Vitrifikácia

   Princíp

Podstatou vitrifikácie je elektrické odporové tavenie kontaminovaných zemín pri teplote 1 600 až 2 000 °C. Tavenie prebieha medzi štyrmi grafitovými elektródami zarazenými do zeme. Vzniká sklovitá tavenina, ktorá v sebe uzatvára najmä neprchavé komponenty. Väčšina prchavých látok sa teplom rozloží alebo vyprcháva, a preto technológia musí byť vybavená systémom na dočisťovanie odchádzajúcich plynov. Pri tavení sa redukuje objem kontaminovanej hmoty o 20 až 50 %. To spôsobuje pokles nadložných vrstiev. Pri tavení sa používa štvorcová sieť, vznikajúce bloky zasahujú do hĺbky 7 m a majú priemer 15 m.

   Použiteľnosť

Vitrifikácia in situ je komerčne dostupná metóda. Vitrifikáciu je možné všeobecne aplikovať pri kontaminácii organickými aj anorganickými zlúčeninami a rádionuklidmi (nebezpečný chemický odpad, rádioaktívny odpad, ako aj zmiešaný odpad).

   Základná charakteristika

Vitrifikácia je sanačná technológia, pri ktorej sa využíva elektrická energia na zahrievanie a tavenie kontaminovaných zemín na takú vysokú teplotu, ktorá spôsobí tavenie a po ochladení vznik inertných sklovitých materiálov. Produktom vitrifikácie je chemicky stabilný sklovitý až kryštalický materiál podobný obsidiánu a bazaltovým horninám rezistentný proti vylúhovaniu. Na mieste aplikácie je potrebné umiestniť aj vákuové odsávanie na zachytávanie a následné čistenie unikajúcich plynov. Anorganické kontaminanty sa stávajú súčasťou vitrifikovanej zóny (vitrifikačnej sklenej hmoty). Organické kontaminanty sa obyčajne odparia, prípadne sa malá časť môže stať súčasťou vitrifikačnej sklenej hmoty. Odpadové pary a produkty spaľovania sa zachytávajú a čistia v systéme, ktorý ich zachytáva (Fuentes et al., 2002).

Elektrický distribučný systém, systém čistenia unikajúcich plynov a jednotlivé súčasti systému sa stále vývojovo zdokonaľujú. V súčasnosti sa na vitrifikáciu kontaminovaných zemín používajú aj plazmové oblúkové zdroje. Kontaminovaná pôda sa pyrolizuje, taví a solidifikuje použitím plazmových oblúkových zdrojov, ktoré sa postupne vo vrtoch dvíhajú v smere odspodu na povrch (Fuentes et al., 2002). Schéma vitrifikácie je uvedená na obr. 4.1.19.

Mobilita kontaminantov sa môže znížiť vysokoteplotnou úpravou znečistenej oblasti. To vedie k formovaniu sklovitého materiálu. Počas tohto procesu zvyšovanie teploty môže aj volatilizovať alebo deštruovať niektoré organické kontaminanty alebo prchavé kovy (ako Hg), ktoré sa musia zachytiť a upraviť. Pomocou vitrifikácie sa môže upraviť väčšina pôd a takto sa môže zachytiť veľké množstvo organických a anorganických kontaminantov. Vitrifikácia sa môže realizovať in situ aj ex situ, ale kvôli nižším nákladom na energie sa proces in situ používa častejšie. Vitrifikácia in situ predstavuje vytvorenie prívodu elektrického prúdu použitím elektród vsunutých vertikálne do kontaminovaného prostredia. Ak je pôda veľmi suchá, je potrebné zvýšiť jej vodivosť napríklad pridaním vločiek grafitu, ktoré sa musia zapracovať do kontaminovaného materiálu medzi elektródami (Evanko a Dzombak, 1997).

Pri jednej vitrifikácii in situ je možné upraviť až 1 000 t znečistenej pôdy do hĺbky približne 6 – 7 metrov s rýchlosťou asi 3 – 6 t za hodinu. Väčšie oblasti je potrebné rozdeliť na viaceré vitrifikačné zóny. Hlavnou požiadavkou na úspešnosť metódy je schopnosť pôdy taviť sa a vitrifikovať pri chladnutí. Ak je obsah alkálií v pôde vysoký (obsah Na₂O a K₂O je vyšší ako 1,4 hm. %), na úspešnú aplikáciu metódy vitrifikácie môže mať pôda nízku vodivosť (Buelt a Thompson, 1992).

 

   Výhody a limitácie

Výhodou vitrifikácie je efektívna imobilizácia anorganických znečisťujúcich látok (napr. ťažkých kovov a rádionuklidov) a môže sa pri nej výrazne zmenšiť objem odpadu.

Nevýhody a limitácie vitrifikácie je možné zhrnúť nasledovne (Fuentes et al., 2002):

•      metóda predstavuje deštruktívny a nevratný proces,

•      zeminu po vitrifikácii nie je možné použiť na poľnohospodárske účely,

•      unikajúce emisie sa musia v priebehu vitrifikácie kontrolovať,

•      použitie metódy môže byť limitované hĺbkovým dosahom kontaminácie (pri použití najnovších metód je možné realizovať technológiu do hĺbky asi 10 m),

•      vitrifikovaný materiál môže obmedziť využiteľnosť priestoru po vitrifikácii,

•      zahrievanie pôdy môže spôsobiť migráciu kontaminantov do nadložnej pripovrchovej zóny, ktorá pôvodne nebola kontaminovaná,

•      metóda sa nemôže použiť na miestach, kde sa nachádza akumulácia horľavých alebo výbušných materiálov,

•      vitrifikácia silne volatilizuje niektoré organické komponenty a rádionuklidy (vrátane ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr a trícia); únik plynov s obsahom takýchto látok, ako aj vysoké napätie používané pri aplikácii metódy predstavuje potenciálne bezpečnostné aj zdravotné riziko,

•      vitrifikácia znižuje množstvo a mobilitu rádionuklidov, ale neznižuje ich rádioaktivitu (preto je potrebné na znečistených miestach používať aj ochranné bariéry).

 

Obr. 4.1.19. Všeobecný náčrt vitrifikácie (US EPA, 2001).

Vysvetlivky: 1 – elektródy, 2 – povrch terénu, 3 – elektrický prúd, 4 – zemina, 5 – počas vitrifikácie, 6 – po vitrifikácii, 7 – roztavená zemina, 8 – blok sklovitého vitrifikovaného materiálu.

   Trvanie čistenia a účinnosť

Vo vzniknutej tavenej zemine nezostávajú prakticky žiadne organické látky (účinnosť 99,9 %) a väčšina kovov a rádionuklidov sa v tavenine nachádza vo forme oxidov. V tavenine sa zachytí až 99,9 % neprchavých znečisťujúcich látok (Sr, Ba, Cr), 90 až 99,9 % poloprchavých znečisťujúcich látok (Co, Cs, Pb, As, Cd) a 0 až 90 % prchavých znečisťujúcich látok (Hg) (Matějů et al., 2006).

Čas čistenia závisí od viacerých faktorov:

•      od veľkosti a hĺbky znečistenej oblasti,

•      od typu a množstva prítomných chemikálií,

•      od vlhkosti pôdy (vlhká pôda sa musí vysušiť, čo je časovo náročnejšie).

Vo všeobecnosti je vitrifikácia in situ zvyčajne rýchlejšia ako väčšina sanačných metód. Čistenie môže zabrať niekoľko týždňov až mesiacov, výnimočne niekoľko rokov (US EPA, 2001d).

 

© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží

Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,

Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová

Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,

ISBN    978-80-89343-39-3