Remediacja gleby i osadów
Problemy środowiskowe stwarzane przez pożary lasów, wypadki tankowców i wycieki ropy z samochodów osobowych i ciężarowych, nieszczelne kontenery, awarie przemysłowe i źle utylizowane odpady przyczyniają się do skażenia gleby. Liczne tony gleby i osadów na świecie zostały skażone dioksynami, które wymagają odpowiedniej metody rekultywacji. Do remediacji gleby i osadów można zastosować metody on site lub in situ oraz off site lub ex situ.
Radiolityczna degradacja: Promieniowanie jonizujące w postaci wysokoenergetycznych wiązek elektronów i promieni gamma jest potencjalną techniką niszczenia nietermicznego. Teoretyczne i niektóre empiryczne oceny sugerują, że te wysokoenergetyczne źródła mogą być dobrze przystosowane do przekształcania dioksyn w nieszkodliwe produkty. Radioliza gamma okazała się skuteczna w degradacji PCDD i PCB w rozpuszczalnikach organicznych oraz w dezynfekcji ścieków. Badanie produktów ubocznych i obliczenia teoretyczne wskazują, że niszczenie TCDD przebiega poprzez redukcyjną dechlorację. Stwierdzono również, że dodanie promotorów (np. węgla aktywnego) do substancji toksycznych zwiększa procent zniszczenia pod wpływem promieniowania wiązki elektronów.
Katalizowana zasadowo dechloracja: Proces rozkładu katalizowany przez bazę (BCD) jest procesem chemicznej dehalogenacji. Polega on na dodaniu do zanieczyszczonego medium węglanu, wodorowęglanu lub wodorotlenku metali alkalicznych lub ziem alkalicznych. BCD jest inicjowany w średniotemperaturowym desorberze termicznym (MTTD) w temperaturze od 315°C do 426°C. Do zanieczyszczonego medium dodaje się alkalia w proporcjach od 1% do około 20% wagowych. Do mieszaniny dodawany jest związek będący donorem wodoru w celu dostarczenia jonów wodorowych do reakcji, jeśli jony te nie są już obecne w zanieczyszczonym materiale. Następnie w procesie BCD następuje chemiczna detoksykacja chlorowanych zanieczyszczeń organicznych poprzez usunięcie chloru z zanieczyszczeń i zastąpienie go wodorem. Na przykład oleje skażone PCB i dioksynami zostały poddane remediacji przy użyciu Na/NH3, podobnie jak gleby skażone PCB i osady z miejsc skażonych.
Podkrytyczne uzdatnianie wody: Woda, która jest utrzymywana w stanie ciekłym powyżej 100°C poprzez zastosowanie ciśnienia nazywana jest wodą podkrytyczną. Ma ona właściwości podobne do rozpuszczalników organicznych i może działać jako łagodne medium. Była ona wykorzystywana do ekstrakcji PCB i innych zanieczyszczeń organicznych z gleby i osadów. Niektórzy naukowcy badali zastosowanie żelaza zero-walentnego (ZVI) w redukcyjnym odchlorowaniu PCDD i remediacji skażonych gleb przy użyciu wody podkrytycznej jako medium reakcyjnego i rozpuszczalnika ekstrakcyjnego. Stwierdzono, że przy użyciu proszku żelaza jako matrycy wyższe chlorowane kongenery zostały praktycznie całkowicie zredukowane do mniej niż tetra-podstawionych homologów. Żelazo zero-walentne stało się akceptowane jako jeden z najbardziej efektywnych środków remediacji środowiska. Jest niedrogie, łatwe w obsłudze i skuteczne w oczyszczaniu szerokiego zakresu związków chlorowanych lub metali ciężkich. Jest on szeroko stosowany in situ, ex situ lub jako część kontrolowanego procesu oczyszczania w ściekach, wodzie pitnej, stabilizacji poprawek glebowych i zastosowaniach związanych z odpadami kopalnianymi.
Desorpcja termiczna: Desorpcja termiczna jest procesem separacji często stosowanym do remediacji wielu miejsc objętych programem Superfund. Jest to technologia remediacji ex situ, która wykorzystuje ciepło do fizycznego oddzielenia węglowodorów ropopochodnych od wydobytych gleb. Desorbery termiczne są przeznaczone do podgrzewania gleby do temperatury wystarczającej do spowodowania ulatniania się składników i ich desorpcji (fizycznego oddzielenia) od gleby. Chociaż nie są one przeznaczone do rozkładu składników organicznych, desorbery termiczne mogą, w zależności od obecności określonych związków organicznych i temperatury systemu desorbera, spowodować całkowity lub częściowy rozkład niektórych składników. Odparowane węglowodory są zazwyczaj poddawane obróbce w jednostce wtórnego oczyszczania (np. dopalacz, komora utleniania katalitycznego, skraplacz lub jednostka adsorpcji węgla) przed odprowadzeniem do atmosfery. Dopalacze i utleniacze niszczą składniki organiczne. Skraplacze i jednostki adsorpcji węgla wychwytują związki organiczne do późniejszego przetworzenia lub usunięcia.
Fotoliza in situ: W tej metodzie dioksyny mogą ulegać fotolizie pod wpływem światła słonecznego w odpowiednich warunkach. Jest to metoda efektywna pod względem kosztów i mniej niszcząca teren. Do zanieczyszczonej gleby dodaje się mieszaninę rozpuszczalników organicznych, a następnie pozostawia się czas na rozpuszczenie, transport i fotodegradację dioksyn. W tym celu powierzchnię gleby spryskuje się rozpuszczalnikiem organicznym o niskiej toksyczności i pozwala się jej na fotodegradację pod wpływem światła słonecznego. Kilku badaczy zastosowało to podejście, stwierdzając, że dioksyny na powierzchni gleby szybko rozkładały się po spryskaniu jej różnymi substancjami organicznymi, takimi jak izooktan, heksan, cykloheksan itp. Stwierdzono, że reakcje fotolityczne wywołane promieniowaniem słonecznym mogą być głównym mechanizmem przemiany tych związków chemicznych w mniej toksyczne produkty degradacji. Głównym mechanizmem transportu w tych badaniach było konwekcyjne przemieszczanie się dioksyn ku górze w miarę odparowywania lotnych rozpuszczalników. Skuteczność tego procesu zależy od równowagi między dwoma czynnikami kontrolującymi tempo: transportem konwekcyjnym do powierzchni i dostępnością światła słonecznego do fotodegradacji.
Eksploatacja rozpuszczalników i gazów płynnych: Ekstrakcja jest fizyko-chemicznym sposobem oddzielania zanieczyszczeń organicznych od gleby i osadów, a tym samym koncentrowania i zmniejszania objętości zanieczyszczeń, które muszą zostać zniszczone. Jest to proces ex situ i wymaga wydobycia zanieczyszczonej gleby z danego miejsca i zmieszania jej z rozpuszczalnikiem. Ostatecznie uzyskuje się stosunkowo czystą glebę i osady, które mogą być zwrócone na miejsce. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) oceniła w skali pilotażowej proces ekstrakcji rozpuszczalnikowej, w którym wykorzystuje się skroplony propan do ekstrakcji zanieczyszczeń organicznych z gleby i osadów. Około 1000 funtów gleby, o średnim stężeniu polichlorowanych bifenyli (PCB) 260 mg/kg, zostało pobranych z odległego terenu objętego programem Superfund. Wyniki wykazały, że skuteczność usuwania PCB wahała się od 91,4% do 99,4%, przy czym gleby ekstrahowane propanem zachowywały niskie stężenia PCB (19,0-1,8 mg/kg). Stwierdzono, że całkowita skuteczność ekstrakcji zależy od liczby zastosowanych cykli ekstrakcji.
Destylacja z parą wodną: Destylacja, w której odparowanie lotnych składników mieszaniny cieczy odbywa się w niższej temperaturze (niż punkty wrzenia obu czystych cieczy) przez wprowadzenie pary wodnej bezpośrednio do wsadu. Jest to idealny sposób na oddzielenie lotnych związków od nielotnych zanieczyszczeń z wysoką wydajnością. Destylacja z parą wodną jest skuteczna w połączeniu z energią mikrofalową w oczyszczaniu skażonej gleby i osadów. Obróbka mikrofalowa może być dostosowana do poszczególnych strumieni odpadów: w zależności od gleby, zanieczyszczeń i ich stężeń, obróbka remediacyjna może być przeprowadzona w kilku etapach, aż do osiągnięcia pożądanego poziomu oczyszczenia. Wszystkie zanieczyszczenia mogą zostać usunięte do poziomu niewykrywalnego lub śladowego. Stwierdzono, że destylacja z parą wodną była skuteczna w usuwaniu 2,7-dichlorodibenzo-p-dioksyny (DCDD) z gleby, na której zastosowano DCDD. Stężenie DCDD (250 μg/50 g gleby) w pierwotnej glebie zmniejszyło się do mniej niż 5% po destylacji z parą wodną przez zaledwie 20 min. Wyniki te sugerują, że destylacja z parą wodną może być nową metodą remediacyjną dla gleb zanieczyszczonych dioksynami.
Mechanochemiczna (MC): W technologii tej energia mechaniczna przekazywana jest z ciał mielących do układu stałego poprzez naprężenia ścinające lub ściskanie, w zależności od zastosowanego urządzenia. Znaczna część energii frezowania jest zamieniana na ciepło, a mniejsza część jest wykorzystywana do wywoływania pęknięć, rozciągnięć i kompresji na poziomie mikro- i makroskopowym lub do przeprowadzania reakcji. Degradacja MC może być łatwo przeprowadzona przy użyciu młynów kulowych, które są łatwo dostępne w różnych rozmiarach (możliwa jest obróbka materiałów o masie do kilku ton) i konstrukcjach. Zanieczyszczenia są eliminowane bezpośrednio wewnątrz zanieczyszczonego materiału, bez względu na złożoną strukturę i silny charakter zanieczyszczeń. Metoda ta ma duży potencjał do utylizacji odpadów organicznych w dowolnie wybranym miejscu i elastyczności działania dzięki zastosowaniu przenośnego urządzenia składającego się z młyna i zbiornika myjącego z filtrem. Chociaż metoda ta wymaga odczynnika dechlorującego, takiego jak CaO w operacji mielenia, nie wymaga ona żadnej operacji ogrzewania. Aby wesprzeć stosowanie metody MC dechlorowania, użyteczne byłoby uzyskanie korelacji pomiędzy stopniem odchlorowania odpadów organicznych a warunkami mielenia (MC) w celu określenia optymalnych warunków w reaktorze MC. Metoda ta oferuje szereg korzyści ekonomicznych i ekologicznych: mielenie kulowe wymaga jedynie niskiego nakładu energii. Ze względu na wyjątkowo łagodne warunki reakcji, toksyczne związki mogą być przekształcane w określone i użyteczne produkty. Nie należy się spodziewać żadnych szkodliwych emisji do środowiska. Otworzyło to drogę do opracowania nowych, innowacyjnych procesów remediacji i dekontaminacji ex situ dioksyn.
Proces biodegradacji: Bioremediacja jest procesem oczyszczania, który wykorzystuje mikroorganizmy, takie jak grzyby i bakterie, do degradacji substancji niebezpiecznych w substancje nietoksyczne. Mikroorganizmy rozkładają zanieczyszczenia organiczne na nieszkodliwe produkty – głównie dwutlenek węgla i wodę. Gdy zanieczyszczenia zostaną zdegradowane, populacja mikroorganizmów zmniejsza się, ponieważ wykorzystały one całe swoje źródło pożywienia. Zakres biodegradacji zależy w dużym stopniu od toksyczności i początkowego stężenia zanieczyszczeń, ich podatności na biodegradację, właściwości zanieczyszczonej gleby oraz rodzaju wybranych mikroorganizmów. Istnieją głównie dwa typy mikroorganizmów: autochtoniczne i egzogeniczne. Te pierwsze to mikroorganizmy, które już żyją na danym terenie. Aby stymulować wzrost tych rodzimych mikroorganizmów, może być konieczne zapewnienie odpowiedniej temperatury gleby, tlenu i zawartości składników odżywczych. Jeśli aktywność biologiczna potrzebna do degradacji danego zanieczyszczenia nie jest obecna w glebie na danym terenie, do zanieczyszczonej gleby można dodać mikroorganizmy z innych miejsc, których skuteczność została przetestowana. Są to tak zwane mikroorganizmy egzogenne.