Способ электрокинетической очистки грунтов от радиоактивных и токсичных веществ

 

Изобретение относится 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. Технический результат: повышение производительности, экономичности, скорости очистки грунта и снижение энергозатрат. Способ включает создание на участках очищаемого грунта двух катодных полостей и расположенной между ними анодной полости, размещение электролитов в данных полостях и подведение к ним положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока, вывод электролита из анодной полости и подачу его в катодные полости, вывод электролита и газовой фазы из катодных полостей и очистку электролита. Перед подведением к электролитам анодной и катодных полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока в грунт между анодной и катодными полостями подают электролит в количестве 0,1-0,5 объема на объем очищаемого грунта через перфорированные трубки. Трубки устанавливаются в грунт на глубину загрязнения и на одинаковом расстоянии друг от друга. При этом осуществляют постоянный контроль электропроводности всех участков грунта вдоль линии, соединяющей анодную и катодные полости путем измерения падения напряжения на них и путем подачи на участки с пониженной электропроводностью электролита в количестве, обеспечивающем выравнивание электропроводности участков грунта. 1 табл.

Изобретение относится 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 почв от загрязняющих их веществ (1) с применением электроосмоса, включающий установку в почву на заданную глубину одного или нескольких пористых электродов, служащих катодами, и одного или нескольких электродов, служащих анодами, подведение к электродам разности электрических потенциалов между катодами и анодами, подачу в почву в месте нахождения одного из электродов, анода или катода, чистой промывающей жидкости, например воды, выведение электролита из прикатодной области и его очистку.

Недостатком известного способа является невозможность очистки грунтов от прочносвязанных с ними элементов загрязнителей, для десорбции которых требуется высокая концентрация реагента более 0,1 N, так как электроосмос при этом практически отсутствует.

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, постоянное 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. Недостатком известного способа является: ограниченная область применения, обусловленная возможностью его использования только для очистки водоненасыщенных грунтов с хорошей водопроницаемостью.

Известен 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 рН 3 и подачу электролитов с откорректированной кислотностью в катодные полости.

Недостатками известного способа являются: пониженная производительность, обусловленная уменьшением в процессе реализации количества извлекаемых из очищаемого грунта загрязняющих его веществ; пониженная экономичность; а также образование вторичных жидких отходов, связанные с необходимостью периодической замены отработанного электролита анодной полости на новый электролит; ограниченная область применения, обусловленная тем, что известный способ неприменим в тех случаях, когда необходимо сохранить целостность структуры очищаемых грунтов; пониженная степень выделения загрязняющих грунт веществ, т.к. выделение осуществляется только из электролита катодных полостей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ электрокинетической очистки грунтов от радиоактивных и токсичных веществ (4), 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 при этом 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 вышеуказанную 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, размещаемых в анодной и катодных полостях, используют один и тот же электролит. Недостатками известного способа являются: повышенная продолжительность, особенно начальной стадии процесса, обусловленная низкой скоростью поступления реагента из анодной полости в очищаемый грунт за счет электромиграции и электроосмоса, а также из-за повторной сорбции на грунте десорбированного иона-загрязнителя при его движении в поле постоянного электрического тока; а участки, до которых еще не дошел десорбирующий реагент, обладают низкой электропроводностью, что не позволяет в начальный период процесса очистки достигнуть необходимых плотностей электрического тока и, соответственно, высокой производительности, это особенно сказывается при очистке больших объемов грунта, когда катодные и анодные полости устанавливаются на достаточно большом расстоянии друг от друга; пониженная экономичность, обусловленная расходом электроэнергии в начальной стадии процесса, продолжительностью несколько десятков суток, когда происходит движение реагентного фронта вдоль электрического поля без поступления загрязнения в электродные полости; возможность локальных перегревов отдельных участков грунта из-за их пониженной электропроводности, связанной с различными составом и пористостью грунта и, как следствие, его обезвоживание за счет испарения и снижение плотности электрического тока, приводящее к снижению скорости очистки; пониженная стойкость конструкционных материалов электродных устройств, вследствие возможного повышения температуры, выше допустимой из-за перегрева прилегающих к ним участков грунта в процессе очистки.

Техническим результатом предлагаемого способа является сокращение продолжительности процесса, повышение экономичности, снижение энергозатрат и увеличение срока службы конструкционных материалов.

Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что предлагаемый 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 ним положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока, вывод электролита из анодной полости и подачу его в катодные полости, вывод электролита и газовой фазы из катодных полостей, очистку выведенных электролитов от загрязняющих грунт радиоактивных и токсичных веществ и последующую корректировку кислотности очищенных электролитов до рабочих величин, составляющих рН<3 и корректировку концентраций, содержащихся в них десорбирующих ионов до рабочих величин, составляющих 0,01-5,0 моль/л, подачу очищенного электролита с откорректированными кислотностью и концентрацией десорбирующих ионов в анодную полость, циркуляцию смеси электролитов в непрерывном режиме до достижения необходимой степени очистки грунта, причем 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, при этом перед подведением к электролитам анодной и катодных полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока в грунт между анодной и катодными полостями подают электролит в количестве 0,1-0,5 объема на объем очищаемого грунта через перфорированные трубки, устанавливаемые в грунт на глубину загрязнения и на одинаковом расстоянии друг от друга, и осуществляют постоянный контроль электропроводности всех участков грунта вдоль линии, соединяющей анодную и катодные полости путем измерения падения напряжения на них и на участки с пониженной электропроводностью подают электролит, в количестве, обеспечивающем выравнивание электропроводности участков грунта.

Отличительными признаками заявляемого способа является то, что: перед подведением к электролитам анодной и катодных полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока в грунт между анодной и катодными полостями подают электролит в количестве 0,1-0,5 объема на объем очищаемого грунта, через перфорированные трубки, устанавливаемые в грунт на глубину загрязнения и на одинаковом расстоянии друг от друга, и осуществляют постоянный контроль электропроводности всех участков грунта вдоль линии, соединяющей анодную и катодные полости, путем измерения падения напряжения на них и на участки с пониженной электропроводностью подают электролит в количестве, обеспечивающем выравнивание электропроводности участков грунта.

Введение исходного раствора электролита в качестве десорбирующего реагента непосредственно в грунт до включения электрического тока через трубки, равномерно установленные по всему очищаемому участку, позволяет сразу запустить процесс десорбции загрязнителя во всем объеме очищаемого грунта, что особенно важно при очистке объектов от прочносвязанного загрязнителя с медленной кинетикой десорбции. Одновременно это предотвращает повторную сорбцию ионов загрязнителя при их движении к катодам и повышает электропроводность грунта, а соответственно, плотность тока и скорость очистки. В результате это приводит к резкому сокращению продолжительности малопроизводительной начальной стадии процесса и повышению скорости очистки и снижению энергозатрат.

Указываемый интервал вводимого в грунт исходного раствора электролита в количестве 0,1-0,5 объема на объем очищаемого грунта определяется значением его общей пористости, которая имеет максимальное значение 0,45 - для песчаников и 0,5 - для глинистых грунтов. Поэтому при подаче его в трубки более 0,5 объема на объем очищаемого грунта, на его поверхности будет образовываться зеркало раствора, что приведет в случае грунтов с низкой фильтрационной способностью, например глинистых, к растеканию раствора за пределы очищаемого участка и увеличению площади загрязнения. При подаче раствора менее 0,1 объема на объем очищаемого грунта, невозможно достичь повышения скорости очистки из-за низкой концентрации десорбирующих ионов в поровом растворе, получающейся за счет разбавления поровыми водами.

Подача раствора электролита в перфорированные трубки определяется необходимостью обработки грунта на всю глубину загрязнения очищаемого участка, что особенно важно при обработке грунта с низкой фильтруемостью.

Постоянный контроль электропроводности всех участков и поддержание ее на требуемом уровне путем подачи дополнительного количества электролита в трубки приводит к повышению плотности тока и, соответственно, скорости очистки, а так же к повышению срока службы оборудования из-за предотвращения локального перегрева отдельных участков грунта.

Пример осуществления предлагаемого способа.

Реальный грунт с влажностью 20%, загрязненный Cs-137, с удельной активностью 120 кБк/кг в количестве 50 кг, поместили в емкость объемом 40 л, выполненную из полипропилена в форме параллелепипеда длиной 2 м и сечением 0,15x0,15 м. Торцы емкости были оборудованы катодными полостями объемом 1,5 л каждая, отделенные от грунта мембранами. В которых были размещены электроды в виде пластин из нержавеющей стали размером 0,1x0,1x0,005 м.

В центре емкости была оборудована анодная полость объемом 1,5 л, отделенная с двух сторон от грунта мембранами. В анодной полости был размещен электрод в виде пластины из платинированного титана размером 0,1x 0,1x 0,005 м. В каждую полость введено по 1,3 л электролита 0,5М HNO₃+1M NH₄NO₃.

С каждой стороны между анодной и катодными полостями в грунте размещают на одинаковом 0,2 м расстоянии друг от друга 8 перфорированных трубок, в которые подают раствор электролита в количестве 0,2 объема на объем очищаемого грунта (8 л). Подачу раствора осуществляют таким образом, чтобы не допустить образование зеркала раствора на поверхности грунта. Затем к электролиту анодной полости подводят положительный, а к электролитам катодных полостей - отрицательный потенциалы напряжения постоянного тока (U=70 B). Осуществляют постоянный контроль электропроводности различных участков грунта одинаковой длины между анодной и катодной полостями вдоль линии, соединяющей данные полости, путем измерения падения напряжения на них, и по результатам измерений подают дополнительное количество раствора электролита в трубки на участок с пониженной электропроводностью в количестве, обеспечивающем выравнивание электропроводности участков грунта.

Например, результаты одного из измерений напряжения на участках грунта между анодом и катодом имели значения 10-10-11-11-20 В. После подачи в трубку на участок с падением напряжения 20 В электролита объемом 0,1 л падение напряжений распределилось следующим образом: 12-12-13-13-12 В.

При этом происходит повышение электропроводности грунта, выравнивание ее по всему объему, что обеспечивает уже в начале процесса очистки необходимые технологические параметры - плотность тока и, как следствие, скорость очистки. В результате воздействия на грунт десорбирующих ионов, входящих в состав электролита, происходит переход радионуклидов и токсичных веществ с частиц грунта в поровый раствор и движение их под действием электрического поля 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 насоса (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. В результате происходит нейтрализация избытка образовавшихся в катодной полости в процессе электролиза воды ионов гидроксила, что предотвращает образование в катодных полостях нерастворимых гидроокисей породообразующих элементов, переносимых вместе с ионами загрязнителя.

Выведенные из катодных полостей электролиты и газовые фазы отделяют друг от друга, а раствор электролитов подают на очистку (например, сорбционную, соосадительную и т. п. ) от присутствующих в нем радиоактивных и токсичных элементов.

После выделения из раствора электролита Cs-137 его направляют на корректировку состава электролита до исходных значений. Затем очищенный раствор электролита с откорректированным составом вводят в анодную полость, после чего осуществляют циркуляцию раствора электролитов в непрерывном режиме до достижения необходимой степени очистки грунта.

Для сравнения был проведен эксперимент, отличающийся от вышеописанного тем, что подачу электролита в грунт не осуществляли.

Результаты испытаний прототипа и предлагаемого способа по очистке реального грунта, загрязненного Cs-137 показали, что последний обладает более высокими производительностью, экономичностью, скоростью очистки грунта и низкими энергозатратами. Как видно из представленных в таблице результатов, предварительная подача раствора десорбирующего реагента в загрязненный грунт позволила сократить продолжительность очистки (например, до 40%) более, чем в 2 раза, увеличить среднюю скорость очистки с 0,23 до 0,5%/сутки и, соответственно, снизить энергозатраты в ~2 раза.

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

ЛИТЕРАТУРА 1. 3аявка ФРГ 4307719, МКИ5: G 21 F 9/28, оп. 15.09.94.

2. Патент США 5074986, МКИ5: С 25 С 1/22, оп. 24.12.91.

3. Международная заявка WO 95/11095, МКИ6: В 09 С 1/00, A 62 D 3/00, оп. 27.04.95.

4. Патент РФ 2172531 C1, G 21 F 9/28, В 09 С 1/08, Бюл. 23, оп. 20.08.2001.

Формула изобретения

Способ электрокинетической очистки грунтов от радиоактивных и токсичных веществ, включающий создание на 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, вывод электролита из анодной полости и подачу его в катодные полости, вывод электролита и газовой фазы из катодных полостей, очистку выведенных электролитов от загрязняющих грунт радиоактивных и токсичных веществ и последующую корректировку кислотности очищенных электролитов до рабочих величин, составляющих рН < 3, и корректировку концентраций, содержащихся в них десорбирующих ионов до рабочих величин, составляющих 0,01-5,0 моль/л, подачу очищенного электролита с откорректированными кислотностью и концентрацией десорбирующих ионов в анодную полость, циркуляцию смеси электролитов в непрерывном режиме до достижения необходимой степени очистки грунта, причем 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, отличающийся тем, что перед подведением к электролитам анодной и катодных полостей положительного и отрицательного потенциалов напряжения постоянного тока в грунт с каждой стороны между анодной и катодными полостями подают электролит в количестве 0,1-0,5 объема на объем очищаемого грунта через перфорированные трубки, устанавливаемые в грунт на глубину загрязнения и на одинаковом расстоянии друг от друга, и осуществляют постоянный контроль электропроводности всех участков грунта вдоль линии, соединяющей анодную и катодные полости, путем измерения падения напряжения на них и на участки с пониженной электропроводностью подают электролит в количестве, обеспечивающем выравнивание электропроводности участков грунта.

РИСУНКИ

Рисунок 1