Способ электрокинетической очистки грунтов от радиоактивных и токсичных веществ и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к очистке природных и техногенных материалов, загрязненных радиоактивными и токсичными веществами. Технический результат: повышение производительности, экономичности, безопасности, надежности реализации, скорости очистки грунта, степени выделения загрязняющих грунт веществ, предотвращение образования вторичных жидких отходов и расширение области применения в части способа, а также упрощение конструкции, повышение производительности, надежности и эффективности работы в части устройства. Сущность изобретения: в участках очищаемого грунта создают две катодные полости и расположенную между ними анодную полость, размещают в полостях электролит и подводят к ним положительный и отрицательный потенциалы напряжения постоянного тока. Затем выводят электролит и газовую фазу из анодной полости и подают их в катодные полости. После чего выводят электролит и газовые фазы из катодных полостей и вводят электролит в анодную полость. Осуществляют смешение выведенных из катодных полостей электролитов и газовых фаз, отделение смеси газовых фаз от смеси электролитов и удаляют отделенную смесь газовых фаз. Затем очищают смесь электролитов, корректируют ее состав и вводят в анодную полость. Указанную циркуляцию смеси электролитов осуществляют в непрерывном режиме до достижения необходимой степени очистки грунта. Устройство включает два катодных узла и расположенный между ними анодный узел, разделительную емкость с вакуумным насосом, транспортирующий насос, узел очистки, корректировочную емкость, дозирующий перистальтический насос и источник постоянного тока. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

Предлагаемые способ и устройство относятся к области охраны окружающей среды, в частности к очистке природных и техногенных материалов и наиболее эффективно может быть использовано при очистке глинистых грунтов, содержащих радиоактивные и токсичные вещества.

Известен способ очистки грунтов, загрязненных радиоактивными и токсичными веществами (1), включающий смешение грунта с водой и абразивным материалом, перемешивание полученной суспензии, отделение очищенного грунта и абразивного материала от водной фазы и выделение радиоактивных и токсичных веществ из водной фазы.

Недостатками известного способа являются: - его повышенная продолжительность реализации, обусловленная его многостадийностью и периодичностью; - его ограниченная область применения, обусловленная тем, что известный способ неприменим в тех случаях, когда необходимо сохранить целостность структуры очищаемых грунтов, разрушающейся в результате механического воздействия на грунт абразивного материала.

Известно устройство для очистки грунтов, загрязненных радиоактивными и токсичными веществами (1), представляющее собой вращающийся вокруг горизонтальной оси полый барабан с соотношением длины к диаметру 0,8 - 1,2.

Недостатками известного устройства являются: - его пониженная производительность, обусловленная периодичностью его работы; - пониженная надежность его работы, обусловленная наличием в составе его конструкции подвижных узлов, могущих выйти из строя, вследствие воздействия на них механических нагрузок.

Известен способ электрокинетической очистки грунтов от загрязняющих его веществ (2), основанный на использовании явления электроосмоса и включающий создание в расположенных на расстоянии друг от друга участках очищаемого грунта, анодной и катодной полостей, начальное заполнение анодной и катодной полостей электролитами, создание разности давлений между анодной и катодной полостями, подведение к электролитам анодной и катодной полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока, постоянные в течение всего процесса выведение электролитов из анодной и катодной полостей, выделение из выведенных электролитов загрязняющих грунт веществ и подачу очищенных электролитов в анодную и катодную полости.

Недостатками известного способа являются его ограниченная область применения, обусловленная возможностью его использования только для очистки ненасыщенных грунтов с хорошей водопроницаемостью.

Известно устройство для электрокинетической очистки грунтов от загрязняющих его веществ (2), содержащее анодный узел, состоящий из снабженного впускным и выпускным патрубками цилиндрического корпуса, верхняя часть которого выполнена из поливинилхлорида (ПВХ) и имеет отверстие, а нижняя - из пористого керамического материала. Внутри цилиндрического корпуса анодного узла находится электролит с погруженным в него анодом, его выпускной патрубок последовательно соединен с насосом, узлом очистки и его впускным патрубком, а своим отверстием верхняя часть цилиндрического корпуса анодного узла подсоединена к вакуумирующему узлу; катодный узел, состоящий из снабженного впускным и выпускным патрубками цилиндрического корпуса, верхняя часть которого выполнена из поливинилхлорида и имеет отверстие, а нижняя - из пористого керамического материала. Внутри цилиндрического корпуса находится электролит с погруженным в него катодом, его выпускная труба последовательно соединена с насосом, узлом очистки и его впускной трубой, а своим отверстием верхняя часть цилиндрического корпуса катодного узла подсоединена к вакуумирующему узлу; источник постоянного тока, подсоединенный положительным полюсом к аноду, а отрицательным - к катоду.

Недостатками известного устройства являются: - его пониженная производительность, обусловленная: а) периодичностью его работы, вследствие необходимости периодической замены в нем катода, имеющего ограниченный временной ресурс работы; б) снижением в процессе работы количества извлекаемых из очищаемого грунта загрязняющих его веществ, вследствие возрастания величины общего сопротивления между катодным и анодным узлами из-за того, что на поверхности катода происходит отложение труднорастворимых соединений, обладающих пониженной электропроводностью; - его пониженная эффективность работы, обусловленная пониженным средним коэффициентом очистки грунта от загрязняющих его веществ, вследствие цилиндрической формы рабочих поверхностей анодного и катодного узлов, не обеспечивающей равномерной плотности распределения напряженности электромагнитного поля между ними.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ электрокинетической очистки грунта от загрязняющих его веществ (3), основанный на принципе электролиза и включающий: - создание в расположенных на расстоянии друг от друга участках очищаемого грунта двух катодных полостей и расположенной между ними анодной полости;
- размещение электролитов с рабочими концентрациями десорбирующих ионов и кислотностью в анодной и катодных полостях и подведение к ним положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока;
- выведение электролитов из катодных полостей;
- выделение из электролитов, выведенных из катодных полостей веществ, загрязняющих грунт;
- корректировку кислотности электролитов, выведенных из катодных полостей до pH = 3 и подачу электролитов с откорректированной кислотностью в катодные полости;
Недостатками известного способа являются:
- его пониженная производительность, обусловленная уменьшением в процессе реализации количества извлекаемых из очищаемого грунта загрязняющих его веществ, вследствие возрастания общего электросопротивления между анодной и катодными полостями из-за накопления в электролите катодных полостей нерастворимых гидроокисей алюминия, железа, кальция, магния и др., обладающих пониженной электропроводностью;
- его пониженная экономичность, а также образование вторичных жидких отходов, связанные с необходимостью периодической замены отработанного электролита анодной полости на новый электролит;
- его ограниченная область применения, обусловленная тем, что известный способ неприменим в тех случаях, когда необходимо сохранить целостность внутренней структуры очищаемых грунтов, которая может химически разрушаться в результате повышения кислотности в электролите анодной полости и его попадания в очищаемый грунт;
- его повышенная опасность реализации, обусловленная взрыво- и пожароопасностью вследствие того, что в технологической цепочке происходит накопление образующихся газообразных водорода и кислорода;
- снижение степени и скорости очистки грунта в процессе реализации способа за счет уменьшения концентрации в электролите анодной полости десорбирующих ионов, мигрирующих из него в очищаемый грунт и обеспечивающих десорбцию с частиц грунта загрязняющих его веществ;
- его пониженная надежность, обусловленная тем, что в результате повышения давления газа в анодной и катодных полостях (за счет образования газообразных кислорода и водорода) может происходить "выдавливание" из них электролитов в очищаемый грунт;
- пониженная степень выделения загрязняющих грунт веществ, т.к. вышеуказанное выделение осуществляется только из электролита катодных полостей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для электрокинетической очистки грунта от загрязняющих его веществ (3), содержащее:
- два катодных узла, каждый из которых состоит из снабженного впускным и выпускным патрубками перфорированного поливинилхлоридного трубчатого корпуса, в котором расположена микропористая трубчатая мембрана (сепаратор), внутри которой находится электролит, катода, выполненного из нержавеющей стали и расположенного в электролите внутри микропористой трубчатой мембраны, а также слоя мелкозернистой породы или песка, расположенного вокруг перфорированного поливинилхлоридного трубчатого корпуса;
- анодный узел, состоящий из снабженного впускным патрубком перфорированного поливинилхлоридного трубчатого корпуса, в котором расположена микропористая трубчатая мембрана, внутри которой находится электролит, анода, выполненного из токопроводящего материала и расположенного вплотную с внешней поверхностью перфорированного поливинилхлоридного трубчатого корпуса, слоя углеродистого войлока, расположенного вокруг перфорированного поливинилхлоридного трубчатого корпуса и анода, а также слоя мелкозернистой породы или песка, расположенного вокруг слоя углеродистого войлока;
- промежуточную емкость, транспортирующий насос, узел очистки, корректировочную емкость и источник постоянного тока, причем анодный узел расположен между катодными узлами, выпускной патрубок каждого из катодных узлов последовательно соединен с промежуточной емкостью, транспортирующим насосом, узлом очистки, корректировочной емкостью и впускным патрубком того же катодного узла, анод подсоединен к положительному, а катоды - к отрицательному полюсам источника постоянного тока.

Недостатками известного устройства являются:
- его повышенная сложность, обусловленная повышенной конструкционной сложностью анодного и катодных узлов;
- его пониженная производительность, обусловленная использованием в составе конструкции анодного узла углеродистого войлока, не позволяющего (из-за окисления) работать с высокими плотностями тока (более 20 А/м²);
- его ненадежность работы, обусловленная опасностью химического разрушения элементов анодного узла из-за повышения в процессе работы кислотности, используемого в нем электролита, вследствие отсутствия в составе известного устройства конструктивных элементов, обеспечивавших бы его обновление;
- его пониженная эффективность, обусловленная снижением в процессе работы коэффициента очистки грунта от загрязняющих его веществ вследствие:
а) отсутствия в составе известного устройства конструктивных элементов, с помощью которых можно было бы обновлять электролит в анодном узле;
б) цилиндрической формы рабочих поверхностей анодного и катодных узлов, не обеспечивающей равномерной плотности распределения напряженности электрического поля между ними.

Все вышеуказанные способы и устройства могут быть одновременно применены как для очистки грунтов, загрязненных токсичными веществами, так и для очистки грунтов, загрязненных радиоактивными веществами, т.к. физико-химические процессы, реализуемые в них, не зависят от того являются ли загрязняющие грунт вещества радиоактивными или нерадиоактивными.

Преимуществами заявляемого способа являются повышение его производительности, экономичности, безопасности и надежности реализации, а также повышение степени и скорости очистки грунта, степени выделения загрязняющих грунт веществ, предотвращение образования вторичных жидких отходов и расширение области применения.

Преимуществами заявляемого устройства являются упрощение его конструкции, повышение производительности, а также повышение надежности и эффективности его работы. Указанные преимущества в части способа обеспечиваются за счет того, что заявляемый способ включает:
- создание в расположенных на расстоянии друг от друга участках очищаемого грунта двух катодных полостей и расположенной между ними анодной полости;
- размещение электролитов с рабочими концентрациями десорбирующих ионов и кислотностью в анодной и катодных полостях и подведение к электролитам анодной и катодных полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока;
- одновременные с подведением к электролитам анодной и катодных полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока выведение электролита и газовой фазы из анодной полости и их подачу в катодные полости, выведение электролитов и газовых фаз из катодных полостей вместе с поданными в них электролитом и газовой фазой анодной полости, а также введение в анодную полость электролита с рабочими концентрациями десорбирующих ионов и кислотностью;
- смешение выведенных из катодных полостей электролитов, смешение выведенных из катодных полостей газовых фаз, их отделение друг от друга и удаление отделенной смеси газовых фаз;
- очистку отделенной смеси электролитов от загрязняющих грунт веществ;
- корректировку концентрации десорбирующих ионов и кислотности в очищенной смеси электролитов до их рабочих величин, ее введение вместо электролита с рабочими концентрациями десорбирующих ионов и кислотностью в анодную полость и вышеуказанную циркуляцию смеси электролитов в непрерывном режиме до достижения необходимой степени очистки грунта;
- причем давление в анодной и катодных полостях поддерживают ниже атмосферного, в качестве электролитов, размещаемых в анодной и катодных полостях, используют один и тот же электролит, а корректировку концентрации десорбирующих ионов и кислотности осуществляют до их рабочих величин, составляющих 0,01 - 5 моль/л и pH < 3.

Отличительными признаками заявляемого способа является то, что:
- одновременно с подведением к электролитам анодной и катодных полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока из анодной полости выводят электролит и газовую фазу и подают их в катодные полости, электролиты из катодных полостей выводят вместе газовыми фазами катодных полостей, а также поданным в катодные полости электролитом и газовой фазой анодной полости, а в анодную полость вводят электролит с рабочими концентрациями десорбирующих ионов и кислотностью;
- перед очисткой осуществляют смешение выведенных из катодных полостей электролитов и смешение выведенных из катодных полостей газовых фаз, их отделение друг от друга и удаление отделенной смеси газовых фаз;
- очистку выведенных из катодных полостей электролитов от загрязняющих грунт радиоактивных и токсичных веществ и последующую корректировку их кислотности осуществляют в их смеси с электролитом, подаваемым в катодные полости из анодной полости до рабочих величин кислотности, составляющих pH < 3;
- одновременно с корректировкой кислотности очищенных электролитов осуществляют корректировку концентраций, содержащихся в них десорбирующих ионов, до рабочих величинБ составляющих 0,01-5,0 моль/л;
- вместо электролита с рабочими концентрациями десорбирующих ионов в анодную полость вводят очищенную смесь электролитов с откорректированными кислотностью и концентрацией десорбирующих ионов;
- вышеуказанную циркуляцию смеси электролитов осуществляют в непрерывном режиме до достижения необходимой степени очистки грунта;
- давление в анодной и катодных полостях поддерживают ниже атмосферного, а в качестве электролитов, размещаемых в анодной и катодных полостях, используют один и тот же электролит.

Указанные преимущества в части устройства обеспечиваются за счет того, что заявляемое устройство содержит:
- два катодных узла, каждый из которых состоит из снабженного впускным и выпускным патрубками корпуса, выполненного из диэлектрического материала с находящимся внутри него электролитом и пластинчатым катодом, а также микропористой мембраны, выполняющей роль плоской боковой стенки корпуса, причем микропористая мембрана и пластинчатый катод параллельны друг другу, нижняя часть впускного патрубка расположена в нижней части корпуса и выполнена в форме распределительного коллектора, а нижняя часть выпускного патрубка расположена на уровне поверхности электролита;
- анодный узел, состоящий из снабженного впускным и выпускным патрубками корпуса, выполненного из диэлектрического материала, с находящимся внутри него электролитом и пластинчатым анодом, а также двух микропористых мембран, выполняющих роль расположенных друг против друга плоских боковых стенок, причем обе микропористые мембраны и пластинчатый анод параллельны друг другу, нижняя часть впускного патрубка расположена в нижней части корпуса и выполнена в форме распределительного коллектора, а нижняя часть выпускного патрубка расположена на уровне поверхности электролита;
- разделительную емкость, снабженную вакуумным насосом, транспортирующий насос, узел очистки, корректировочную емкость, дозирующий перистальтический насос и источник постоянного тока;
- причем выпускной патрубок анодного узла соединен с впускными патрубками катодных узлов, выпускные патрубки которых последовательно соединены с разделительной емкостью, транспортирующим насосом, узлом очистки, корректировочной емкостью, дозирующим перистальтическим насосом и впускным патрубком анодного узла, анодный узел расположен между катодными узлами, плоские микропористые мембраны катодных узлов расположены напротив плоских микропористых мембран анодного узла и параллельны им, анод подсоединен к положительному, а катод - к отрицательному полюсам источника постоянного тока.

Отличительными признаками заявляемого устройства является то, что:
- оно дополнительно содержит дозирующий перистальтический насос и разделительную емкость, снабженную вакуумным насосом;
- катоды и анод катодных и анодного узлов выполнены пластинчатыми;
- микропористая мембрана каждого из катодных узлов выполняет роль плоской боковой стенки корпуса катодного узла, причем микропористая мембрана и пластинчатый катод каждого из катодных узлов параллельны друг другу;
- анодный узел содержит еще одну микропористую мембрану, каждая из которых выполняет роль расположенных друг против друга плоских боковых стенок корпуса анодного узла, причем обе микропористые мембраны и пластинчатый анод параллельны друг другу;
- анодный узел дополнительно содержит выпускной патрубок, нижняя часть которого расположена на уровне поверхности находящегося в нем электролита;
- нижние части выпускных патрубков катодных узлов расположены на уровне поверхности, находящихся в них электролитов;
- нижние части впускных патрубков катодных узлов, а также анодного узла расположены в нижней части их корпусов и выполнены в форме распределительных коллекторов;
- микропористые мембраны катодных узлов расположены напротив микропористых мембран анодного узла и параллельны им;
- анодный узел своим выпускным патрубком соединен с впускными патрубками катодных узлов;
- катодные узлы своими выпускными патрубками соединены с транспортирующим насосом через разделительную емкость, снабженную вакуумным насосом;
- корректировочная емкость через дозирующий перистальтический насос соединена с впускным патрубком анодного узла.

Заявляемый способ реализуют следующим образом.

В грунте, содержащем загрязняющие его радиоактивные или токсичные вещества, создают две катодные и расположенную между ними анодную полость, в которых размещают электролиты (путем установки в этих полостях анодного и катодных узлов с залитыми в них электролитами), после чего к электролиту анодной полости подводят положительный, а к электролитам катодных полостей - отрицательный потенциалы напряжения постоянного тока, причем в качестве электролитов используют кислый, с pH < 3, водный раствор, содержащий соль минеральной кислоты (ионы которой играют роль ионов - десорбентов) с концентрацией 0,01-5,0 моль/л.

В результате всех вышеуказанных операций в очищаемом грунте между электролитами анодной и катодных полостей происходит образование электрического поля, под воздействием которого в электролиты катодных полостей поступают катионы породообразующих элементов (катионы алюминия, кальция, магния, железа и т.п.), причем за счет электрохимических процессов, протекающих в электролите анодной полости, происходит повышение его кислотности и образование газообразного кислорода, а в электролитах катодных полостей - щелочности и образование газообразного водорода. Одновременно с этим в результате воздействия десорбирующих ионов, входящих в состав электролита анодной полости, (переходящих из него в очищаемый грунт), на радионуклиды и токсичные вещества происходит десорбция последних с частиц грунта, причем десорбированные радионуклиды и токсичные вещества под действием электрического поля также поступают в электролиты катодных полостей.

Одновременно с подведением к электролиту анодной полости положительного, а к электролитам катодных полостей отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока, с помощью вакуумного отсоса (через катодные полости) осуществляют вывод электролита и газовой фазы из анодной полости, их подачу в катодные полости, вывод электролитов и газовых фаз катодных полостей и поданных в них электролита и газовой фазы анодной полости, а также ввод электролита с рабочими концентрациями десорбирующих ионов и кислотностью в анодную полость. В результате этого абсолютные значения величин давлений в анодной и катодных полостях становятся ниже атмосферного и поддерживаются на данном уровне в течение всего периода реализации заявляемого способа, что предотвращает "выдавливание" электролитов из анодной и катодных полостей в очищаемый грунт, а за счет взаимодействия выведенного из анодной полости электролита и электролитов катодных полостей происходит взаимная нейтрализация избытка образовавшихся катионов водорода и анионов гидрооксила, что предотвращает образование в катодных полостях нерастворимых гидроокисей породообразующих элементов.

Выведенные из катодных полостей электролиты и газовые фазы подвергаются взаимному перемешиванию и отделению друг от друга, в ходе которого происходит удаление из технологической цепочки заявляемого способа смеси газовых фаз, содержащих взрыво- и пожароопасные концентрации водорода и кислорода, а отделенную смесь электролитов подают на очистку, (например сорбционную, соосадительную и т. п. ) от присутствующих в ней радиоактивных и токсичных элементов.

После выделения из смеси электролитов радиоактивных и токсичных элементов ее направляют на одновременные корректировку содержащихся в ней десорбирующих ионов до их рабочих концентраций, составляющих 0,01-5,0 моль/л, и корректировку кислотности до рабочей величины pH < 3. Затем очищенную смесь электролитов с откорректированным составом вместо электролита с рабочими концентрацией десорбирующих ионов и кислотностью вводят в анодную полость, после чего вышеуказанную циркуляцию смеси электролитов осуществляют в непрерывном режиме до достижения необходимой степени очистки грунта (до уровня их предельно допустимых концентраций).

В случае несоблюдения этого условия в процессе реализации заявляемого способа возникнет необходимость постоянного отвода из технологической цепочки накапливающегося в ней избытка смеси электролитов, что не обеспечит повышения экономичности и приведет к образованию вторичных жидких отходов.

За счет корректировки состава происходит количественное восстановление содержания десорбирующих ионов и необходимой кислотности, причем в случае, если рабочая концентрация десорбирующих ионов будет меньше 0,01 моль/л невозможно будет достичь повышения степени и скорости очистки грунта, а в случае, если она будет больше 5,0 моль/л, то очистка грунта от радиоактивных и токсичных веществ будет сопровождаться его одновременным загрязнением десорбирующими ионами, чье содержание в грунте лимитируется их предельно допустимыми концентрациями, а при величине pH равной или более 3, возможно образование нерастворимой гидроокиси железа.

Из всего вышеизложенного следует, что заявляемый способ по сравнению со способом наиболее близкого аналога обладает более высокими производительностью, экономичностью, безопасностью, надежностью, степенью и скоростью очистки грунта, а также степенью выделения загрязняющих грунт веществ и более широкой областью применения, причем в процессе реализации способа не происходит образования вторичных жидких отходов.

Испытания показали работоспособность заявляемого способа в промышленных условиях, что позволяет сделать вывод о том, что способ обладает также и промышленной применимостью.

Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - 4.

На фиг. 1 представлена технологическая схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 представлено изображение первого катодного узла.

На фиг. 3 представлено изображение анодного узла.

На фиг. 4 представлено изображение второго катодного узла.

Заявляемое устройство состоит из первого катодного узла 1, анодного узла 2, второго катодного узла 3, разделительной емкости 4, вакуумного насоса 5, транспортирующего насоса 6, узла очистки 7, корректировочной емкости 8, дозирующего перистальтического насоса 9 и источника постоянного тока 10.

Первый катодный узел 1 состоит из корпуса 11, содержащего микропористую мембрану 12, пластинчатого катода 13, электролита 14, впускного патрубка 15 и выпускного патрубка 16.

Анодный узел 2 состоит из корпуса 17, содержащего микропористую мембрану 18 и микропористую мембрану 19, пластинчатого анода 20, электролита 21, впускного патрубка 22 и выпускного патрубка 23.

Второй катодный узел 3 состоит из корпуса 24, содержащего микропористую мембрану 25, пластинчатого катода 26, электролита 27, впускного патрубка 28 и выпускного патрубка 29.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На участке очищаемого грунта в двух расположенных на расстоянии друг от друга полостях размещают первый катодный узел 1 и второй катодный узел 3, между которыми размещают анодный узел 2, таким образом, чтобы микропористая мембрана 12 корпуса 11 первого катодного узла 1 находилась бы напротив микропористой мембраны 19 корпуса 17 анодного узла 2 и была бы параллельна ей, а микропористая мембрана 25 корпуса 24 второго катодного узла 3 находилась бы напротив микропористой мембраны 18 корпуса 17 анодного узла 2 и была бы параллельна ей, а в корректировочную емкость 8 заливают электролит с рабочими концентрацией десорбирующих ионов и кислотностью.

После этого на пластинчатый катод 13 первого катодного узла 1, пластинчатый катод 26 второго катодного узла 3 и пластинчатый анод 20 анодного узла 2 от источника постоянного тока 10 подают отрицательный и положительный потенциалы напряжения постоянного тока, причем пластинчатая форма катодов и анода, плоская форма микропористых мембран катодных и анодного узлов, а также их вышеуказанное взаимное расположение обеспечивают равномерность плотности распределения напряженности электромагнитного поля между ними.

Под воздействием разности потенциалов из электролита 21 ионы-десорбенты через микропористые мембраны 18 и 19 поступают в загрязненный грунт и вытесняют с его частиц элементы-загрязнители, которые, пройдя сквозь грунт и микропористые мембраны 12 и 25, собираются в электролитах 14 и 27 первого и второго катодных узлов 1 и 3, причем одновременно с элементами-загрязнителями в электролиты 14 и 27 первого и второго катодных узлов 1 и 3 поступают также еще и породообразующие элементы грунта.

Одновременно с этим под воздействием электрического тока в электролитах 14 и 27 первого и второго катодных узлов 1 и 3, а также в электролите 21 анодного узла 2 происходит электрохимическое разложение воды, причем на пластинчатых катодах 13 и 26 идет восстановление ионов водорода до нейтрального состояния, а сам водород переходит в газовую фазу . В результате данного процесса в электролитах 14 и 27 образуется избыток ионов гидроксила, что ведет к понижению его кислотности.

На пластинчатом аноде 20 анодного узла 2 происходит окисление ионов гидроксила с образованием газообразного кислорода и воды, в результате чего в электролите 21 образуется избыток ионов водорода, что ведет к повышению его кислотности.

Одновременно с подачей отрицательного и положительного потенциалов напряжения постоянного тока на пластинчатые катоды 13 и 26 первого и второго катодных узлов 1 и 3, а также на пластинчатый анод 20 анодного узла 2 включают вакуумный насос 5 разделительной емкости 4 и дозирующий перистальтический насос 9. В результате этого в разделительной емкости 4 создается разрежение, под воздействием которого давления в первом и втором катодных узлах 1 и 3 и анодном узле 2 становятся ниже атмосферного, а между анодным узлом 2 и первым и вторым катодными узлами 1 и 3 возникает разность давлений, что обеспечивает подачу электролита 21 анодного узла 2 вместе с газовой фазой через выпускной патрубок 23 в электролиты 14 и 27 первого и второго катодных узлов 1 и 3 через впускные патрубки 15 и 28, причем возможность одновременного выведения электролитов вместе с газовыми фазами обеспечивается за счет того, что нижние части выпускных патрубков катодных и анодного узлов расположены на уровне поверхностей находящихся в них электролитов. Кроме того, одновременно с этим с помощью дозирующего перистальтического насоса 9 в анодный узел 2 из корректировочной емкости 8 подают электролит с рабочими концентрацией десорбирующих ионов и кислотностью.

В результате вышеуказанного в первом и втором катодных узлах 1 и 3 происходит взаимная нейтрализация избытка ионов водорода электролита 21 и избытка ионов гидроксила электролитов 14 и 27 (2H⁺ + OH^- ---> H₂O), причем расположение нижних частей впускных патрубков в нижних частях корпусов катодных и анодного узлов и выполнение их в форме распределительных коллекторов обеспечивает с одной стороны равномерность распределения ионов-десорбентов, а с другой - полноту взаимной нейтрализации избытка ионов водорода и ионов гидрооксила.

Одновременно с этим электролиты 14 и 27 катодных узлов 1 и 3 вместе с их газовыми фазами, а также поступившие в катодные узлы 1 и 3 электролит 21 и газовая фаза анодного узла 2 под воздействием вакуумного насоса 5 поступают в разделительную емкость 4, где происходит их смешение, разделение и удаление смеси газовых фаз из заявляемого устройства.

По мере заполнения разделительной емкости 4 смесью электролитов, насыщенных элементами-загрязнителями и породообразующими элементами, включают подсоединенный к ней транспортирующий насос 6, подающий смесь электролитов на узел очистки 7, в котором происходит выделение и концентрирование элементов-загрязнителей.

Очищенная смесь электролитов из узла очистки 7 поступает в корректировочную емкость 8, где происходит восстановление ее рабочей кислотности до pH < 3 и концентрации ионов-десорбентов (снижение которых произошло в результате их взаимодействия с частицами грунта) до их рабочих концентраций 0,01-5,0 моль/л.

После корректировки pH и концентрации ионов-десорбентов, смесь электролитов из корректировочной емкости 8 дозирующим перистальтическим насосом 9, который обеспечивает равномерность его подачи, подают вместо электролита с рабочей концентрацией десорбирующих ионов и кислотностью в анодный узел 2 через впускной патрубок 22, причем заявляемое устройство работает в непрерывном режиме до достижения необходимой степени очистки грунта.

Конструкция дозирующего перистальтического насоса 9 наряду с равномерностью подачи электролита обеспечивает также и поддержание разряжения в первом и втором катодных узлах 1 и 3 и анодном узле 2, предотвращая возможность подсоса в них газовой фазы и избытка смеси электролитов из корректировочной емкости 8.

Анодный и катодные узлы в заявляемом устройстве конструкционно более просты, чем аналогичные узлы в устройстве наиболее близкого аналога.

Заявляемое устройство обладает более высокой производительностью, надежностью и эффективностью т.к. анодный и катодные узлы могут работать с плотностями тока свыше 20 А/м², в составе заявляемого устройства имеются конструктивные элементы, обеспечивающие обновление электролита, а плоские формы анода, катодов и микропористых мембран в сочетании с их взаимным параллельным расположением обеспечивают равномерность плотности распределения напряженности электрического поля между ними.

Испытания показали работоспособность заявляемого устройства в промышленных условиях, что позволяет сделать вывод о том, что устройство обладает также и промышленной применимостью.

ЛИТЕРАТУРА
1. Заявка ФРГ N 4307719, МКИ5 G 21 F 9/28, оп. 15.09.94.

2. Патент США N 5435895, МКИ6 B 01 D 61/42, НКИ: 204/182.2, оп. 25.07.1995.

3. Международная заявка WO 95/11095, МКИ6 B 09 C 1/00, A 62 D 3/00, оп. 27.04.95

Формула изобретения

1. Способ электрокинетической очистки грунтов от радиоактивных и токсичных отходов, включающий создание в расположенных на расстоянии друг от друга участках очищаемого грунта двух катодных полостей и расположенной между ними анодной полости, размещение электролитов с рабочими концентрациями десорбирующих ионов и кислотностью в анодной и катодных полостях и подведение к ним положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока, выведение электролитов из катодных полостей, очистку выведенных из катодных полостей электролитов от загрязняющих грунт радиоактивных и токсичных веществ и последующую корректировку кислотности очищенных электролитов до их рабочих концентраций, отличающийся тем, что одновременно с подведением к электролитам анодной и катодных полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока из анодной полости выводят электролит и газовую фазу и подают их в катодные полости, электролиты из катодных полостей выводят вместе газовыми фазами катодных полостей, а также поданным в катодные полости электролитом и газовой фазой анодной полости, а в анодную полость вводят электролит с рабочими концентрациями десорбирующих ионов и кислотностью, после чего перед очисткой осуществляют смешение выведенных из катодных полостей электролитов и смешение выведенных из катодных полостей газовых фаз, их отделение друг от друга и удаление отделенной смеси газовых фаз, очистку выведенных из катодных полостей электролитов от загрязняющих грунт радиоактивных и токсичных веществ и последующую корректировку их кислотности осуществляют в их смеси с электролитом, подаваемым в катодные полости из анодной полости до рабочих величин кислотности, составляющих рН < 3, причем одновременно с корректировкой кислотности очищенных электролитов осуществляют корректировку концентраций содержащихся в них десорбирующих ионов до рабочих величин, составляющих 0,01 - 5,0 моль/л, а вместо электролита с рабочими концентрациями десорбирующих ионов и кислотностью в анодную полость подают очищенную смесь электролитов с откорректированными кислотностью и концентрацией десорбирующих ионов, после чего указанную циркуляцию смеси электролитов осуществляют в непрерывном режиме до достижения необходимой степени очистки грунта, причем давление в анодной и катодных полостях поддерживают ниже атмосферного, а в качестве электролитов, размещенных в анодной и катодных полостях, используют один и тот же электролит.

2. Устройство для электрокинетической очистки грунтов от радиоактивных и токсичных отходов, включающее два катодных узла, каждый из которых состоит из снабженного впускным и выпускным патрубками корпуса, выполненного из диэлектрического материала, внутри которого находится электролит и катод, расположенный в электролите, а также микропористой мембраны, анодный узел, состоящий из снабженного впускным патрубком корпуса, выполненного из диэлектрического материала, внутри которого находится электролит и анод, расположенный в электролите, а также микропористой мембраны, транспортирующий насос, узел очистки, корректировочную емкость и источник постоянного тока, причем анодный узел расположен между катодными узлами, транспортирующий насос последовательно соединен с узлом очистки и корректировочной емкостью, анод подсоединен к положительному, а катоды - к отрицательному полюсам источника постоянного тока, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит дозирующий перистальтический насос и разделительную емкость, снабженную вакуумным насосом, катоды и анод катодных и анодного узлов выполнены пластинчатыми, микропористая мембрана каждого из катодных узлов выполняет роль плоской боковой стенки корпуса катодного узла, причем микропористая мембрана и пластинчатый катод каждого из катодных узлов параллельны друг другу, анодный узел содержит еще одну микропористую мембрану, каждая из которых выполняет роль расположенных друг против друга плоских боковых стенок корпуса анодного узла, причем обе микропористые мембраны и пластинчатый анод параллельны друг другу, анодный узел дополнительно содержит выпускной патрубок, нижняя часть которого расположена на уровне поверхности находящегося в нем электролита, нижние части выпускных патрубков катодных узлов расположены на уровне поверхности находящихся в них электролитов, нижние части впускных патрубков катодных узлов, а также анодного узла расположены в нижней части их корпусов и выполнены в форме распределительных коллекторов, микропористые мембраны катодных узлов расположены напротив микропористых мембран анодного узла и параллельны им, анодный узел своим выпускным патрубком соединен с впускными патрубками катодных узлов, катодные узлы своими выпускными патрубками соединены с транспортирующим насосом через разделительную емкость, снабженную вакуумным насосом, а корректировочная емкость через дозирующий перистальтический насос соединена с впускным патрубком анодного узла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4