Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОЧВЫ ОТ УГЛЕВОДОРОДОВ И ПЕСТИЦИДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к защите окружающей среды, а именно к рекультивации загрязненных углеводородами (нефтепродуктами) земель, обезвреживанию почвы от пестицидов с использованием явления электроосмоса.

При расширении масштабов применения пестицидов был выявлен ряд следующих отрицательных последствий: загрязнение почв и водных источников, накопление остатков химических препаратов в пищевых продуктах. В почве пестициды распадаются в результате как физико-химических процессов, так и микробиологического разложения. Остатки пестицидов в почве вымываются ливневыми и почвенными водами, собираясь в естественные водоемы, загрязняют их, а также окружающие земельные участки.

Проблема очистки земель и почв сельскохозяйственного назначения, утилизации избыточного количества загрязняющих веществ, особенно складированных открытым способом, является особенно актуальной для современной экологии. В настоящее время в технологии сельскохозяйственного производства получили распространение гербициды, а также хлорорганические пестициды: фюзид-форте, зенкор, чистоплан, пума-супер.

Известен способ очистки капиллярно-пористой среды, загрязненной нефтью и нефтепродуктами, путем введения в зону очистки раствора нефтеокисляющих микроорганизмов, введение электропроводящей жидкости, пропускание электрического тока для создания электроосмоса (RU 96115094 A, МПК B09C 1/10, опубл. 27.11.1998 г.).

Известен способ восстановления на месте загрязненных различных по составу и свойствам (гетерогенных) почв, включающий внесение материала для очистки от загрязняющих веществ в область гетерогенной почвы, пропускание постоянного электрического тока между электродами в пределах загрязненной гетерогенной почвы, приложение гидравлического градиента поперек области загрязнений (RU 2143954 C1, МПК B09C 1/08, опубл. 10.01.2000 г.).

Недостатком вышеуказанных аналогов является трудоемкость их применения и недостаточная степень очистки почвы от загрязнений.

Наиболее близким аналогом способа, принятым в качестве прототипа, является способ очистки почвы, включающий погружение в почву на очищаемом участке центрального и периферийных электродов, создание между центральным и периферийными электродами градиента напряжения, подачу в область, примыкающую к центральному электроду, не загрязняющей жидкости-носителя, перемещение жидкости-носителя под действием электроосмотического эффекта от центрального электрода к периферийным, вытеснение из почвы жидкостью-носителем углеводородов, удаление их из периферийных электродов, создание неравномерного электрического поля между центральным и периферийными электродами (RU 2508954 C1, МПК B09C 1/00, опубл. 10.03.2014 г.).

Недостатком прототипа является недостаточная степень очистки почвы от углеводородов, так как очистка при использовании электроосмоса ведется в недостаточно сильном неравномерном электрическом поле, а также отсутствие эффективной очистки от пестицидов.

Известно устройство для применения способа очистки от загрязнений капиллярно-пористой среды, включающее камеру для размещения очищаемой среды с электродами, подключенными к источнику постоянного тока, емкость с очищаемой жидкостью и емкость для отработанной жидкости (RU 2106432 C1, МПК⁶ C25C 1/22, опубл. 10.03.1998 г.).

Известна установка для переработки почв, грунтов (RU 2330734 C1, МПК B09C 11/00, опубл. 10.08.2008 г.), содержащая бункер с перемешивающим устройством, с приспособлением для транспортирования жидкости из него в емкость перелива и устройством для вывода твердых включений, систему подачи моющей жидкости, вибратор.

Недостатком вышеуказанных устройств-аналогов также является недостаточная степень очистки почвы от загрязнений.

Наиболее близким к предлагаемому устройству для осуществления способа, принятому за прототип, является устройство, содержащее погруженные в почву зоны очистки центральный электрод и систему периферийных электродов, форсунки для подачи жидкости-носителя, насосы для нагнетания жидкости в форсунки и удаления жидкости, содержащей загрязнения, из зоны очистки, центральный электрод выполнен в виде стержня, поперечное сечение которого представляет собой многоугольник с вогнутыми сторонами (RU 2508954 C1, МПК B09C 1/00, опубл. 10.03.2014 г.).

Недостатком прототипа является неэффективная очистка почвы от углеводородов (нефтепродуктов) и отсутствие очистки от пестицидов.

Задачей предлагаемых способа и устройства для его осуществления является повышение степени очистки почвы от углеводородов (нефтепродуктов), а также очистка почвы от пестицидов.

Технический результат применения способа очистки почвы от углеводородов и пестицидов достигается за счет того, что он включает погружение в почву на очищаемом участке центрального и периферийных электродов, создание между центральным и периферийными электродами неравномерного электрического поля, подачу в область, примыкающую к центральному электроду, незагрязняющей жидкости-носителя, перемещение жидкости-носителя под действием электроосмотического эффекта от центрального электрода к периферийным, вытеснение из почвы жидкостью-носителем загрязнений и удаление их из периферийных электродов, но, в отличие от прототипа величину напряженности неравномерного электрического поля устанавливают в пределах 50-110 кВ/м, предварительно перед подачей жидкости-носителя производят измельчение почвы с помощью серийного рыхлителя в виде дисковой фрезы до размера частиц 1,0 мм при глубине 20-25 см, измельченную почву смешивают с жидкостью-носителем до контролируемой дозатором концентрации 1:6, с помощью дополнительно установленного устройства создают псевдоожиженный слой глубиной 10-12 см с подачей сжатого воздуха давлением 1-2 атм.

Технический результат применения устройства очистки почвы от углеводородов и пестицидов достигается за счет того, что оно содержит погруженные в почву зоны очистки центральный электрод в виде стержня с поперечным сечением в форме многоугольника с вогнутыми сторонами и систему периферийных электродов, выполненных из отдельных стержней, форсунки для подачи жидкости-носителя, насосы для нагнетания жидкости в форсунки и удаления жидкости, содержащей загрязнения, из зоны очистки, в отличие от прототипа система периферийных электродов соединена между собой проволочными проводниками с закрепленными на них остроконечными элементами, острие которых направлено к центральному электроду, перед форсунками для подачи жидкости-носителя установлен дозатор, а над системой периферийных электродов установлено устройство для создания псевдоожиженного слоя, включающее центральный Г-образный трубопровод с компрессором, соединенный через распределитель с системой радиальных трубопроводов, на конце каждого из которых установлены форсунки, погруженные в почву на глубину 10-12 см.

Из уровня техники не известно влияние новой совокупности признаков заявленных способа и устройства на достижение нового технического результата - очистки почвы от пестицидов, что позволяет сделать вывод о соответствии технических решений критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Очистка почвы от углеводородов и пестицидов заключается в следующем. На очищаемом участке почвы создают между центральным и периферийными электродами градиент напряжения, величину напряженности неравномерного электрического поля устанавливают в пределах 50-110 кВ/м, подают в область, примыкающую к центральному электроду, жидкость-носитель, перемещают жидкость-носитель под действием электроосмотического эффекта от центрального электрода к периферийным, вытесняют из почвы с помощью жидкости-носителя нефтепродукты и удаляют их из периферийных электродов.

Предварительно перед подачей жидкости-носителя для повышения степени очистки почвы от углеводородов и пестицидов производят измельчение почвы с помощью серийного рыхлителя в виде дисковой фрезы до размера частиц 1,0 мм при глубине 20-25 см. Глубина измельчения почвы зависит от глубины проникновения пестицидов, а это определяется глубиной вспашки, и по технологии обработки различных культур в среднем составляет 10-12 см. Чтобы создать псевдоожиженный слой на глубину 10-12 см, необходимо измельчить загрязненную почву рыхлителем, соответственно, на глубину в два раза больше, что составляет 20-25 см.

Если размер частиц будет крупнее 1,0 мм, то при образовании псевдоожиженного (кипящего) слоя почвы, состоящего из капель воды и пузырьков воздуха, частицы будут быстрее подвергаться седиментации и осядут на участке без достаточной очистки. В случае, если размер частиц будет менее 1,0 мм, то частицы будут мигрировать в водо-воздушной фазе.

Измельченные частицы почвы смешивают с жидкостью-носителем до концентрации 1:6, которая определяется расходом воды через циркуляционный насос подачи жидкости-носителя и дозатор. Если концентрация частичек почвы в жидкой фазе будет более 1:6, то суспензия между твердой и жидкой фазой не образуется. Наоборот, если концентрация частичек почвы в жидкой фазе будет менее 1:6, то в образовавшейся суспензии частичек почвы будет недостаточно для реализации способа.

Если давление сжатого воздуха будет менее 1-2 атм, то образовавшийся псевдоожиженный слой не сможет проникнуть на глубину 10-12 см, если давление сжатого воздуха будет более 1-2 атм, то глубина псевдоожиженного слоя будет больше 10-12 см, что приведет к повышенному расходу сжатого воздуха и энергозатратам на его производство.

Эффективность очистки почвы от углеводородов и пестицидов возрастает за счет физических процессов, происходящих при взаимодействии псевдоожиженного слоя с неравномерным электрическим полем указанной напряженности, которые происходят следующим образом.

Известно, что при насыщении жидкости-носителя воздухом в соотношении 1:6 (в нашем случае) в жидкой фазе создаются воздушные пузырьки. Под воздействием неравномерного электрического поля между заостренными элементами периферийных электродов и центральным электродом происходит выстраивание воздушных пузырьков вдоль силовых линий поля, затем происходит их удлинение вдоль силовых линий и уменьшение в поперечном направлении. Сжатие пузырька в поперечном направлении означает, что вблизи его экватора действуют сжимающие силы. При этом воздушный пузырек ведет себя как диэлектрик, поле внутри него слабо искажено. Далее он увеличивается по всем направлениям с образованием первичного стриммера, который вылетает из его кончика (Коробейников С.М. О роли пузырьков в электрическом пробое жидкостей. Теплофизика высоких температур, 1998 г., №3, стр. 362-367, 1998 г., №4, с 541-547). Стриммер представляет собой ионизированный канал, получающийся путем перекрытия отдельных электронных лавин, возникающих на его пути. Образование стриммеров сопровождается ударными волнами, центром которых является место зарождения стриммеров, то есть кончик пузырька. При развитии канала стриммеров поверхность пузырьков оказывается заряженной, развивается объемный разряд по поверхности пузырьков в результате воздействия стриммеров в двухфазной среде (смесь воды с почвой), генерируется озон и ряд активных частиц, в том числе радикал OH, атомарный кислород и др. Образовавшийся озон разлагает пестициды, вплоть до минерализации. Кроме того, происходит жесткое ультрафиолетовое излучение плазмы. Также в процессе развития электрического пробоя образуется мощная ударная волна, оказывающая дополнительное обеззараживающее воздействие на почву.

Известно, что напряженность электрического поля E заряженного цилиндра радиусом r определяется по формуле (1) (Кошкин Н.И. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, - 1980):

где k - коэффициент пропорциональности, k=8,9875∗10⁹ м/Ф;

q - электрический заряд, q=2,3467∗10^-2 Кл;

r - радиус зоны очистки;

ε - диэлектрическая проницаемость среды.

Известно, что в зависимости от количества гумуса, количества воды, вязкости почвы диэлектрическая проницаемость почвы составляет ε=19,2; 23,8; 26,7; 41,2 (Бобров П.П., Беляева Т.В. Экспериментальная проверка модели комплексной диэлектрической проницаемости почв и вязкости почвенной влаги. // Естественные науки и экология. Ежегодник Омского ГПУ. 2002. - с. 29-33).

Результаты расчета напряженности электрического поля по формуле (1) для r=10 м приведены в табл. 1.

Расчеты показывают, что для заданного диапазона от 19,2 до 41,2 изменения диэлектрической проницаемости почвы напряженность электрического поля составляет от 50 до 110 кВ/м.

На фиг. 1 изображена схема устройства для осуществления способа очистки почвы от углеводородов и пестицидов, на фиг. 2 - устройство для создания псевдоожиженного слоя.

На фигуре 1 представлена схема устройства для осуществления способа, на фигуре 2 - устройство для создания псевдоожиженного слоя

На схеме устройства (фиг. 1) изображены: зона слоя очистки 1, погруженный в почву зоны очистки центральный электрод (анод) 2, система периферийных электродов (катодов) 3, форсунка 4 для подачи жидкости-носителя, дозатор 5 для создания контролируемой концентрации жидкости-носителя, насос 7 для удаления из периферийных электродов жидкости, содержащей нефтепродукты, насос 6 для нагнетания жидкости-носителя в форсунку 4 через дозатор 5, насос 9 для откачки загрязнений, содержащих нефтепродукты и пестициды, из перфорированной трубы 8.

Система периферийных электродов выполнена из отдельных стержней 3, соединенных между собой проволочными проводниками 11 (фиг. 2) с расположенными на ней заостренными элементами 10, острие которых направлено к центральному электроду. Для измельчения почвы используют серийный рыхлитель в виде дисковой фрезы. Над системой периферийных электродов установлено устройство 12 для создания псевдоожиженного слоя, включающее центральный Г-образный трубопровод 13 с компрессором 14, соединенный через распределитель 15 с системой радиальных трубопроводов 16, на конце которых установлены форсунки 17 для подачи сжатого воздуха в псевдоожиженный слой, погруженные в почву на глубину 10-12 см.

Предлагаемый способ очистки почвы осуществляют при помощи устройства следующим образом.

Серийным рыхлителем в виде дисковой фрезы измельчают почву до размера частиц 1,0 мм. В измельченную на глубину 20-25 см почву насосом 6 подают через форсунку 4 жидкость-носитель.

Включают насосы 6 и 7. Далее измельченную почву смешивают с жидкостью-носителем при помощи насоса 6 и дозатора 5 до концентрации 1:6. На электроды 2 и 3 подают напряжение, величину которого устанавливают в пределах 50-110 кВ/м, в результате между выступами центрального электрода и заостренными элементами создается неравномерное электрическое поле. Жидкость-носитель под действием электроосмотического эффекта перетекает от центрального электрода 2 к системе периферийных электродов 3, сорбируя на своем пути нефтепродукты или пестициды, затем загрязнения удаляются насосом 7.

Псевдоожиженный слой с помощью устройства создают следующим образом. От компрессора 14 через центральный Г-образный трубопровод, соединенный через распределитель 15 и систему радиальных трубопроводов 16 с форсунками 17 в зону очистки нагнетается сжатый воздух под давлением 1-2 атм. и возникают воздушные пузырьки. При этом под воздействием неравномерного электрического поля между заостренными элементами периферийных электродов 3 и центральным электродом 2 происходит выстраивание воздушных пузырьков вдоль силовых линий. Далее на кончике пузырька происходит образование стриммера, который вылетает в зону очистки. В результате воздействия стриммеров в двухфазной среде генерируется озон и ряд активных частиц (радикал ОН, атомарный кислород и др.). Образовавшийся озон разлагает пестициды вплоть до их минерализации.

В результате степень очистки почвы от углеводородов (нефть, масла, мазут и др.) и пестицидов повышается до 98-99%.