El calentamiento por resistencia eléctrica (ERH, por sus siglas en inglés) es un método intensivo de remediación ambiental in situ que utiliza el flujo de electricidad de corriente alterna para calentar el suelo y el agua subterránea y evaporar los contaminantes. [1] La corriente eléctrica pasa a través de un volumen de suelo específico entre los elementos de electrodos subterráneos. La resistencia al flujo eléctrico que existe en el suelo provoca la formación de calor, lo que da como resultado un aumento de la temperatura hasta que se alcanza el punto de ebullición del agua en profundidad. Después de alcanzar esta temperatura, el aporte adicional de energía provoca un cambio de fase, formando vapor y eliminando contaminantes volátiles. El ERH suele ser más rentable cuando se utiliza para tratar áreas de origen de contaminantes.
La industria de la restauración ambiental utiliza el calentamiento por resistencia eléctrica para la remediación de suelos y aguas subterráneas contaminados. El calentamiento por resistencia eléctrica consiste en construir electrodos en el suelo, aplicarles corriente alterna (CA) y calentar el subsuelo a temperaturas que promuevan la evaporación de contaminantes. Los contaminantes volatilizados son capturados por un sistema de recuperación de vapor del subsuelo y transportados a la superficie junto con el aire y el vapor recuperados. De manera similar a la extracción de vapor del suelo , el aire, el vapor y los contaminantes volatilizados se tratan en la superficie para separar el agua, el aire y los contaminantes. El tratamiento de las distintas corrientes depende de las regulaciones locales y de la cantidad de contaminantes.
Algunos contaminantes orgánicos de baja volatilidad tienen una vida media de hidrólisis corta . Para contaminantes como estos, es decir, 1,1,2,2-tetracloroetano y 1,1,1-tricloroetano , la hidrólisis puede ser la forma principal de remediación. A medida que se calienta el subsuelo, la vida media de hidrólisis del contaminante disminuirá como se describe en la ecuación de Arrhenius . Esto da como resultado una rápida degradación del contaminante. El subproducto de la hidrólisis puede remediarse mediante ERH convencional, sin embargo, la mayor parte de la masa del contaminante primario no se recuperará, sino que se degradará a un subproducto.
Existen principalmente dos configuraciones de carga eléctrica para el calentamiento por evaporación: trifásica y hexafásica. El calentamiento trifásico consta de electrodos en un patrón triangular o delta repetitivo. Los electrodos adyacentes son de una fase eléctrica diferente , por lo que la electricidad se conduce entre ellos, como se muestra en la Figura 1. El área contaminada está representada por la forma verde, mientras que los electrodos están representados por los círculos numerados.
El calentamiento de seis fases consta de seis electrodos en un patrón hexagonal con un electrodo neutro en el centro del conjunto. Los conjuntos de seis fases están delineados en azul en la Figura 2 a continuación. Una vez más, el área contaminada está representada por la forma verde, mientras que los electrodos están representados por los círculos numerados. En un patrón de calentamiento de seis fases puede haber puntos calientes y puntos fríos según las fases que estén una al lado de la otra. Por este motivo, el calentamiento de seis fases suele funcionar mejor en áreas circulares pequeñas de menos de 65 pies de diámetro.
El ERH suele ser más eficaz en compuestos orgánicos volátiles (COV). Los compuestos clorados percloroetileno , tricloroetileno y cis- o trans- 1,2-dicloroetileno son contaminantes que se pueden remediar fácilmente con ERH. La tabla muestra los contaminantes que se pueden remediar con ERH junto con sus respectivos puntos de ebullición. Los contaminantes menos volátiles como el xileno o el diésel también se pueden remediar con ERH, pero los requisitos de energía aumentan a medida que disminuye la volatilidad.
El espaciamiento de los electrodos y el tiempo de operación se pueden ajustar para equilibrar el costo total de la remediación con el tiempo de limpieza deseado. Una remediación típica puede consistir en electrodos espaciados de 15 a 20 pies entre sí con tiempos de operación generalmente inferiores a un año. El diseño y el costo de un sistema de remediación ERH dependen de una serie de factores, principalmente el volumen de suelo/agua subterránea a tratar, el tipo de contaminación y los objetivos del tratamiento. Las propiedades físicas y químicas de los compuestos objetivo están regidas por leyes que hacen que las remediaciones calentadas sean ventajosas sobre la mayoría de los métodos convencionales. El uso de energía eléctrica necesaria para calentar el subsuelo y volatilizar los contaminantes puede representar entre el 5 y el 40 % del costo total de la remediación.
Existen varias leyes que rigen la remediación de un ERH. La ley de Dalton regula el punto de ebullición de un contaminante relativamente insoluble. La ley de Raoult regula el punto de ebullición de co-contaminantes mutuamente solubles y la ley de Henry regula la relación entre el contaminante en fase de vapor y el contaminante en fase líquida.
En el caso de compuestos mutuamente insolubles, la ley de Dalton establece que la presión parcial de un líquido en fase no acuosa (NAPL) es igual a su presión de vapor, y que el NAPL en contacto con el agua hervirá cuando la presión de vapor del agua más la presión de vapor del COV sea igual a la presión ambiental. Cuando se forma una burbuja de vapor de COV, la composición de la burbuja es proporcional a las respectivas presiones de vapor del compuesto.
En el caso de los compuestos mutuamente solubles, la ley de Raoult establece que la presión parcial de un compuesto es igual a su presión de vapor multiplicada por su fracción molar. Esto significa que los contaminantes mutuamente solubles se volatilizarán más lentamente que si solo hubiera un compuesto presente.
La ley de Henry describe la tendencia de un compuesto a unirse al aire en la fase de vapor o disolverse en agua. La constante de la ley de Henry, a veces llamada coeficiente, es específica de cada compuesto y depende de la temperatura del sistema. La constante se utiliza para predecir la cantidad de contaminante que permanecerá en la fase de vapor (o se transferirá a la fase líquida) al salir del condensador.
En los últimos cinco años se han producido importantes avances tecnológicos en materia de ERH. Tres áreas de atención han sido: la remediación del lecho rocoso, el 1,4-dioxano y otros contaminantes emergentes, y el calor controlado a baja temperatura para mejorar otros procesos de remediación o naturales.
La ERH se ha utilizado durante más de 15 años para el tratamiento de suelos no consolidados tanto en zonas saturadas como vadas. Los avances y resultados recientes muestran que la ERH puede ser un método de tratamiento eficaz para el lecho rocoso . En un sitio de ERH, la ruta principal de la corriente eléctrica es en la capa delgada de agua inmediatamente adyacente al suelo o a los granos de roca. El agua en el volumen de poros transporta poca corriente. No es el fluido de los poros el que domina la conductividad eléctrica; es el fluido humectante de los granos el que domina la conductividad eléctrica. La roca sedimentaria normalmente poseerá la capa delgada de agua necesaria para el flujo de corriente. Esto significa que la ERH se puede utilizar de manera eficaz para el tratamiento del lecho rocoso sedimentario, que normalmente tiene una porosidad primaria significativa.
El 1,4-dioxano es un contaminante de reciente identificación que genera preocupación. Los criterios regulatorios para el 1,4-dioxano cambian constantemente a medida que se aprende más sobre este contaminante. El 1,4-dioxano tiene una alta solubilidad en agua y una constante baja de la Ley de Henry, que se combinan para presentar desafíos complejos asociados con la remediación. En condiciones ambientales, las propiedades físicas del 1,4-dioxano indican que la extracción con aire no es un mecanismo de tratamiento eficiente. Los resultados recientes de la remediación de ERH indican que ERH crea condiciones favorables para el tratamiento. La remediación de ERH implica la extracción con vapor, que históricamente no se había investigado para el 1,4-dioxano. En los sitios de ERH, se observó que la extracción con vapor transfería eficazmente el 1,4-dioxano a la fase de vapor para el tratamiento posterior. Se han documentado reducciones del 99,8 % (o más) en las concentraciones de 1,4-dioxano en las aguas subterráneas en la remediación reciente de ERH. El monitoreo de las corrientes de tratamiento de la capa superior indica que el 95% del 1,4-dioxano permaneció en la corriente de vapor después de la remoción del subsuelo. Además, el carbón activado granular ha demostrado ser un método eficaz de tratamiento de vapor de 1,4-dioxano.
La volatilización es el mecanismo de eliminación principal en la mayoría de los sitios de ERH. Sin embargo, la ERH también se puede utilizar para mejorar otros procesos, algunos de los cuales ocurren naturalmente, para reducir el costo del tratamiento de una columna. La ERH se puede utilizar para proporcionar calefacción controlada a baja temperatura para proyectos con procesos de remediación que no involucran extracción con vapor. "Calefacción a baja temperatura" se refiere a la búsqueda de una temperatura del subsuelo que sea menor que el punto de ebullición del agua. Los ejemplos de ERH a baja temperatura incluyen la biorremediación mejorada por calor, el calentamiento del subsuelo a temperaturas superiores a la solubilidad de los gases disueltos para inducir la extracción de COV (más notablemente la ebullición de dióxido de carbono), la oxidación química in situ mejorada por calor (especialmente para la activación del persulfato) y la reducción mejorada por calor (como con reacciones catalizadas por hierro). El calentamiento a baja temperatura ERH también se puede utilizar para hidrolizar alcanos clorados in situ a temperaturas por debajo del punto de ebullición, donde el ácido clorhídrico liberado durante la hidrólisis reacciona aún más con los carbonatos y bicarbonatos del subsuelo para producir dióxido de carbono para la eliminación del subsuelo de COV.
El uso de calentamiento a baja temperatura junto con biorremediación, oxidación química o decloración dará como resultado mayores velocidades de reacción. Esto puede reducir significativamente el tiempo requerido para estos procesos de remediación en comparación con una remediación a temperatura ambiente. Además, una opción de baja temperatura no requiere el uso del sistema de tratamiento sobre el nivel del suelo para los vapores recuperados, ya que no se alcanzarán las temperaturas de ebullición. Esto significa menos infraestructura sobre el nivel del suelo y un menor costo general.
Cuando se combina el calor con la extracción multifase, las temperaturas elevadas reducen la viscosidad y la tensión superficial de los fluidos recuperados, lo que hace que la extracción sea más rápida y sencilla. Este es el propósito original del desarrollo de la ERH: mejorar la recuperación de petróleo (consulte el § Historial anterior).