Některé perzistentní organické polutanty (POPs), zejména chlorované pesticidy či polychlorovanéh bifenyly (PCB), se z pevných materiálů odstraňují technologií termické desorpce s konvenčním ohřevem. Ve společnosti Dekonta, a. s., provedli testy s novým, mikrovlnným ohřevem.
Testy byly provedeny ve čtvrtprovozním měřítku s běžnými zástupci kontaminovaných pevných odpadů, jako je stavební suť a zemina.
PROGRESIVNÍ TECHNOLOGIE
Termická desorpce představuje progresivní, ex-situ sanační technologii, jejíž hlavní výhodou je krátká doba sanace lokality a vysoká účinnost odstranění kontaminantů z pevné matrice. Tato technologie je založena na ohřevu pevných kontaminovaných materiálů v inertní atmosféře, kdy dochází k přestupu adsorbovaných znečišťujících látek do plynné fáze. Po následném ochlazení se pak zkoncentrují v kapalném kondenzátu. Ten je obvykle odstraněn ve spalovnách nebezpečného odpadu nebo zpracován jinými inovativními postupy, např. technologií BCD - base catalysed decomposition. Dekontaminovaný tuhý materiál lze znovu využít například pro rekultivační účely (povrchové doly, skládky odpadů).
Ukazuje se, že rychlost a účinnost procesu termické desorpce ovlivňuje řada fyzikálně-chemických parametrů. Klíčovou veličinou je dosažená teplota uvnitř reaktoru, dalšími důležitými ukazateli jsou vlhkost a zrnitost vstupujícího materiálu, druhy a množství kontaminantů a konstrukce zařízení.
SLIBNÁ VARIANTA
Aplikace mikrovlnného ohřevu namísto konvenčního představuje slibnou alternativu, umožňující významné zkrácení času ohřevu desorbovaného materiálu a značnou energetickou úsporu. Mikrovlnné záření je absorbováno v celém objemu vrstvy ohřívaného materiálu, na rozdíl od konvenčního ohřevu, který je většinou realizován přestupem tepla z vyhřátého pláště pece. Mikrovlnné záření nejčastěji využívá frekvenci 2,45 GHz, které odpovídá délka vlny 12,2 cm.
Materiály podrobené procesu termické desorpce, například stavební suť a zemina, obvykle obsahují určitý podíl vlhkosti, oxidů kovů a uhličitanů, křemičitanů apod., které zvyšují absorpci mikrovlnného záření. Voda představuje vynikající médium z hlediska absorpce mikrovlnného záření, vlivem vysoké hodnoty dielektrického ztrátového faktoru, což se projeví v odlišné rychlosti (gradientu) ohřevu identického suchého a vlhkého materiálu. V literatuře jsou navíc udány pomocné aktivátory mikrovlnného záření na bázi oxidů kovů (MnO2, Fe3O4) a aktivního uhlí, které vykazují silnou absorpci mikrovln, čímž se extrémně zahřívají a předávají tak teplo ohřívanému materiálu.
OVĚŘENÍ EXPERIMENTY
Testy termické desorpce byly provedeny se vzorky zeminy a stavební suti, kontaminovanými chlorovanými pesticidy a polychlorovanými bifenyly (PCB). Po odběru na lokalitě byly kontaminované materiály nejprve mechanicky upraveny vytříděním cizorodých předmětů a úpravou zrnitosti na 4 až 5 mm. Dále byly vstupující materiály ovlhčeny zkrápěním vodou tak, aby obsahovaly průměrně kolem 10 % hm. vlhkosti.
Pro experimenty s konvenčním ohřevem byla využita poloprovozní jednotka firmy Dekonta, a. s., umožňující zpracování až 80 kg vsádky materiálu (obr. 1). Plášť pece je nepřímo ohříván olejem, jednotka pracuje na podtlakovém principu umožňujícím až 30 mbar. Materiál byl ohříván na cílovou teplotu dosahující 250 °C.
Mikrovlnný ohřev probíhal ve stacionární vrstvě materiálu o hmotnosti řádově srovnatelné s klasickým ohřevem v keramické vestavbě ve speciálním zařízení vyvinutém v Ústavu chemických procesů AV ČR Praha (obr. 2). Experimenty probíhaly ve stejném režimu u konvenčního ohřevu.
VÝSLEDKY A DISKUSE
Pro porovnání výsledků a získání představy o chování kontaminantů při různých podmínkách procesu termické desorpce byly vybrány dvě matrice: stavební suť jako inertní materiál a zemina s přirozeným obsahem organického uhlíku, který může ovlivňovat sorpci kontaminantů. Vstupní koncentrace sledovaných analytů se pohybují v desítkách mg/kg hexachlorbenzenu a stovkách mg/kg polychlorovaných bifenylů (vyjádřených jako suma sedmi indikátorových kongenerů PCB), vše vztaženo na sušinu.
Čtvrtprovozní zkoušky sloužily k ověření chování kontaminantů ve větším měřítku, které bylo předpovězeno laboratorními experimenty. Výstupy z obou čtvrtprovozních zařízení - s konvenčním a mikrovlnným ohřevem - jsou shrnuty v grafu.
Při teplotě ohřevu materiálů do teploty 250 °C došlo k výraznému úbytku hexachlorbenzenu (HCB), jehož účinnost odstranění ze stavební suti pro oba způsoby ohřevu (konvenční a mikrovlnný) přesahovala 95 %. Dosažené účinnosti tak potvrzují předpověď laboratorních experimentů. Uvedený efekt je pravděpodobně možné přisoudit transportu zmíněných kontaminantů společně s vodní párou. Není překvapivé, že účinnosti odstranění polychlorovaných bifenylů (PCB) jsou výrazně nižší, neboť jde o hydrofobní látky s teplotou varu v intervalu od 340 až 380 °C. U látek ze skupiny PCB se neprojevily významné rozdíly v účinnostech odstranění ze suti a zeminy, které by mohly být způsobeny vlivem sorpce PCB na organickou matrici zeminy.
VÝRAZNÉ ZKRÁCENÍ ČASU OHŘEVU
Doba ohřevu vsádky z laboratorní teploty na 250 °C trvala u konvenčního ohřevu 2 hodiny, zatímco u mikrovlnného ohřevu pouhých 35 min. Selektivní ohřev vsádky materiálu mikrovlnami je sice energeticky výhodný, avšak je nutné zajistit dokonalou homogenitu teplotního pole, neboť občas docházelo k sublimaci kontaminantů ve studených reakčních zónách a na vnitřním povrchu reaktoru. V určitých případech může vysoký gradient ohřevu materiálu působit také kontraproduktivně, neboť neumožňuje ustavení fázové rovnováhy (např. při transportu kontaminantů s vodní párou).
Nezbytnou podmínkou úspěšného mikrovlnného ohřevu je míchání vsádky materiálu a zajištění dostatečné teploty stěn reaktoru. Možným řešením je obalení reaktoru vhodným materiálem (např. topný pás).
Provedené čtvrtprovozní testy termické desorpce prokázaly dobrou účinnost odstranění některých organických kontaminantů - chlorované pesticidy, polychlorované bifenyly (PCB) z pevných materiálů při teplotách dosahujících 250 °C. Mikrovlnný ohřev je velmi vhodný pro široké spektrum kontaminovaných pevných materiálů a oproti konvenčnímu ohřevu přináší významné zkrácení doby ohřevu desorbovaných materiálů až o 60 % a tudíž značnou energetickou úsporu.
Na druhou stranu však delší doba zdržení materiálů při konvenčním ohřevu lépe vyhovuje odstraňování kontaminantů difuzí z malých pórů materiálu a ustavení fázové rovnováhy např. při těkání kontaminantů s vodní párou. Další problém představuje vhodný návrh konstrukce mikrovlnného zařízení, neboť v opačném případě může docházet ke značným provozním komplikacím. Zavedení mikrovlnného ohřevu do praxe si ještě vyžádá rozsáhlou sérii poloprovozních a ověřovacích testů.
Vývoj mikrovlnné termické desorpce je realizován v rámci grantu Termodesorpce (TA01020383), dotačně podporovaného Technologickou agenturou České republiky.
Ing. Pavel Mašín
Dekonta, a. s, divize Výzkum a vývoj, sanační a ekologické projekty
Pec termodesorpční jednotky s nepřímým olejovým ohřevem společnosti Dekonta, a. s.
Mikrovlnná termodesorpční pec, instalovaná v Ústavu chemických procesů AV ČR.
