التسخين بالمقاومة الكهربائية

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

التسخين بالمقاومة الكهربائية ( ERH ) هو أسلوب مكثف لمعالجة التلوث البيئي في الموقع ، يستخدم تيارًا كهربائيًا متناوبًا لتسخين التربة والمياه الجوفية وتبخير الملوثات. [ 1 ] يمر التيار الكهربائي عبر حجم محدد من التربة بين أقطاب كهربائية تحت سطح الأرض. وتؤدي مقاومة التربة لتدفق التيار الكهربائي إلى توليد الحرارة، مما ينتج عنه ارتفاع في درجة الحرارة حتى الوصول إلى نقطة غليان الماء في العمق. بعد الوصول إلى هذه الدرجة، يؤدي إدخال المزيد من الطاقة إلى تغيير في الحالة، مما ينتج عنه بخار الماء ويزيل الملوثات المتطايرة. عادةً ما يكون التسخين بالمقاومة الكهربائية أكثر فعالية من حيث التكلفة عند استخدامه لمعالجة مناطق مصادر التلوث.

تكنولوجيا

تُستخدم تقنية التسخين بالمقاومة الكهربائية في مجال ترميم البيئة لمعالجة التربة والمياه الجوفية الملوثة. تتضمن هذه التقنية غرس أقطاب كهربائية في الأرض، وتطبيق تيار كهربائي متناوب عليها، وتسخين باطن الأرض إلى درجات حرارة تُحفز تبخر الملوثات. تُجمع الملوثات المتطايرة بواسطة نظام لاستعادة الأبخرة من باطن الأرض، وتُنقل إلى السطح مع الهواء والبخار المُستعادين. وكما هو الحال في استخلاص أبخرة التربة ، يُعالج الهواء والبخار والملوثات المتطايرة على السطح لفصل الماء والهواء والملوثات. وتعتمد معالجة كل تيار على اللوائح المحلية وكمية الملوثات.

تتميز بعض الملوثات العضوية منخفضة التطاير بفترة نصف عمر قصيرة للتحلل المائي . بالنسبة لملوثات كهذه، مثل 1،1،2،2-رباعي كلورو الإيثان و1،1،1 -ثلاثي كلورو الإيثان ، يُعد التحلل المائي الشكل الأساسي للمعالجة. عند تسخين باطن الأرض، تنخفض فترة نصف عمر التحلل المائي للملوث وفقًا لمعادلة أرهينيوس ، مما يؤدي إلى تحلله السريع. يمكن معالجة نواتج التحلل المائي باستخدام تقنيات المعالجة الحرارية الكهربائية التقليدية، إلا أن معظم كتلة الملوث الأصلي لن تُستعاد، بل ستتحلل إلى نواتج ثانوية.

يوجد نوعان رئيسيان من أنظمة الأحمال الكهربائية لأنظمة التسخين الكهربائي: ثلاثي الأطوار وسداسي الأطوار. يتكون التسخين ثلاثي الأطوار من أقطاب كهربائية مرتبة بشكل مثلث أو دلتا متكرر. الأقطاب المتجاورة لها طور كهربائي مختلف ، لذا يمر التيار الكهربائي بينها كما هو موضح في الشكل 1. المنطقة الملوثة ممثلة بالشكل الأخضر، بينما الأقطاب الكهربائية ممثلة بالدوائر المرقمة.

الشكل 1. ترتيب نموذجي ثلاثي الأطوار لعملية التسخين الكهربائي بالرنين المغناطيسي

يتكون التسخين سداسي الأطوار من ستة أقطاب كهربائية مرتبة بشكل سداسي، مع وجود قطب كهربائي محايد في مركز المصفوفة. يوضح الشكل 2 أدناه مصفوفات الأطوار الستة باللون الأزرق. وكما في السابق، تُمثل المنطقة الملوثة بالشكل الأخضر، بينما تُمثل الأقطاب الكهربائية بالدوائر المرقمة. في نمط التسخين سداسي الأطوار، قد تظهر بقع ساخنة وأخرى باردة تبعًا للأطوار المتجاورة. لهذا السبب، يُعد التسخين سداسي الأطوار أكثر فعالية في المناطق الدائرية الصغيرة التي يقل قطرها عن 65 قدمًا.

الشكل 2. ترتيب نموذجي لستة أطوار لعملية استعادة الطاقة الكهروكيميائية

تُعدّ عملية التسخين الكهربائي (ERH) أكثر فعاليةً عادةً مع المركبات العضوية المتطايرة (VOCs). وتُعتبر المركبات المكلورة ، مثل بيركلوروإيثيلين ، وثلاثي كلوروإيثيلين ، وثنائي كلوروإيثيلين (cis- أو trans- 1,2-dichloroethylene)، من الملوثات التي يُمكن معالجتها بسهولة باستخدام هذه التقنية. يُبيّن الجدول الملوثات التي يُمكن معالجتها بهذه التقنية، بالإضافة إلى درجات غليانها. كما يُمكن معالجة الملوثات الأقل تطايرًا، مثل الزيلين والديزل، باستخدام هذه التقنية، ولكن تزداد متطلبات الطاقة مع انخفاض درجة التطاير.

قائمة المركبات التي يمكن معالجتها باستخدام ERH
المواد الكيميائيةالوزن الجزيئي (غ)نقطة الغليان (°م)
1،1،1-ثلاثي كلورو الإيثان133.474
1،1،2-ثلاثي كلورو الإيثان133.4114
1،1-ثنائي كلورو الإيثان9957
1،1-ثنائي كلورو الإيثين9732
1,2-ثنائي كلورو الإيثان9984
1,2-ثنائي كلورو البروبان167.997
البنزين78.180
رابع كلوريد الكربون153.877
الكلوروبنزين112.6132
الكلوروفورم119.462
cis -1,2-dichloroethyene9760
ثنائي برومو الإيثان187.9132
إيثيل بنزين106.2136
1،1،2-ثلاثي كلورو-1،2،2-ثلاثي فلورو الإيثان187.448
الغازولين100100
كلوريد الميثيلين/ثنائي كلورو الميثان84.941
4-ميثيل-2-بنتانون/ميثيل أيزوبوتيل كيتون100.2117
2-ميثوكسي-2-ميثيل بروبان/ميثيل ثالثي بوتيل إيثر88.155
بيركلوروإيثيلين165.8121
ثلاثي كلورو الإيثين131.587
كحول ثالثي بوتيل74.183
التولوين92.1111
ترانس -1،2-ثنائي كلورو الإيثين9748
كلوريد الفينيل62.5-14
الزيلين106.2140

يمكن تعديل المسافة بين الأقطاب الكهربائية ومدة التشغيل لتحقيق التوازن بين التكلفة الإجمالية للمعالجة والوقت المطلوب للتنظيف. قد تتكون عملية المعالجة النموذجية من أقطاب كهربائية متباعدة بمسافة تتراوح بين 15 و20 قدمًا، وتكون مدة التشغيل عادةً أقل من عام. يعتمد تصميم وتكلفة نظام المعالجة بالتسخين الكهربائي على عدد من العوامل، أهمها حجم التربة/المياه الجوفية المراد معالجتها، ونوع التلوث، وأهداف المعالجة. تخضع الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمركبات المستهدفة لقوانين تجعل عمليات المعالجة الحرارية أكثر فائدة من معظم الطرق التقليدية. قد تصل نسبة استهلاك الطاقة الكهربائية اللازمة لتسخين باطن الأرض وتبخير الملوثات إلى ما بين 5% و40% من التكلفة الإجمالية للمعالجة.

تخضع عملية معالجة التلوث الإشعاعي للأنظمة البيئية لعدة قوانين. ينص قانون دالتون على درجة غليان الملوثات غير القابلة للذوبان نسبيًا، بينما ينص قانون راؤول على درجة غليان الملوثات المتشابهة القابلة للذوبان معًا، أما قانون هنري فينص على نسبة تركيز الملوث في الطور البخاري إلى تركيزه في الطور السائل.

قانون دالتون

بالنسبة للمركبات غير القابلة للذوبان المتبادل، ينص قانون دالتون على أن الضغط الجزئي لسائل غير مائي (NAPL) يساوي ضغط بخاره، وأن السائل غير المائي الملامس للماء يغلي عندما يتساوى مجموع ضغط بخار الماء وضغط بخار المركب العضوي المتطاير مع الضغط الجوي المحيط. وعندما تتشكل فقاعة بخار من المركب العضوي المتطاير، يكون تركيب الفقاعة متناسبًا مع ضغوط بخار كل مكون على حدة.

قانون راؤول

بالنسبة للمركبات القابلة للذوبان المتبادل، ينص قانون راؤول على أن الضغط الجزئي للمركب يساوي ضغط بخاره مضروبًا في كسره المولي. وهذا يعني أن الملوثات القابلة للذوبان المتبادل ستتبخر ببطء أكبر مما لو كان هناك مركب واحد فقط.

قانون هنري

يصف قانون هنري ميل المركب إلى التبخر مع الهواء أو الذوبان في الماء. ويُعرف ثابت قانون هنري، الذي يُسمى أحيانًا بالمعامل، بأنه خاص بكل مركب ويعتمد على درجة حرارة النظام. ويُستخدم هذا الثابت للتنبؤ بكمية الملوثات التي ستبقى في الطور البخاري (أو تنتقل إلى الطور السائل) عند خروجها من المكثف.

الابتكارات الحديثة

شهدت تقنيات معالجة المياه الجوفية تطورات كبيرة خلال السنوات الخمس الماضية. وقد تركزت الجهود على ثلاثة مجالات رئيسية: معالجة الصخور الأساسية، ومعالجة مادة 1,4-ديوكسان والملوثات الناشئة الأخرى، واستخدام الحرارة المنخفضة المتحكم بها لتعزيز العمليات العلاجية أو الطبيعية الأخرى.

معالجة الصخور الأساسية

استُخدمت تقنية التسخين الكهربائي بالرنين (ERH) لأكثر من 15 عامًا لمعالجة التربة غير المتماسكة في كلٍ من المناطق غير المشبعة والمشبعة. تُظهر التطورات والنتائج الحديثة أن هذه التقنية تُعدّ طريقة فعّالة لمعالجة الصخور الأساسية . في موقع تطبيق هذه التقنية، يكون مسار التيار الكهربائي الرئيسي عبر طبقة رقيقة من الماء مُلاصقة مباشرةً لحبيبات التربة أو الصخور. يحمل الماء الموجود في مسام التربة تيارًا ضئيلاً. ليس سائل المسام هو المُهيمن على التوصيل الكهربائي، بل سائل ترطيب الحبيبات. عادةً ما تحتوي الصخور الرسوبية على طبقة رقيقة من الماء اللازمة لتدفق التيار. هذا يعني أن تقنية التسخين الكهربائي بالرنين (ERH) يُمكن استخدامها بفعالية لمعالجة الصخور الرسوبية الأساسية، التي تتميز عادةً بمسامية أولية عالية.

1,4-ديوكسان

يُعدّ 1,4-ديوكسان من الملوثات التي تمّ تحديدها مؤخرًا والتي تُثير القلق. وتتغيّر المعايير التنظيمية الخاصة به باستمرار مع ازدياد المعرفة به. يتميّز 1,4-ديوكسان بذوبانية عالية في الماء وثابت هنري منخفض، ما يُشكّل تحديات معقدة في عملية المعالجة. في الظروف المحيطة، تُشير الخصائص الفيزيائية لـ 1,4-ديوكسان إلى أن التجريد الهوائي ليس آلية معالجة فعّالة. تُشير نتائج المعالجة الحديثة بتقنية ERH إلى أن هذه التقنية تُهيّئ ظروفًا مُلائمة للمعالجة. تتضمن معالجة ERH التجريد بالبخار، وهي تقنية لم تُدرس سابقًا لمعالجة 1,4-ديوكسان. في مواقع ERH، لوحظ أن التجريد بالبخار ينقل 1,4-ديوكسان بفعالية إلى الحالة البخارية للمعالجة اللاحقة. وقد سُجّلت انخفاضات بنسبة 99.8% (أو أكثر) في تركيزات 1,4-ديوكسان في المياه الجوفية في عمليات المعالجة الحديثة بتقنية ERH. تشير مراقبة تيارات المعالجة المذكورة أعلاه إلى أن 95% من مادة 1,4-ديوكسان بقيت في تيار البخار بعد إزالتها من باطن الأرض. علاوة على ذلك، أثبت الكربون المنشط الحبيبي فعاليته كطريقة لمعالجة بخار 1,4-ديوكسان.

تسخين بدرجة حرارة منخفضة مضبوطة

يُعدّ التطاير آلية الإزالة الأساسية في معظم مواقع التسخين المُعزز حراريًا. مع ذلك، يُمكن استخدام التسخين المُعزز حراريًا لتعزيز عمليات أخرى، بعضها طبيعي، لخفض تكلفة معالجة التلوث. يُمكن استخدام التسخين المُعزز حراريًا لتوفير تسخين مُتحكم به بدرجة حرارة منخفضة للمشاريع التي لا تتضمن عمليات معالجة بالبخار. يُشير مصطلح "التسخين بدرجة حرارة منخفضة" إلى استهداف درجة حرارة تحت سطح الأرض أقل من درجة غليان الماء. تشمل أمثلة التسخين المُعزز حراريًا بدرجة حرارة منخفضة: المعالجة الحيوية المُعززة حراريًا ، وتسخين باطن الأرض إلى درجات حرارة أعلى من ذوبان الغازات المُذابة لتحفيز إزالة المركبات العضوية المتطايرة (وأبرزها انبعاث ثاني أكسيد الكربون)، والأكسدة الكيميائية الموضعية المُعززة حراريًا (خاصةً لتنشيط البيرسلفات)، والاختزال المُعزز حراريًا (كما هو الحال في التفاعلات المُحفزة بالحديد). يمكن أيضًا استخدام التسخين بدرجة حرارة منخفضة في عملية ERH لتحليل الألكانات المكلورة في الموقع عند درجات حرارة أقل من درجة الغليان حيث يتفاعل حمض الهيدروكلوريك المنطلق أثناء عملية التحلل المائي مع الكربونات والبيكربونات الموجودة تحت السطح لإنتاج ثاني أكسيد الكربون لإزالة المركبات العضوية المتطايرة من تحت السطح.

يؤدي استخدام التسخين بدرجة حرارة منخفضة بالتزامن مع المعالجة البيولوجية أو الأكسدة الكيميائية أو إزالة الكلور إلى زيادة معدلات التفاعل. وهذا بدوره يقلل بشكل ملحوظ من الوقت اللازم لعمليات المعالجة هذه مقارنةً بالمعالجة في درجة حرارة الغرفة. إضافةً إلى ذلك، لا يتطلب خيار التسخين بدرجة حرارة منخفضة استخدام نظام المعالجة فوق مستوى سطح الأرض للأبخرة المستعادة، حيث لن يتم الوصول إلى درجات حرارة الغليان. وهذا يعني بنية تحتية أقل فوق مستوى سطح الأرض وتكلفة إجمالية أقل.

عند دمج الحرارة مع الاستخلاص متعدد المراحل، تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تقليل لزوجة السوائل المستخلصة وتوترها السطحي، مما يجعل عملية الاستخلاص أسرع وأسهل. هذا هو الهدف الأصلي من تطوير تقنية الاستخلاص الحراري المعزز (ERH) - تحسين استخلاص النفط (انظر قسم  التاريخ أعلاه).

نقاط الضعف

  • تشمل نقاط ضعف تقنية التسخين الكهربائي فقدان الحرارة في المواقع الصغيرة. فالمساحات المعالجة ذات السطح الكبير والعمق الضحل تُعاني من فقدان كبير للحرارة، مما يُقلل من كفاءة هذه التقنية. ويبلغ الحد الأدنى للفاصل الزمني بين المعالجات لتحقيق معالجة فعالة بتقنية التسخين الكهربائي حوالي 10 أقدام رأسية.
  • تُصعّب الملوثات المصاحبة، مثل الزيوت والشحوم، عملية المعالجة. إذ تُسبب الزيوت والشحوم تأثير قانون راؤول، مما يتطلب طاقة أكبر لإزالة الملوثات.
  • يؤدي وجود الخث أو المواد الغنية بالكربون العضوي في باطن الأرض إلى امتصاص المركبات العضوية المتطايرة بشكل تفضيلي نتيجة لقوى فان دير فالس . ويزيد هذا الامتصاص التفضيلي من كمية الطاقة اللازمة لإزالة هذه المركبات من باطن الأرض.
  • يتم معالجة مواقع الوقود بشكل أقل شيوعًا بواسطة ERH نظرًا لتوافر تقنيات معالجة أخرى أقل تكلفة ولأن مواقع الوقود عادة ما تكون رقيقة (مما يؤدي إلى خسائر حرارية كبيرة).
  • تُعدّ المواقع داخل مكبات النفايات صعبة أيضاً لأنّ المخلفات المعدنية قد تُشوّه مسارات التيار الكهربائي. وتكون مقاومة الطاقة الكهربائية أكثر تجانساً في التربة الطبيعية أو الصخور.

نقاط القوة

  • تُعدّ تقنية التسخين الكهربائي بالكهرباء (ERH) قابلة للتكيف مع جميع أنواع التربة والصخور الرسوبية. كما أنها فعّالة في كلٍّ من المناطق غير المشبعة والمشبعة. قد تحدّ بعض أنواع الصخور من فعالية طرق المعالجة التقليدية، وذلك بمنعها مسارًا موثوقًا لإزالة/تدمير التلوث. ولأن الكهرباء قادرة على المرور عبر أي نوع من الصخور يحتوي على الماء، فإن تقنية التسخين الكهربائي بالكهرباء فعّالة في جميع أنواع التربة. ومن خلال تكوين فقاعات بخارية طافية أثناء عملية التسخين، تُنتج هذه التقنية غازًا ناقلًا ينقل التلوث إلى أعلى وخارج أي نوع من أنواع التربة. لا تستطيع تقنية التسخين الكهربائي بالكهرباء تجفيف باطن الأرض. ولكي تتمكن باطن الأرض من توصيل الكهرباء، يجب أن يكون الماء موجودًا فيها. ويتوقف التوصيل قبل أن تجفّ باطن الأرض.
  • تُستخدم تقنية التسخين الكهربائي عادةً تحت المباني أو المنشآت الصناعية قيد التشغيل. ويمكن تركيب الأقطاب الكهربائية فوق مستوى الأرض داخل منطقة مسيجة أو تحت مستوى الأرض للسماح بالوصول غير المقيد إلى منطقة المعالجة.
  • على الرغم من أن تقنية ERH تستخدم بشكل أساسي لمناطق مصادر التلوث، إلا أنه يمكن استخدامها لتحقيق أهداف علاجية منخفضة مثل الحد الأقصى لمستويات التلوث (MCLs) لمياه الشرب.
  • بعد معالجة التربة بتقنية التسخين الكهربائي، تنخفض درجات الحرارة المرتفعة تحت سطح الأرض تدريجيًا على مدى أشهر أو سنوات، لتعود إلى درجات الحرارة المحيطة. تُعدّ هذه الفترة التي تشهد ارتفاعًا في درجات الحرارة جزءًا هامًا من عملية المعالجة، حيث تُعزز درجات الحرارة المرتفعة عمليات المعالجة البيولوجية والتحلل المائي وإزالة الهالوجينات من الحديد .

مراجع

  1. ↑ باول، توماس، وآخرون. " تطورات جديدة للمعالجة في الموقع باستخدام التسخين بالمقاومة الكهربائية. مؤرشف في 27 مارس 2018، في Wayback Machine ." مجلة المعالجة 17.2 (2007): 51-70.