ES2277642T3

ES2277642T3 - Procedimiento para saneamiento e ingenieria de suelos.

Info

Publication number: ES2277642T3
Application number: ES03750979T
Authority: ES
Inventors: Andrew Brian Cundy; Laurence James Hopkinson
Original assignee: University of Sussex; University of Brighton
Current assignee: University of Sussex; University of Brighton
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2007-07-16
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: ZA200502444B; AU2003269202A1; PT1603690E; CY1106354T1; GB0222393D0; CN100336616C; RU2345848C2; SE0401339D0; SI1603690T1; PL203769B1; ATE347455T1; RU2005112453A; DE60310272T2; PL374485A1; CA2537901A1; SE0401339L; WO2004028717A1; CN1684777A; DK1603690T3; JP4500681B2

Abstract

Un procedimiento electrocinético para la protección del agua subterránea, el saneamiento del suelo y/o la ingeniería del suelo que comprende aplicar un campo eléctrico entre los electrodos sacrificiales ricos en hierro, que están implantados en un área de suelo, sedimento o lodo que lleva agua, para de este modo generar un gradiente abrupto de pH y Eh a partir de condiciones ácidas a alcalinas, con la precipitación espontánea in situ de una banda estable rica en hierro en el límite entre las zonas ácidas y alcalinas.

Description

Procedimiento para saneamiento e ingeniería de suelos.

La invención se refiere a un procedimiento electrocinética para la protección de las aguas subterráneas, el saneamiento, la ingeniería de suelos, y más particularmente, a tal procedimiento que implica la colocación electrocinética estratégica de una barrera rica en hierro en suelos sedimentos y lodos.

Los suelos y las aguas subterráneas contaminadas en lugares industriales de vertido y de eliminación de desechos son serios problemas medioambientales. Aunque las arcillas y los sedimentos tienden a secuestrar grandes cantidades de metales pesados, radionucleidos, y contaminantes orgánicos seleccionados (Kovalick 1995), son relativamente resistentes al saneamiento con tecnologías tradicionales (por ejemplo bombear y tratar, lavado de suelos) a causa de sus bajas conductividades hidráulicas. Esto a estimulado una investigación considerable en técnicas económicamente rentables que se pueden usar para sanear los suelos de baja permeabilidad con un gran contenido de arcillas. Una tecnología emergente que ha recibido mucha atención es el saneamiento electrocinético. La electrocinética es un procedimiento que separa y extrae los metales pesados, radionucleidos y los contaminantes orgánicos, inorgánicos BTEX y radiactivos de suelos saturados o insaturados ricos en arcillas, lodos y sedimentos bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado. Los experimentos han mostrado su aplicabilidad a diversos desechos orgánicos, inorgánicos y radiactivos (Acar et al., 1993; Kovalick 1995, Virkutyte et al., 2002).

El procedimiento electrocinético implica la aplicación de una corriente continua (CC) de baja intensidad a través de pares de electrodos que han sido implantados en el terreno de cada lado de la masa de suelo contaminado. Cuando los campos eléctricos de CC son aplicados al suelo contaminado por electrodos colocados dentro de la tierra, se produce la migración de los iones cargados. Los iones positivos se desplazan hacia el cátodo cargado negativamente, mientras que los iones negativos son atraídos hacia el ánodo cargado positivamente. Se ha mostrado que las especies no iónicas son transportadas junto con el flujo de agua electroosmóticamente inducido. El saneamiento electrocinético es posible tanto en suelos saturados como en suelos insaturados.

La reacción dominante y más importante de transferencia de electrones que se produce en los electrodos durante el procedimiento electrocinético es la electrolisis del agua. El agua subterránea es disociada en los electrodos por las reacciones:

H_{2}O \rightarrow 2H^{+} + 1/2O_{2}(gas) + 2e \ (ánodo)

2H_{2}O + 2e \rightarrow 2OH^{+} + H_{2}(gas) \ (cátodo)

Esto produce un frente ácido (debido al exceso de iones de H^{+}) alrededor del ánodo y un frente alcalino (debido al exceso de iones de OH^{-}) en el cátodo.

La corriente eléctrica causa electroósmosis y la migración de iones, la cual desplaza tanto el agua como los contaminantes en fase acuosa en el subsuelo de un electrodo a otro.. También causa electroforesis, lo cual produce la migración de fracciones coloidales. La sorción, precipitación y disolución son reacciones anexas. Los contaminantes en la fase acuosa, y los contaminantes desorbidos de las partículas de suelo, son transportados hacia el ánodo o el cátodo dependiendo de la carga. En los sistemas electrocinéticos comerciales existentes, los contaminantes son comúnmente extraídos por un sistema de recuperación secundario o depositados en el electrodo. Los procedimientos de recuperación para contaminantes que han migrado a los electrodos incluyen la galvanoplastia, la precipitación/coprecipitación, el bombeo cerca del electrodo, o la complejación con resinas cambiadoras de iones. Los tensioactivos, los agentes complejantes y otros reactivos se usan frecuentemente para favorecer el movimiento de contaminantes (Acar et al., 193; Virkutyte et al., 2002). Sin embargo, la mayoría de los lugares contaminados tienen mezclas de desechos en vez contaminantes únicos, lo cual hace más complicado el saneamiento.

Actualmente, no hay ningún enfoque de saneamiento universal estándar de suelos/sedimentos. En su lugar hay una serie de tecnologías (por ejemplo Lasagna^{TM}, Electro-Klean^{TM}, geooxidación electroquímica), cada una de las cuales tiene sus propios requisitos operativos y de diseño, y sus limitaciones (Virkutyte et al., 2002). Muchas de estas tecnologías son técnicamente complejas y consumen mucha energía, y preparadas para la eliminación del 90% o más de los contaminantes específicos, en condiciones basadas en laboratorio o de campo muy específicas. Sin embargo, en el entorno real una técnica de reducción/contención de contaminantes de baja tecnología y poco consumidora de energía puede ser más apropiada y realista.

Los electrodos que están inertes en la disolución anódica se usan convencionalmente en el saneamiento electrocinético de suelo. Esto incluye electrodos de grafito, platino, oro y plata, aunque también se han empleado electrodos menos costosos hecho de titanio, acero inoxidable y plástico. Los metales tales como el plomo, cromo, cadmio, cobre, uranio, mercurio y zinc, así como los bifeniles, fenoles, clorofenoles, tolueno, tricloroetano y ácido acéetico policlorados son útiles para la recuperación y el saneamiento electrocinético.

Los principales parámetros que influyen el procedimiento global son las propiedades de los suelos, la profundidad y el tipo de contaminación, el coste de albergar electrodos y colocar zonas de tratamiento, el tiempo de limpieza, y el coste de la mano de obra (Virkutyte et al., 2002). Los factores que incluyen en el coste del procedimiento de saneamiento electrocinético son las características del suelo y la humedad, las concentraciones de contaminantes, la concentración de iones no diana y la conductividad del agua intersticial, la profundidad del suelo saneado, los requisitos de preparación del sitio, y costes de la electricidad (Van Cauwenberghe 1997). La distancia optimizada en costes entre los electrodos para sistemas comerciales es de 3 a 6 m para la mayoría de los suelos (Lagerman 1993; Ho et al., 1999). Dado que el nivel de migración de los contaminantes es de aproximadamente 2 a 3 cm/día, el marco temporal para un saneamiento con éxito entre los electrodos separados por 2 a 3 m es del orden de 100 días, aunque se emplean comúnmente membranas selectiva de cationes y otras tecnologías para reducir los periodos de saneamiento a periodos de 10 a 20 días (van Cauwenberghe 1997). El desglose de los costes asociados a un programa de saneamiento electrocinético son aproximadamente el 40% para la construcción de electrodos, del 10 al 15% para la electricidad, el 127% para la mano de obra, el 17% para materiales, y hasta el 16% para licencias y otros costes fijos (Ho et al., 1997).

Un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento electrocinético mejorado para la protección de las aguas subterráneas, el saneamiento y la ingeniería de construcción de los suelos que económico eficiente y flexible en su aplicación. El procedimiento implica:

\bullet: la colocación electrocinética estratégica y distante de una barrera rica en hierro con una geometría requerida, lo cual proporciona una barrera física y/o química contra los contaminantes, y mejora las propiedades de ingeniería de los suelos y sedimentos (contaminados u otros);

\bullet: la generación de un gradiente de pH y eh para removilizar y/o atrapar los contaminantes presentes en los suelos, los sedimentos o los lodos: y

\bullet: la estabilización y la dehidratación/rehidratación estratégica de suelos/sedimentos/lodos, la migración forzada y directa de lixiviados contaminados y la purga electroosmótica de contaminantes no polares.

A diferencia de las técnicas electrocinéticas existentes, el procedimiento de la presente invención proporciona un enfoque robusto, no selectivo y económico para la reducción y la contención de contaminantes, y se basa, además, en procedimientos naturales de mineralización de hierro que se producen en el entorno cercano a la superficie, puesto que el sistema imita la naturaleza (por ejemplo la formación de cazuelas de hierro) y el hierro es un elemento principal común en los sistemas de rocas y suelos y es relativamente no tóxico, los impactos ambientales son mínimos. Además, el propio hierro tiene propiedades bien documentadas que atrapan contaminantes.

Según la presente invención, se proporciona un procedimiento electrocinético para la protección de las aguas subterráneas, el saneamiento del suelo y/o la ingeniería del suelo que comprende aplicar un campo eléctrico entre electrodos sacrificiales ricos en hierro, que están implantados en un área de suelo, sedimento o lodo que lleva agua, para de este modo generar un gradiente abrupto de pH y Eh pasando de condiciones ácidas a alcalinas con la precipitación espontánea in situ de una banda estable rica en hierro que se produce en el límite entre las zonas ácida y alcalina.

El procedimiento de esta invención se caracteriza por incrementar la movilidad y la solubilidad de los contaminantes a través de la aplicación de una carga eléctrica, y por detener simultáneamente su migración bien por la fijación a una banda de hierro generada electroquímicamente que se precipita dentro del área en tratamiento, o por precipitación forzada dentro del campo impuesto de Eh/pH. Este enfoque es distinto de otras técnicas de saneamiento porque está destinado deliberadamente a producir una banda de hierro in situ entre el cátodo y el ánodo, que proporciona simultáneamente una barrera tanto física como química, emplea una baja tensión de típicamente menos de 0,5 voltios por centímetro de distancia entre electrodos (con requisitos de bajo consumo de energía) para generar un fuerte gradiente de Eh/pH dentro de los suelos y sedimentos; usa materiales de cátodo y ánodo sacrificiales económicos; puede producir, a través de deshidratación diferencial, hundimiento diferencial controlado y reducción de permeabilidad, y que se puede generar en materiales naturales e industriales a escalas temporales de laboratorio. Por el contrario, las técnicas comerciales actuales tiene un mayor orden de magnitud de los requisitos energéticos, evitan activamente la generación de un gradiente de pH y la precipitación de hierro o contaminantes dentro del suelo o del sedimento (por ejemplo técnicas electrocinéticas actuales) o el uso ex situ de limpieza/eliminación; o tecnologías duras de ingeniería (por ejemplo barreras reactivas).

La presente invención es una técnica basada en electroquímica de baja tensión (< 0,5 v/cm, en la mayoría de los casos inferior a 0,2 v/cm), que usa la electrocinética para generar un gradiente intenso de pH (típicamente de pH 2 a pH 13) y un gradiente de Eh en suelos sedimentos y lodos, desestabilizan/disuelven los minerales y fuerzan la precipitación in situ de una banda estable rica en hierro. Los campos eléctricos internos de la escasa usada en el procedimiento de la invención se producen comúnmente de manera natural en los cuerpos de roca y suelo y se pueden producir a partir de diversas condiciones. Un resultado común de este fenómeno es la generación eléctrica de bandas de hierro-piedra en sedimentos no cementados (por ejemplo Jacob et al., 1996). Tales bandas, que se encuentran en muchos sistemas geológicos pueden resultar cuando se lleva a cabo la disociación del agua con la formación de una zona anódica caracterizada por iones ácidos (pH 2,0 - 2,5) y una zona catódica caracterizada por iones alcalinos (pH 10,5 - 11,5). Como consecuencia de la diferencia de potencial, se desarrolla una zona de limite pronunciado dentro de la cual puede producirse un cambio abrupto de pH de 2,5 a 8. donde hay suficiente hierro presente en el sistema, la precipitación espontánea de hidróxidos y óxidos metálicos insolubles (principalmente hierro) se produce en el punto de este salto de pH'' (Jacob et al., 1996). Pequeñas cantidades de hierro nativo (es decir de valencia cero) también pueden estar presentes. En estado natural, tales bandas ricas en hierro son comúnmente poco cristalinas o amorfas (por ejemplo Hopkinson et al., 1998).

El procedimiento de la presente invención emula de este modo los procedimientos de mineralización del hierro^{III} natural, pero a escalas temporales experimentales en lugar de geológicas, aplicando un potencial eléctrico continuo a los electrodos para aumentar las bandas de fases de mineral de hierro^{III} en columnas de suelo y sedimento, y para aprovechar sus propiedades de adsorción, para atrapar o descomponer los contaminantes de la fase acuosa, o extraídos de las partículas de suelo, durante su migración en el campo electrocinético aplicado. Los sólidos ricos en hierro amorfos recién precipitados o débilmente cristalinos, del tipo generado por este procedimiento, son buscadores extremadamente efectivos de una gama de metales pesados, radionucleídos y contaminantes orgánicos en diversos entornos (Bendell-Young y Harvey 1992, Cundy y Croudace 1995). El hiero de valencia cero es él mismo un catalizador importante para la decloración de compuestos alifáticos clorados tóxicos (Haran et al., 1996). Además, debido a que este procedimiento genera fuertes condiciones ácidas en el ánodo y fuertes condiciones alcalinas en el cátodo, los contaminantes fijados a las partículas de suelo o sedimento (tales como radionucléidos y metales pesados), que son solubles en condiciones bien ácidas o básicas son solubilizados y forzados a migrar hacia el electrodo apropiado, por lo cual se precipitan o son coprecipitados con la banda de hierro. En esencia, la presente invención proporciona la oportunidad de "eliminar" contaminantes de parcelas de sedimentos contaminados, y a continuación volver a atrapar y concentrarlas en, o adyacentemente a, la banda de hierro. Esto ofrece el potencial de limpieza in situ de suelos, sedimentos y lodos contaminados. Se puede realizar la limpieza de todo el volumen del suelo entre los electrodos y la electrodeposición de los contaminantes sobre el cátodo se evita, invirtiendo simplemente la polaridad de los electrodos a intervalos regulares.

El enfoque realizado en el procedimiento de la invención es distinto de las tecnologías existentes de saneamiento in situ, tales como barreras reactivas permeables, en lugar de secuestrar simplemente los contaminantes de la solución, el sistema moviliza de hecho los contaminantes en solución antes ser atrapados posteriormente por el gradiente de banda reactiva/Eh/pH impuesto, limpiando de este modo los suelos contaminados así como las aguas subterráneas. Difiere de las técnicas electrocinéticas existentes en su uso de electrodos económicos (por ejemplo electrodos hechos de hierro fundido, ferralla, acero inoxidable u otro material rico en hierro), sus requisitos de bajo consumo de energía y más significativamente en su generación deliberada de una banda de hierro de sorción en el material que se está tratando. De este modo, la técnica electrocinética descrita en la presente memoria descriptiva es innovadora y se distingue claramente de otros sistemas de tratamiento electrocinético. La banda de hiero precipitada representa, sin embargo, mucho más que simplemente un sumidero químico para contaminantes tóxico liberados de la columna de sedimento por oxidación, reducción y reacciones de pH. El procedimiento electrocinético que pone en marcha la formación de la banda de hierro se puede usar también para mejorar las propiedades de ingeniería, y reducir masivamente la permeabilidad de los suelos y sedimentos a través de la deshidratación diferencia de arcillas, y la generación de bandas de hierro. De este modo, la precipitación férrica electrocinética de hierro representa un medio de confinar físicamente vertidos de desechos, proporcionando una barrera reactiva a los vertidos de desechos líquidos que se puede volver a sellar y reforzar mediante aplicaciones periódicas de corriente eléctrica (por ejemplo atrapando y sorbiendo básicamente el lixiviado que ha sido percolado a través del recubrimiento de base de un vertedero). Además, el procedimiento ofrece el potencial, a través de la deshidratación o rehidratación estratégica de suelos y sedimentos y la generación de bandas de hierro, para rehidratar y estabilizar suelos para aplicaciones de ingeniería civil (por ejemplo construcción de edificios). Las técnicas existentes de deshidratación implican la deshidratación completa de grandes volúmenes de lodos (por ejemplo Lamont-Black 2001), mientras que la presente técnica se aplica in situ para rehidratar o deshidratar estratégicamente, y reforzar o generalmente mejorar las propiedades de construcción de, parcelas de suelo, y de este modo tiene una gama de potenciales aplicaciones de ingeniería civil (tal como tratar con hundimientos).

El procedimiento de la invención puede tener aplicabilidad directa respecto de la integridad de los recubrimientos de vertederos, tecnologías de barrera reactiva permeable, y sistemas de embudo y compuerta, hundimiento diferencial controlado, que mejoran las propiedades de construcción de los suelos y los sedimentos, el saneamiento de terrenos contaminado (suelos y sedimentos) y la limpieza de lodos y fangos industriales. Por consiguiente, será significativamente interesante y potencialmente ventajoso para una gran variedad de organizaciones, por ejemplo agencias ambientales, compañías de aguas, operadores de vertederos, consultantes de ingeniería civil y medioambientales y compañías de combustible nuclear.

El procedimiento de la presente invención, tiene por lo tanto una serie de ventajas sorprendentes y significativas comparadas con otras técnicas comerciales. En comparación con las tecnologías de barrera reactiva permeable, proporciona una barrera liberable rica en hierro, que puede ser colocada a distancia (sin ingeniería) en lugares de trabajo y en lugares con infraestructura para inhibir física y químicamente la migración de contamínate subsuperficial, y puede redirigir el flujo de contaminantes subsuperficiales. En comparación con las técnicas de saneamiento electroquímicas comerciales, hay un menor orden de magnitudes en los requisitos energéticos y el coste de los electrodos, no implica el uso de soluciones de acondicionamiento potencialmente tóxicas, puede removilizar los contaminantes desde la fase sólida y atrapar y contener simultáneamente contaminantes en la fase líquida, y se puede aplicar sobre lugares de trabajo o lugares que contienen infraestructuras.

La baja tensión usada, acoplada a la flexibilidad provista por el uso de múltiples electrodos de bajo coste, significa que el terreno contaminado puede ser tratado secuencialmente con una serie de redes de electrodos, con lo cual la distancia entre los electrodos individuales no sobrepasa unos pocos metros. Además, la corriente es suficientemente baja para evitar el calentamiento del suelo y la generación de gas a gran escala en los electrodos. La geometría ajustable de los electrodos significa que la técnica se puede adaptar para adecuarse a las condiciones específicas del sitio, y grandes áreas de terreno pueden ser tratadas secuencialmente. Se preciará que el hierro puede ser precipitado para formar una banda coherente o un revestimiento que cementa partículas de suelo/sedimento, o un revestimiento dispersado sobre granos minerales, entre dos o más electrodos. Según el tratamiento, la banda de hierro puede simplemente ser excavada como una masa coherente, o ser dejada in situ para proporcionar un inerte a largo plazo y, mediante la reaplicación de la actual barrera resellable.

El procedimiento de la invención proporciona una tecnología electrocinética sostenible de bajo coste para la protección de las aguas subterráneas y el saneamiento del suelo, que se puede utilizar en combinación con. O como una alternativa a, las tecnologías de saneamiento de terreno existentes. La técnica se puede aplicar a pequeños lugares, así como a grandes áreas de terreno contaminado, y se puede llevar a cabo donde están presentes estructuras hechas por el hombre, o donde hay actividad de lugar desarrollo.

El procedimiento de la invención será ilustrado ahora mediante los siguientes ejemplos y los dibujos anexos.

La figura 1 muestra una banda rica en hierro subvertical de 1 cm de espesor generada en arenas saturadas en agua después de 30 horas de aplicación de una diferencia de potencial de 1,5 voltios entre electrodos de hierro fundido.

La figura 2a muestra la generación de una banda de hierro en un medio de suelo de arcilla usando el procedimiento de la presente invención.

La figura 2b muestra una diatomea (microorganismo marino) que, junto con la partícula de sedimento subyacente, ha sido recubierta y cementada con hierro usando la tecnología expuesta en esta aplicación.

Las figuras 3a - d se refieren a los datos de un experimento de purga de hidrocarburo, usando barro desoxidado de Agua de Southampton. La figura 3a muestra un espectro del infrarrojo medio para aceite de motor original usado para desoxidar el sedimento. Las figuras 3b, c y d muestran el espectro FT- IR para efluente evacuado del compartimiento catódico los días 5, 12 y 13 respectivamente del experimento. Nótese que las líneas de absorción de hidrocarburo y agua marina son pronunciadas. Nótese también que el número de las líneas diesel activas FT-IR y su intensidad global, incrementa con el tiempo experimental (por ejemplo el día 13 aparece CH_{3} curvado a 1376,66 cm^{-1}). Esto indica que el diesel dentro del efluente de la zona catódica se volvió cada vez más concentrado con el tiempo experimental.

Las figuras 4a y b muestran datos de ^{60}Co y As para barro tratado del estuario de Ravenglass. La banda de hierro está situada a 5 cm del ánodo. Obsérvese que el cambio en las unidades de eje Y, con ^{60}Co en Bq/g (o desintegración atómica por gramo por segundo) y As en ppm- Las barras de error sobre los datos As son menores que el símbolo marcado de diamante usado. Nótese que la reducción de aproximadamente el 40/ del As en el compartimiento catódico y del enriquecimiento del 100% en banda de hierro estrecha. La reducción en ^{60}Co es menos notable, pero sigue sobrepasando el 30% en la zona anódica (comparado con el material no tratado). También se observa un enriquecimiento del 50% en la banda de hierro comparado con el material no tratado (que corresponde a un enriquecimiento del 110% en ^{60}Co sobre la zona anódica.

Ejemplos

Los estudios pilotos han sido aplicados a escalas de laboratorio en células de perspex abierta por arriba de 25 x 2 x 15 cm y 3D x 50 x 40 cm (es decir efectivamente en espacios bidimensionales y tridimensionales). Todos los experimentos han sido realizados a < 5 voltios, usando electrodos de hierro fundido sacrificiales. Los electrodos fueron fabricados a partir de varillas de hierro fundido de diámetro de 25 mm (Clase 250), composición C 3,48%, si 2,87%, Mn 0,812%, S 0,099%, P 0,364%, Fe REM. Los experimentos han sido llevados a cabo sobre diversos barros contaminados, con aguas intersticiales de agua subterránea y agua de mar, en condiciones insaturadas y saturadas. Las escalas temporales varían de 3 a 400 horas.

En los experimentos que usan arena, la permeabilidad inicial de las arnas fue de 0,48 x 10^{-5} m/s, la permeabilidad postratamiento (en la banda de hierro) fue registrada en 0,19 x 10^{-5} m/s. Para los experimentos con el barro, la permeabilidad inicial fue típicamente de -0,29 x 10^{-7}, mientras que la permeabilidad del material tratado (en la banda de hierro) se registró en 10^{-9}, o menos, es decir, prácticamente impermeable. Además, se observo consistentemente una clara deshidratación en el sedimento alrededor del ánodo, y una rehidratación alrededor del
cátodo.

En todos los casos, se generó una zona fuertemente ácida alrededor del ánodo (aproximadamente pH 2) y una zona alcalina alrededor del cátodo (aproximadamente pH 13). En el punto del cambio abrupto de pH, aproximadamente equidistante entre el cátodo y el ánodo, se precipitó una roca de hierro coherente de un espesor de 1 a 4 cm (figura 1) con una resistencia compresiva uniaxial aproximada comparable a una arenisca moderadamente litificada (o las fortísimas cretas del Sur de Inglaterra). La roca de hierro generada consiste e una banda de hierro amorfa (véase la figura 2a), o, en los sedimentos de arena, un recubrimiento de hierros y óxidos de hierro de valencia cero que cementan los granos minerales. La presencia de hiero de valencia cero en la banda rica en hierro es notable puesto que una gran proporción de barreras reactivas permeables empleadas en sitios contaminados se basan en el uso de hierro de valencia cero para actuar como un potente agente reductor químico para los compuestos alifáticos clorados disueltos en el agua subterránea (Younger, 2002). También es posible generar rápidamente un revestimiento de sorción dispersado de hierro sobre un área predefinida de suelo sin pérdida significante de porosidad, cerrando simplemente la corriente antes de que se desarrolle totalmente la banda de hierro (figura 2b). Tal enfoque puede ser deseable en situaciones donde las propiedades de sorción del hierro pueden ser nocivas para reducir la concentración de contaminantes específicos, tales como el arsénico (As), en el agua subterránea.

Se presentan ahora dos estudios específicos que ilustran la aplicabilidad y el potencial del procedimiento de la presente invención para contener lixiviado y contaminantes n fase disuelta y sanear el terreno contaminado.

1.- Sedimentos contaminados de hidrocarburo y metales pesados, Agua de Southampton

A): una muestra de barro de estuario, contaminada con cobre (Cu) e hidrocarburos de petróleo de la refinería de petróleo cerca de Fawley y de las descargas de barcos locales, se trató usando cercana usando una tensión de 2 voltios, en una célula tridimensional usando una red de electrodos rectangulares. Una banda de hierro continua de hasta 3 cm de espesor fue generada a partir de las fuentes de punto de electrodo. Los datos para la concentración en Cu de tratamiento y postratamiento indican que el tratamiento electrocinético dio como resultado una reducción aproximada del 61% en contaminación de Cu en la zona anódica en 16,3 días (nótese que una pequeña proporción de Cu es Cu de fondo natural mantenido dentro de la matriz de cristal de los minerales estables. Este Cu que se produce naturalmente no está influido por el procedimiento electrocinético) y canalizado y drenado a aproximadamente 10 ml por día desde la superficie del compartimiento catódico. El requisito energético para el experimento fue de 10,9 kW/m^{3}. Estos valores se comparan favorablemente con los requisitos energéticos comúnmente mencionados para otros sistemas de saneamiento electrocinético, por ejemplo 500 kW/cm^{3} par la eliminación del 100% de los contaminantes metálicos (Virkutyte et al., 2002) La escala temporal para la descontaminación del cobre y la purga de hidrocarburos del sedimentos es comparable en duración con las tecnologías existentes que emplean membranas selectivas de carbono comparativamente costosas (Van Cauwenberghe, 1997). El uso de electrodos de hierro fundido (opuestamente a los electrodos de grafito, platino y chapeados en oro), significa que el sistema experimental es económico desde el punto de vista de la energía, los materiales y la construcción de electrodos, que constituye típicamente hasta el 70% de los costes asociados a cualquier sistema de saneamiento electronicético (Ho et al., 1997).

B): Para examinar la descontaminación de hidrocarburos por el procedimiento de la presente invención, una muestra de barro de Solent saturada de agua de mar se desoxidó con 0,4 litro de aceite fresco de motor 15W/40 (Halfords), y se trató a 2 voltios durante 13 días. Se añadieron pequeños volúmenes de agua de mar limpia alrededor de los electrodos para prevenir la desecación del sedimento. El efluente se eliminó intermitentemente mediante la pipeta a partir de una zanja de 1 cm de profundidad excavada en el compartimiento catódico. Las muestras de efluente se analizaron mediante espectroscopia del infrarrojo medio de la Transformada de Fourier. Los espectros resultantes de FT-IT muestran claramente la naturaleza rica en hidrocarburos del efluente (es decir solución de salida) comparada con el agua de mar limpia añadida (es decir la solución de entrada). Esencialmente, los hidrocarburos (en este caso el aceite de motor) contenidos en el sedimento rico en arcilla fueron extruidos o purgado mediante un flujo electroosmótico de agua desde el ánodo al cátodo, y se sustituyeron por agua de mar limpia (Figuras 3a - d).

El contenido de humedad natural del sedimento no tratado fue del 97%, comparado con el 69% y el 88% de las zonas del ánodo y del cátodo respectivamente, que concuerda con la extracción de efluente rico en hidrocarburos de la zona catódica, y el flujo electroosmótico de la zona anódica a la zona catódica. La densidad aparente se registró en 1,47 mg/m^{3} (húmedo) y 0,78 mg/m^{3} (seco), la gravedad específica 2,59. La densidad aparente de la zona anódica se registró en 1,49 mg/m^{3} (húmedo) y 0,88 mg/m^{3} (seco), gravedad específica 2,62. Estas diferencias en las propiedades físicas entre la zona anódica y la zona catódico concuerdan con la adición de sedimento de zona adónica, durante el experimento. La resistencia al corte de la paleta de mano de los sedimentos anódicos es de 2,45 kPa, comparado con el cero para la zona catódica y el sedimento no tratado. Esto indica una mejora significativa en las propiedades de construcción de los sedimentos de la zona anódica como consecuencia de la deshidratación electroosmótica, acompañada de la precipitación.

2.- Sedimento radiactivamente contaminado Ravenglass, Cumbria

Una muestra de sedimento rica en arcilla, ligeramente contaminada con radionucleidos artificiales, fue recogida del estuario de Ravenglass, Cumbria y se trató a 1,5 voltios durante 410 horas en una célula de perspex bidimensional, usando una separación de electrodos de 17 cm. Se generó una banda rica en hierro de 17 mm a r 5 cm del ánodo, en el punto donde se produce una mayor separación en el pH (de pH2 a pH 13). El análisis geoquímico y radiométrico del sedimento tratado (véase figura 4) muestra una clara eliminación del cobalto radiactivo (^{60}Co) de la zona anódica de la célula, y la precipitación del ^{60}Co removilizado sobre la banda rica en hierro. Esto se llevó a cabo en una escala temporal corta de 17 días comparado con los sistemas comerciales que funcionan típicamente duraciones de 20 a 100 días.

El manganeso (Mn), el calcio (Ca) y el estroncio (Sr) también fueron removilizados de la zona anódica y precipitados sobre, o alrededor de la banda de hierro. Los iones solubles tales como el yodo (I), bromo (Br) y sodio (Na) migraron hacia el electrodo apropiadamente cargado. Notablemente, As, presente como una traza de contaminante en estos sedimentos, fue muy apropiado para el tratamiento, produciéndose la desorción a pH elevados en la zona catódica. A un enriquecimiento del 100% de As producido sobre la banda rica en hierro (véase la figura 4), que refleja la gran afinidad de Ad para el hierro precipitado amorfo. Los radionucleidos altamente reactivos e partículas El plutonio (Pu) y americio (Am) presentes con actividades elevadas en este sedimento, no fueron significativamente removilizados sobre las escalas temporales usadas. El procedimiento d la presente invención, se puede, sin embargo, usar todavía para contener lixiviados contaminados con estos radionucleidos debidos a la acción de la banda de hierro como una barrera para el flujo agua subterránea, la fuerte asociación de Pu y Am con las fases de óxido de hierro amorfo recientemente precipitadas, y la acción del campo eléctrico aplicado, lo cual fuerza las especies iónicas y coloidales a migrar hacia el electrodo apropiadamente cargado.

En resumen, a diferencia de las técnicas electrocinéticas existentes que evitan activamente la precipitación de minerales y sales en la masa de suelo entre los dos electrodos, el procedimiento de la presente invención se dirige específicamente hacia la producción de una banda rica en hierro in situ entre el cátodo y el ánodo. Esta banda de hierro proporciona simultáneamente una barrera física así como una barrera química a la migración de lixiviados. El procedimiento también emplea una baja tensión (con requisitos energéticos bajos) para generar un fuerte gradiente de pH dentro de los suelos y sedimentos y puede desorber una gama de contaminantes polares e iónicos. Utiliza materiales de cátodo y ánodo sacrificiales de bajo coste, y puede producir, a través de la deshidratación diferencial, el movimiento de agua y la purga electroosmótica de los contaminantes orgánicos no polares.

Referencias

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2. Bendell-Young L, Harvey H.H (1992) Geochinn. Cosmochim. Acta 56, 1175-1186.

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Claims

1. Un procedimiento electrocinético para la protección del agua subterránea, el saneamiento del suelo y/o la ingeniería del suelo que comprende aplicar un campo eléctrico entre los electrodos sacrificiales ricos en hierro, que están implantados en un área de suelo, sedimento o lodo que lleva agua, para de este modo generar un gradiente abrupto de pH y Eh a partir de condiciones ácidas a alcalinas, con la precipitación espontánea in situ de una banda estable rica en hierro en el límite entre las zonas ácidas y alcalinas.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el cual el gradiente de pH es de pH2 a pH13.

3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el cual la corriente se aplica entre uno o más pares de electrodos insertados en la zona de suelo, de sedimento o de lodo.

4. Un procedimiento según la reivindicación 3, en el cual los electrodos son fabricados en hierro fundido, ferralla, acero inoxidable o en cualquier otro material rico en hierro.

5. Un procedimiento según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en el cual la tensión empleada es inferior a 0,5 voltios por cm de la distancia entre el par de electrodos.

6. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el suelo, el sedimento o el lodo contienen contaminantes orgánicos, inorgánicos y/o radiactivos.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la banda rica en hierro actúa como una barrera física y/o química para los contaminantes presentes en el suelo, el sedimento o el lodo.

8. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el hierro se precipita para formar una banda coherente impermeable o un revestimiento que cementa partículas de suelo/sedimento, o un revestimiento dispersado sobre granos minerales, entre dos electrodos o más.

9. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la generación del gradiente de pH/Eh moviliza, removiliza y/o atrapa los contaminantes en el suelo, el sedimento o el lodo.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se efectúa con fines de estabilización y/o de deshidratación/rehidratación estratégicas de suelos, sedimentos y/o lodos, la mejora de las propiedades físicas de los suelos y de los sedimentos con fines de ingeniería, la migración forzada y dirigida de lixiviados contaminados y/o de purga electroosmótica de contaminantes no polares.