해 부산물은 기존의 ERH에 의해 교정될 수 있지만, 일차 오염물질의 질량의 대부분은 복구되지 않고 오히려 부산물로 분해된다.

ERH에는 주로 3상 및 6상 두 가지 전기 부하 배치가 있다. 3상 가열은 반복되는 삼각형 또는 델타 패턴의 전극으로 구성된다. 인접한 전극은 다른 전기 위상이기 때문에 그림 1과 같이 전극 간에 전기가 흐른다. 오염된 부위는 녹색 모양으로, 전극은 번호 동그라미로 표시된다.

그림 1. 일반적인 3상 ERH 배열

6상 가열은 6각형 패턴의 6개의 전극으로 구성되며, 배열판의 중앙에 중성 전극이 있다. 6상 배열은 아래 그림 2에 파란색으로 윤곽이 그려져 있다. 다시 한번 오염된 부분은 녹색 모양으로, 전극은 번호가 매겨진 원으로 표시된다. 6상 가열 패턴에서는 서로 옆에 있는 단계에 따라 핫 스팟과 콜드 스팟이 있을 수 있다. 이러한 이유로, 6상 난방은 일반적으로 지름이 65피트 미만인 작은 원형 영역에 가장 효과적이다.

그림 2. 일반적인 6상 ERH 배열

ERH는 일반적으로 휘발성 유기화합물(VOCs)에 가장 효과적이다. 염소화 화합물인 페르클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 시스(cis- 또는 trans-1,2-dichloroethylene)는 ERH로 쉽게 교정할 수 있는 오염물질이다. 표에는 각 비등점과 함께 ERH로 교정할 수 있는 오염물질이 나와 있다. 자일렌이나 디젤과 같은 덜 휘발성 오염물질도 ERH로 교정할 수 있지만 변동성이 감소함에 따라 에너지 요구사항이 증가한다.

ERH로 교정할 수 있는 화합물 목록
케미컬 분자량(g) 비등점(°C)
1,1,1-트리클로로에탄 133.4 74
1,1,2-트리클로로에탄 133.4 114
1,1-로로에탄 99 57
1,1-오클로로테네 97 32
1,2-로로에탄 99 84
1,2-로프로판 167.9 97
벤젠 78.1 80
사염화탄소 153.8 77
클로로벤젠 112.6 132
클로로포름 119.4 62
cis-1,2-로로에틸렌 97 60
디브로모에탄 187.9 132
에틸벤젠 106.2 136
1,1,2-트리클로로-1,2,2-트리플루오로에탄 187.4 48
가솔린 100 100
염화 메틸렌/염화물로메탄 84.9 41
4-메틸-2-펜타논/메틸 이소부틸케톤 100.2 117
2-메톡시-2-메틸프로판/메틸 테르트부틸에테르 88.1 55
페르클로로에틸렌 165.8 121
트리클로로에테인 131.5 87
테르트 부틸 알코올 74.1 83
톨루엔 92.1 111
Trans-1,2-Alsloroeteene. 97 48
염화 비닐 62.5 -14
자일렌 106.2 140

전극 간격과 작동 시간을 조정하여 전체 교정 비용과 원하는 청소 시간의 균형을 맞출 수 있다. 일반적인 교정조치는 15~20피트 간격으로 작동되는 전극과 보통 1년 미만의 작동 시간으로 구성될 수 있다. ERH 교정조치 시스템의 설계 및 비용은 주로 처리할 토양/지하수의 양, 오염 유형 및 처리 목표 등 여러 요인에 따라 달라진다. 대상 화합물의 물리적 및 화학적 특성은 대부분의 기존 방법보다 열선내장 교정조치가 유리하도록 하는 법률에 의해 관리된다. 지표면 아래를 가열하고 오염물질을 용적시키는 데 필요한 전기 에너지 사용량은 전체 교정조치 비용의 5~40%를 차지할 수 있다.

ERH 교정조치는 몇 가지 법률이 있다. 달튼의 법칙은 비교적 용해되지 않는 오염물질의 끓는점을 지배한다. 라울트의 법칙은 상호 수용성 공동 오염물질의 비등점을 지배하고 헨리의 법칙은 액체 단계의 오염물질에 대한 증기 단계의 오염물질의 비율을 지배한다.

달튼의 법칙

상호불용성 화합물의 경우, 달튼의 법칙에 따르면 비 수용성 위상 액체(NAPL)의 부분 압력은 그 증기 압력과 같으며, 물과 접촉하는 NAPL은 물의 증기 압력과 VOC의 증기 압력이 주변 압력과 같을 때 끓어 오른다. VOC-스팀 거품이 형성되면 거품의 구성은 합성물의 각각의 증기 압력에 비례한다.

라울트의 법칙

상호 수용성 화합물의 경우, 라울트의 법칙에 따르면 화합물의 부분 압력은 증기 압력에 몰 분율을 곱한 값과 같다. 이것은 상호 수용성 오염물질이 단지 하나의 화합물만 존재하는 경우보다 더 느리게 발화한다는 것을 의미한다.

헨리의 법칙

헨리의 법칙은 화합물이 증기 단계에서 공기와 결합하거나 물에 녹는 경향을 묘사하고 있다. 때로는 계수라고 불리기도 하는 헨리의 법칙 상수는 각 화합물에 특유하며 시스템 온도에 따라 달라진다. 상수는 응축기를 빠져나올 때 증기 위상(또는 액체 위상으로 전달)에 잔류할 오염물질의 양을 예측하는 데 사용된다.

ERH의 최근 혁신

지난 5년간 상당한 ERH 기술 발전이 있었다. 세 가지 중점 분야는 암반 교정조치, 1,4-다이옥산 및 기타 새로이 출현하는 오염물질, 저온 열을 제어하여 다른 교정 또는 자연 과정을 강화했다.

베드록 트리트먼트

ERH는 바도세 구역과 포화 구역의 비연결 토양 치료에 15년 이상 사용되어 왔다. 최근의 진보와 결과는 ERH가 암반에 효과적인 치료 방법이 될 수 있다는 것을 보여준다. ERH 현장에서 1차 전류 경로는 토양이나 암석 입자에 바로 인접한 물의 얇은 층에 있다. 모공 부피의 물로 거의 전류가 흐르지 않는다. 전기 전도성을 지배하는 것은 모공액이 아니라 전기 전도성을 지배하는 것은 곡물 습윤액이다. 퇴적암은 일반적으로 전류 흐름에 필요한 얇은 물층을 가지고 있다. 이는 ERH가 퇴적 암반 치료에 효과적으로 사용될 수 있음을 의미하며, 일반적으로 1차 다공성이 유의하다.

1,4-다이옥산

1,4-다이옥산은 최근 우려되는 오염물질이다. 1,4-dioxane에 대한 규제 기준은 이 오염 물질에 대해 더 많은 것을 알게 되면서 지속적으로 변화하고 있다. 1,4-dioxane은 물에서 용해성이 높고 Henry's Law 상수가 낮아 교정조치와 관련된 복잡한 문제를 제시한다. 주변 조건에서 1,4-dioxane의 물리적 특성은 공기 박리가 효율적인 처리 메커니즘이 아님을 나타낸다. 최근의 ERH 교정조치 결과는 ERH가 치료에 유리한 조건을 조성한다는 것을 보여준다. ERH 교정조치는 역사적으로 1,4-dioxane에 대해 조사되지 않았던 증기 박리를 포함한다. ERH 현장에서는 증기 박리가 1,4-디옥산을 증기 단계로 효과적으로 전달하여 후속 처리를 하는 것으로 관찰되었다. 지하수 내 1,4-디옥산 농도의 99.8% 감소(또는 그 이상)가 최근 ERH 교정조치에 대해 문서화되었다. 위의 등급 처리 스트림을 모니터링하면 지표면에서 제거 후 증기 스트림에 1,4-다이옥산 중 95%가 남아 있는 것으로 나타난다. 게다가, 세밀한 활성탄은 효과적인 1,4-다이옥산 증기 처리 방법임이 입증되었다.

제어식 저온난방

볼륨 조절은 대부분의 ERH 사이트에서 1차 제거 메커니즘이다. 그러나 ERH는 플룸 처리 비용을 줄이기 위해 자연적으로 발생하는 일부 다른 프로세스를 개선하는 데도 사용될 수 있다. ERH는 증기 박리가 수반되지 않는 교정조치 프로세스가 있는 프로젝트를 위해 제어된 저온 난방을 제공하는 데 사용될 수 있다. "저온난방"이란 물의 비등점 이하인 지표하온을 목표로 하는 것을 말한다. 저온 ERH의 예로는 열 강화 생물 거식화, 용해 가스 용해성 이상의 온도로 표면 아래를 가열하여 VOC 박토(가장 두드러진 이산화탄소 배출), 상황 화학 산화(특히 페르황산 활성화의 경우), 열 강화 감소(철분 등) 등이 있다.yesed reactions). 또한 ERH 저온 가열은 가수 분해 중에 방출된 염산이 지표면 아래 탄산수 및 중탄산염과 추가로 반응하여 VOCs 지표면 박리를 위한 이산화탄소를 생성하는 저온에서 염소 처리 알칸을 현장에서 가수 분해하는 데 사용될 수 있다.

저온 가열과 생물 매개, 화학적 산화 또는 염화소화를 함께 사용하면 반응률이 증가한다. 이는 주변 온도에서의 교정조치에 비해 이러한 교정조치 프로세스에 필요한 시간을 크게 줄일 수 있다. 또한, 저온 옵션은 비등 온도에 도달하지 못하기 때문에 회복된 증기에 대해 위의 등급 처리 시스템을 사용할 필요가 없다. 이는 등급 이상의 기반시설은 줄이고 전체 비용은 낮다는 것을 의미한다.

열이 다상 추출과 결합되면 온도가 상승하면 회수 유체의 점도와 표면 장력이 감소하여 제거가 빠르고 쉬워진다. 이는 오일 회수율을 높이기 위한 ERH 개발의 원래 목적이다(위의 § 히스토리 참조).

약점

  • ERH의 약점은 소규모 현장의 열 손실을 포함한다. 표면적이 크지만 깊이와 관련하여 얇은 처리 용량은 상당한 열 손실을 가져 ERH의 효율성이 떨어질 것이다. 효율적인 ERH 교정조치의 최소 처리 간격은 약 10 수직 피트다.
  • 기름이나 그리스와 같은 공동 오염 물질은 교정 조치를 더 어렵게 만든다. 기름과 기름은 오염물질을 제거하는데 더 많은 에너지가 필요한 라울트의 법칙 효과를 일으킨다.
  • 표면 아래 피트나 높은 유기 탄소는 반 데르 발스 힘 때문에 VOCs를 우선적으로 흡착한다. 이러한 우선 흡착은 지하에서 VOCs를 제거하는 데 필요한 에너지 양을 증가시킬 것이다.
  • 연료 부지는 다른 저비용 교정조치 기술을 이용할 수 있고 연료 부지는 대개 얇기 때문에(결과적으로 상당한 열 손실이 발생하기 때문에) ERH에 의해 덜 일반적으로 처리된다.
  • 금속 파편이 전류 경로를 왜곡할 수 있기 때문에 매립지 내 현장도 난항을 겪고 있다. ERH는 자연 토양이나 암석에서는 더 균일하다.

  • ERH는 모든 토양 유형과 퇴적암에 적응할 수 있다. ERH는 또한 바도세 구역과 포화 구역 모두에서 효과적이다. 특정 석판은 우려의 오염에 대한 신뢰할 수 있는 제거/파괴 경로를 방지함으로써 전통적인 교정조치 방법을 제한할 수 있다. 전기는 물을 포함하고 있는 어떤 석판학으로도 이동할 수 있고 이동하기 때문에 ERH는 어떤 토양 유형에서도 효과적일 수 있다. 가열 과정 중에 부력 증기 거품을 형성함으로써 ERH는 우려의 오염을 어떤 토양 유형에서든 위와 밖으로 운반하는 운반 가스를 생성한다. ERH는 지표면을 건조시킬 수 없다. 지하에서 전기를 전도하려면 지하에 물이 있어야 한다. 전도성은 표면이 건조되기 전에 정지한다.
  • ERH는 일반적으로 활성 건물이나 제조 시설에서 적용된다. 전극은 울타리가 쳐진 영역 내에서 또는 치료 영역에 대한 무제한 표면 접근을 허용하기 위해 등급 위 또는 등급 이하에 설치될 수 있다.
  • 주로 오염원 지역에 사용되지만 ERH는 음용수에 대한 최대 오염원 수준 MCL과 같은 낮은 교정 목표를 달성하기 위해 사용될 수 있다.
  • ERH 치료 후 지표면 아래 온도가 상승하면 수개월 또는 수년에 걸쳐 서서히 냉각되어 주변으로 되돌아간다. 온도가 상승하는 이 기간은 교정조치 프로세스의 중요한 부분이다. 상승된 온도는 생물 매개화, 가수 분해 및 철 환원 탈할로화를 향상시킬 것이다.

참조

  1. ^ 파월, 토마스 외 "전기저항 난방을 이용한 상황치료의 새로운 발전." 교정조치 저널 17.2(2007): 51-70.

외부 링크