Optimización de los tratamientos de desorción térmica de suelos contaminados por hidrocarburos derivados del petróleo

Resumen

Las tecnologías innovadoras de recuperación de suelos contaminados por hidrocarburos derivados del petróleo, como los tratamientos de Desorción Térmica, hoy en día no han recibido la suficiente atención. Estas tecnologías presentan características “in situ” y “ex situ” (on site u off site), y altos rendimientos energéticos que preservan las propiedades físicas de los suelos descontaminados, siendo muy aplicados para volatilizar contaminantes orgánicos. En este contexto, los tratamientos térmicos de desorción resultan de mayor interés para el estudio de suelos contaminados por hidrocarburos derivados del petróleo de rango diesel. Este trabajo de investigación estudia el efecto que produce la temperatura en los procesos térmicos de volatilización de contaminantes derivados del petróleo en diferentes tiempos de retención. Particularmente en los análisis dentro del equipo de calentamiento, incluyendo la influencia de los compuestos orgánicos del rango diesel en un suelo contaminado, con características conocidas a través de ensayos de tratabilidad. Simultáneamente, se ha podido desarrollar una modelización matemática del tratamiento térmico de desorción “ex situ”. Se basa en el estudio de modelos teóricos de evaporación “in situ”, y para ello se adaptó el modelo teórico de Hartley. La investigación se basa en dos fases, la fase experimental y la fase matemática. La primera fase consiste en una serie de dos etapas de estudio para la realización de los ensayos de tratabilidad. La segunda es la fase matemática, que desarrolla un modelo teórico para determinar la tasa de volatilidad de los tratamientos térmicos de desorción “ex situ”. Con el fin de lograr la determinación, los datos individuales de los compuestos orgánicos estudiados que se obtuvieron en los ensayos de tratabilidad, fueron expuestos para el análisis estadístico y matemático, y las tendencias se muestran en los resultados alcanzados. Para validar los resultados obtenidos en el estudio matemático, se han tomado una serie de ensayos en diferentes tiempos de retención a una misma temperatura de tratamiento. Esto para verificar la fiabilidad del proceso matemático. Los ensayos de tratabilidad se han realizado en pruebas a escala laboratorio, en el Laboratorio de Ingeniería Sanitaria de la ETSICCP, se han analizado, definido y concretado tendencias, para proponer unas ecuaciones y coeficientes que definan el rango óptimo de los tiempos de retención en los tratamientos térmicos de desorción. El modelo simplificado muestra que los tiempos de volatilización para un suelo contaminado por un hidrocarburo del rango diesel, a una temperatura de tratamiento de 350 °C, deben estar en un rango óptimo de 2-3 minutos en todos los ensayos experimentales, mientras que en el modelo matemático el rango óptimo es de 0.8-3 minutos. Se ha considerado que los efectos de la temperatura en los procesos térmicos, son altamente dependientes de las características físicas y químicas tanto del suelo como de los contaminantes. En la fase matemática, los contaminantes orgánicos presentaron comportamientos lineales que difieren en cuando a sus temperaturas de volatilización individual. Por otro lado, la fase experimental, muestra que los compuestos con una mayor concentración inicial en peso son los que requieren mayor tiempo de retención para ser volatilizados. En el análisis de rendimiento, la influencia de la temperatura en los tratamientos térmicos en la fase experimental y en la fase matemática, es causada por el tiempo de retención que requieren los sólidos para ser descontaminados, esta variable depende de la concentración en porcentaje en peso y de la temperatura de volatilización de los contaminantes presentes. Se ha comprobado que este análisis nos ha llevado a obtener los rangos óptimos de temperatura y tiempos de retención para el tratamiento térmico empleado. Con la confirmación y validación de los resultados obtenidos por las diferentes vías de investigación científica (ensayos de laboratorio, análisis estadístico y matemático), se han analizado, definido y concretado tendencias. Nuestro principal objetivo en este trabajo ha sido proponer unas ecuaciones y coeficientes para definir la temperatura y los tiempos óptimos de tratamiento para alcanzar mejores rendimientos en los procesos térmicos de desorción de compuestos orgánicos del rango diesel. ABSTRACT The innovating technologies to recover soils that have been contaminated by hydrocarbons derived from petroleum, such as Thermal Desorption treatments, have not received sufficient attention so far. These technologies present specific “in situ” and “ex situ” (on site or off site) characteristics, and have high energy performance which preserve the physical properties of decontaminated soils, mostly applied to volatilize organic pollution. Thus, in this context, the heat desorption treatments have become the most interesting alternatives in the study of soils contaminated by hydrocarbons derived from petroleum in the diesel range. This research studies the temperature effect produced in the thermal processes of volatilizing polluting agents derived from petroleum in different retention times. Particularly the analysis within the heating equipment, including the influence of the diesel range compounds in a contaminated soil, with characteristics known through treatability tests. Simultaneously, a mathematical modeling of the heat treatment of desorption “ex situ” has been developed. It is based on the study of theoretical models of evaporation “in situ”, and for this purpose the theoretical model of Hartley was adapted. The research is based on two phases, the experimental phase and the mathematical phase. The first phase consists of a series of two stages of analysis to carry out the treatability test. The second one is the mathematical phase, which develops a theoretical model to determine the rate of volatility of the heat treatments of “ex situ” desorption. In order to achieve the determination, individual data from organic compounds studied in the treatability tests were obtained, these data were exposed to statistical and mathematical analysis, and the tendencies reached in the results are shown. To validate the results obtained in the mathematical phase, a series of tests examine different retention times at the same temperature of treatment have been developed. This was done verify the reliability of the mathematical process. The treatability tests have been developed by means of small scale experiments, at the Sanitary Engineering Laboratory of “Escuela Técnica Superior de Caminos, Canales y Puertos” (ETSICCP). Tendencies have been analyzed, defined and specified to propose equations and coefficients that define an optimal range of retention times in heat treatments of desorption. The simplified model shows that, the times of volatilization for a hydrocarbon of the diesel range contaminated soil, at a treatment temperature of 350 ° C, must be in an optimal range of 2-3 minutes in every experimental test while in the mathematical modeling it must be in an optimal range of 0.8-3 minutes. It has been considered that the temperature effects on the thermal processes are highly dependent on the soil physical and chemical characteristics as well as on the polluting substances. In the mathematical phase, the polluting organics showed a linear behavior, which vary in their individual volatilization temperatures. On the other hand, the experimental phase shows that compounds with an initial higher weight concentration are the ones that require longer retention times to be volatilized. In the performance analysis, the influence of temperature on the heat treatments in the experimental phase and in the mathematical phase is caused by the retention time that soils require to be decontaminated. This variable depends on the concentration of weight percentage and on the volatilization temperature of the polluting chemicals. It has been verified that this analysis has led us to obtain the optimal ranges of temperature and retention times used in the heat treatment. With the confirmation and validation of the results, obtained through different ways of scientific research (laboratory tests, statistical and mathematical analyses), tendencies have been analyzed, defined and specified. Our main aim in this work has been to propose equations and coefficients able to define the optimal temperature and times of treatment to reach better performances in the thermal desorption processes of organic compounds of the diesel range.