CN106061616B - 采用高表面积材料的吸附作用长期储存废物 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于长期储存废物的系统和方法，所述系统和方法可包括具有高表面积的粉碎材料(100)。所述粉碎材料(100)可包括已从中得到了烃类产物的经处理的含烃材料颗粒。所述粉碎材料(100)可与可流动废料接触，使得所述可流动废料保留在所述粉碎材料(100)中。这种可流动废料是不同于从所述含烃材料中得到的烃类产物的一些材料。封装阻隔物(105)可以包裹所述粉碎材料(100)，并提供防止所述可流动废料逸出的辅助手段。

Description

采用高表面积材料的吸附作用长期储存废物

相关专利申请

本专利申请要求于2014年1月28日提交的名称为“采用高表面积材料的吸附作用长期储存废物”(Long Term Storage of Waste Using Adsorption by High SurfaceArea Materials)的美国临时专利申请No.61/932,582的优先权，该美国临时专利申请以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于在高表面积材料主体中长期储存可流动废物(例如有害废物)的系统和方法。因此，本发明整体涉及废物管理、地质学、材料科学和流体力学等技术领域。

背景技术

随着世界各地产生越来越多不需要的废料，垃圾处置成为越来越具有挑战性的问题。特别是有害废物处置可能涉及复杂且昂贵的措施，以销毁有害废物或否则使有害废物被安全地管控。如果处置方法并未充分地管控有害废物，那么，有害废物可逸出到周围环境中，并对植物和动物生命造成伤害、污染地下水，并可能造成其他伤害。经常采取措施来固定化有害废物，以防止其逸出到环境中。已开发出多种方法，包括将废物封在硬化的材料(例如水泥、树脂或玻璃)中、将废物注入到地下岩层裂痕中，以及将废物储存在可配备有防漏衬里和检测系统的垃圾填埋地中。然而，就处置点的稳定性、持久性、可靠性和经济性等而言，仍然存在各种挑战。

发明内容

用于长期储存废物的系统可包括具有高表面积的粉碎材料。粉碎材料可包括已从中得到了烃类产物的经处理的含烃材料颗粒。可流动废料可被保留在粉碎材料中。这种可流动废料是不同于从含烃材料中得到的烃类产物的材料。封装阻隔物可包裹粉碎材料。

此外，用于储存可流动废料的方法可包括将粉碎材料的基本静止主体与可流动废料接触。粉碎材料可具有高表面积。粉碎材料还可包括已从中得到了烃类产物的经处理的含烃材料颗粒。最后，可通过封装阻隔物将粉碎材料包裹起来。

因此，已对本发明的较重要的特征进行了广义的概述，以更好地理解接下来的本发明的具体实施方式，并且更好地认识本发明对本领域的贡献。通过本发明的以下具体实施方式结合附图和权利要求，本发明的其他特征将变得更清晰，或者可通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的通过封装阻隔物包裹的粉碎材料的主体的横截面。

图2是根据本发明的一个实施例的其中保留有可流动废料的粉碎材料颗粒的横截面。

图3是根据本发明的一个实施例的用于储存可流动废料的方法的流程图。

应当指出的是，附图仅仅是本发明的几个实施例的示例，并非意在由此限制本发明的范围。而且，附图通常不按比例绘制，而是出于方便、清楚地说明本发明各个方面的目的进行绘制。

具体实施方式

虽然这些示例性实施例足够详细地描述以使本领域的技术人员能够实践本发明，但是应当理解，其他实施例也可以实现并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下可对本发明作出各种改变。因此，以下对本发明的实施例的更详细的描述并不旨在限制本发明的请求保护的范围，而是仅仅为了说明而非限制的目的而呈现以描述本发明的特征和特性，阐述本发明的最佳操作模式，并且充分地使本领域的技术人员能够实践本发明。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求书来限定。

定义

在描述和要求保护本发明时，将使用下面的术语。除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数指示物。因此，例如，提及“一个壁”包括提及一个或多个这样的结构，提及“一种废料”包括提及一种或多种这样的材料，而“一个接触步骤”是指一个或多个这样的步骤。

如本文所用，“粉碎”是指将构造物或较大的团块破坏成较小的块，例如通常直径小于约2英尺的碎块。可碎石化或以其他方式使用任何数目的技术(包括压碎、爆轰等)将粉碎的团块打碎成为碎块。

如本文所用，“生土材料”是指仅用机械变形从土壤中回收的天然材料，例如但不限于，膨胀性粘土(例如膨润土、蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石、蛭石等)、砾石、岩石、压实填土、泥土等。例如，砾石可与水泥结合形成混凝土。经常地，粘土改良的泥土可与水结合形成水合层，该水合层充当流体阻隔物。相比之下，废油页岩可与在封装阻隔物的壁中所使用的生土材料结合使用，但不会是如本文所用的生土材料，这是因为前处理将嵌入的油母岩转化成了烃类产物。

如本文所用，“可流动废物”是指能够在给定条件下流入高表面积材料的材料。可流动废物可包括液体、气体、细颗粒、蒸气或它们的组合。如本文所用，“有害材料”或“有害废物”包括能够对动物、人或环境造成伤害的任何材料，并且表现出以下特征的一种或多种：可燃性、反应性、腐蚀性、毒性或放射性。环境保护署在40 C.F.R.261(2012年7月1日)中定义了许多有害废物。然而，任何将这种特性表现至不适于给定应用或环境的程度的材料都可被认为是有害的。例如，有害材料还可包括放射性材料，例如核废物或相关处理材料，它们是A类、B类或C类废物。

如本文所用，“含烃材料”是指包含烃类的材料，可从该材料中提取或衍生烃类产物。例如，可从该材料中直接提取液体烃，通过溶剂提取提移出烃、直接蒸发出烃或以其他方式释放出烃。然而，许多含烃材料包含烃、油母岩和/或沥青，其通过加热和热解转变为更高质量的烃类产物，包括油和气产物。含烃材料可包括但不限于油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤、生物质和其他富含有机物的岩石。

如本文所用，“经处理的含烃材料”是指已经从中提取或衍生烃类产物的含烃类的材料。例如，可从该材料直接提取液体烃，通过溶剂提取提移出烃、直接蒸发出烃或以其他方式提移出烃。然而，许多含烃材料包含油母岩或沥青，其通过加热和热解转变为烃。含烃材料可包括但不限于油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤、生物质和其他富含有机物的岩石。这种经处理的含烃材料可任选地与其他材料混合，例如岩石、水泥、树脂、其他生土材料、表面活性剂、粘合剂、酶、生物衍生填料、生物试剂、无机试剂、前体、盐和/或人造材料。

如本文所用，“开采”是指将材料从初始的地层或地理位置移到或扰动到不同的第二位置的条件。通常，可通过碎石化、压碎、爆炸引爆或以其他方式从原生地层移出材料来生产开采材料，用于进一步使用或处理。

如本文所用，“保留容量”是指粉碎材料主体内可基本上保持静止的可流动废料的量。保留容量可取决于许多因素，例如粉碎材料的表面积、粉碎材料的孔隙率、粉碎材料中的空隙空间、经处理后留在粉碎材料中残余烃或其他材料的量、可流动废料和粉碎材料表面之间的分子间力、粉碎材料相对于可流动废料的可润湿性、毛细力、可流动废料的粘度、可流动废料的表面张力、可流动废料的密度、温度及其他有助于降低表面能的因素。保留容量至少部分地由可流动废物与粉碎材料的主体接触时的表面能减少所控制。因此，保留容量可以是粉碎材料主体和可流动废料的性能及它们之间的相互作用的函数，例如对于不同的废料，粉碎材料主体的保留容量可不同。一般来讲，保留容量可以是粉碎材料内可稳定保留而无废料流出粉碎材料或在重力作用下在粉碎材料底部汇集的可流动废料的最大量。

如本文所用，“基本上静止”是指粉碎材料内的可流动废料几乎静止布置。这是指可流动废料基本上不具有本体流动、允许小规模流动(例如气孔内流动、围绕粉碎材料的润湿膜层内流动、无规对流或粉碎材料的相邻颗粒之间的流动)。如果粉碎材料在封装阻隔物中沉淀或沉降，那么，基本上静止的可流动废料还可发生移动。然而，基本上静止的可流动废料不会发生本体流动、流出粉碎材料主体或在重力作用下在粉碎材料的底部汇集。

如本文所用，“约”是指基于对所标识的特定性能常见的实验误差的偏差度。由术语“约”所提供的范围将取决于具体语境和特定性能并且可易于被本领域的技术人员辨别。术语“约”并非旨在详述或限制等效度，等效度可以被赋予特定值。另外，除非另外指明，否则术语“约”应明确地包括与下文有关范围和数值数据的论述“精确地”一致。

如本文所用，“邻近”是指两个结构或元件接近。具体地讲，被标识为“邻近”的元件可邻接或连接。此类元件还可以彼此靠近或接近，而不一定彼此接触。在一些情况下，精确的接近度可以取决于具体情况。

本文可能以范围格式表示浓度、维度、含量和其他数值数据。应当理解，此类范围格式的使用仅仅出于方便和简洁目的，并且应灵活解读为不仅包括作为范围端值明确记载的数值，还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子范围，如同明确记载每个数值和子范围。例如，约1至约200的范围应解读为不仅包括明确记载的端值1和约200，还包括诸如2、3、4的单个尺寸，以及诸如10至50、20至100的子范围等。

如本文所用，为方便起见，多个项目、结构元件、组成元件和/或材料可以在相同列表中表示。然而，这些列表应理解为列表的每个成员独立地标识为单独且唯一的成员。因此，在没有相反指示的情况下，不应仅仅基于它们在相同组中出现，就将此类列表的任何单个成员理解为相同列表的任何其他成员的实际等同物。

任何方法或工艺权利要求中所记载的任何步骤可以按任何顺序执行并且不限于权利要求中提供的顺序。装置加功能或步骤加功能限制仅仅将用在以下地方，即对于特定的权利要求限制，在该限制中满足所有的下列条件：a)明确记载了“用于...的装置”或“用于...的步骤”；以及b)紧接着明确记载对应功能。在本文的说明中明确记载了支持装置加功能的结构、材料或行为。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求及其合法等同条件确定，而非由本文给定的描述和例子确定。

废物的长期储存

用于长期储存废物的系统通常可通过将可流动废料保留在粉碎材料的静止主体内来工作。粉碎材料可具有高表面积，并且可包含已从中得到了烃类产物的经处理的含烃材料颗粒。废料可以是期望通过长期储存来处置的任何可流动有害或无害材料。粉碎材料可具有保留容量，这是指可在粉碎材料内基本上保持静止的可流动废料的量。保留容量可取决于多种因素，例如粉碎材料的表面积、粉碎材料的孔隙率、可流动废料和粉碎材料的表面之间的分子间力、可流动废料的粘度、可流动废料的表面张力等。一般地，保留容量可以是粉碎材料内可稳定保留而无废料流出粉碎材料或在重力作用下在粉碎材料底部汇集的可流动废料的最大量。此外，封装阻隔物可包裹粉碎材料。封装阻隔物可作为防止废料逸出的辅助措施。在一些实施例中，封装阻隔物可以是废料完全不可透过的。在其他情况下，封装阻隔物可以是废料部分不可透过的。一般来讲，部分不可透过的阻隔物可将废料扩散降低至低于无阻隔物的扩散的10％，在一些情况下低于5％，并且在其他情况下低于1％。

考虑到上述情况，用于长期储存废物的系统可包括由封装阻隔物包裹的粉碎材料主体。参见图1，该系统包括由封装阻隔物105包裹的粉碎材料100。粉碎材料可以是被碎石化或以其他方式打碎的较大团块的碎块，例如被碎石化的岩层。粉碎材料的颗粒可具有多种尺寸和形状。如图2所示，粉碎材料的颗粒200可不规则地成形。每个颗粒都具有最长尺寸205。颗粒的尺寸可变化，但在一些实施例中，以体积计的大部分颗粒的最长尺寸可介于约一毫米(1mm)和约三十厘米(30cm)之间。颗粒的尺寸和形状可取决于系统的设计以及用于压碎粉碎材料的方法。在一些实施例中，颗粒可具有宽分布的最长尺寸，例如最长尺寸随机分布在约一毫米和约三十厘米之间。在其他实施例中，最长尺寸可更均匀。粉碎材料的表面积可受颗粒的大小和形状影响。例如，相较于等体积的较大颗粒，较小的颗粒可具有更大的表面积。作为一般性指导原则，90％以上的颗粒可具有小于5∶1的低纵横比，在大多数情况下小于2∶1。此外，尽管不是必需的，但颗粒可具有不均匀的形状，在颗粒间也有所不同。

粉碎材料100可具有高的表面积，并且体积通常可非常大，使得系统可保留相当体积的废物。例如，典型储存系统可被形成为具有超过约1000m³至160万m³的体积。系统的尺寸范围可以是：深度为约10m至200m，平面表面积为0.5英亩至5英亩。

粉碎材料可具有高表面积。粉碎材料的表面积可有利于粉碎材料的保留容量。例如，高表面积可得到粉碎材料和废料之间更大量级的表面张力和毛细力。废料可附着到粉碎材料颗粒的表面，从而被保留在粉碎材料主体中。如图2所示，可流动废料210可附着到粉碎物料的颗粒200。可流动废料可在颗粒的表面220上形成膜215并还集中于颗粒之间的空隙内。该膜的厚度及由此可保留的废料的量取决于多种因素，例如废料的表面张力、粘度和密度，以及粉碎材料的形状、表面积及相对于废料的可润湿性。在一些情况下，该膜可以是湿润膜，或换句话讲，由废料润湿粉碎材料的表面得到的稳定的膜。废料也可被保留在颗粒之间的间隙空间225中。

粉碎材料也可通常为多孔材料。孔可增大粉碎材料的表面积，还可通过将废料吸收进入孔隙来增大保留容量。如图2所示，粉碎材料的颗粒200可具有孔230，该孔在颗粒表面220处具有露出的开口。在一些情况下，孔可具有完全充满废料210的内部容积。因此，废料可被吸收到粉碎材料的颗粒之中。在其他情况下，孔的内表面235可由废料的膜215润湿，而没有废料填充孔的内部容积。

高表面积和高孔隙率都可有利于粉碎材料的保留容量。保留容量可受多种因素影响，包括粉碎材料中的空隙空间、毛细力、分子间力、粉碎材料相对于废料的可润湿性、粉碎材料的表面积、粉碎材料的孔隙率、温度、废料的粘度、废料的密度等。保留容量越大，可储存在粉碎材料中的废料越多。在一些实施例中，粉碎材料可保留等于保留容量的量的废料。在其他实施例中，粉碎材料可含有低于保留容量的量的废料，例如保留容量的20％以内，在一些情况下，保留容量的10％以内，在其他情况下，保留容量的5％以内。储存小于保留容量的量的废料可提供安全余量，以确保废料不会从粉碎材料逸出。由于用于长期储存废物的系统可被设计为将废料保留很长一段时间，所以使用安全余量可帮助防止由于异常状况或事件而损失废料的可能性。虽然储存时间可由具体应用来确定，但设计的储存时间可以是至少5年，在一些情况下，至少20年，并且在其他情况下至少100年。

尽管粉碎材料通常可保留高达保留容量的量的废料，但可以想见，如果条件充分变化，则废料可逸出，所述条件充分变化例如是大的温度变化、天气变化(例如洪水或大雨)或粉碎材料以下或周围的土壤移位或者废料的性质变化。在这些情况下，储存量少于保留容量的量可减少废料的逸出的风险。在一些实施例中，废料以低于粉碎材料保留容量的约90％的量存在。在其他实施例中，废料以低于粉碎材料保留容量的约70％的量存在，提供更宽的安全余量。然而，当使用膨胀性粘土作为阻隔材料时，地下水或水合水平的变化一般不损害系统的阻隔性能。

粉碎材料可包括已从中得到了烃类产物的经处理的含烃材料颗粒。废含烃材料通常可具有非常高的表面积。例如，油页岩是富烃岩石，去除烃之后，它可变得高度多孔。未处理过的油页岩含有油母岩、有机材料，结合至富含矿物质材料的无机基质。油母岩可见于遍及油页岩的薄层和小凹处中。通过热解去除油母岩后，具有此前至少部分地由油母岩占据的孔的网络的无机基质被留下。此外，热解过程中在油页岩中形成的机械弱点可形成裂缝和空隙的网络，这些进一步增加了废油页岩的孔隙率。在一些实施例中，在粉碎材料中经处理的含烃材料可以是废油页岩、废焦油砂、煤残渣、褐煤残渣、沥青残渣或它们的混合物。经处理的含烃材料可以是烃提取操作的不期望残余产物。因此，在用于长期储存废物的系统中使用经处理的含烃材料可提供方便的方式来同时处置可流动废物和不期望的经处理的含烃材料。

在一些实施例中，粉碎材料可基本上仅含有已从中得到了烃类产物的经处理的含烃材料。然而，在其他实施例中，粉碎材料可包含其他任选的材料。低质油页岩可包含在粉碎材料中，例如，如果油页岩不包含足够量的油母岩使提取有利润。在一些实施例中，粉碎材料可包含其他生土材料，例如粘土、压实填土、耐火水泥、水泥、膨胀性粘土改良的土壤、压实土、低质页岩以及它们的组合。然而，未经处理的含烃材料的材料最经常可包含以体积计少于储存主体的50％，在某些情况下，以体积计少于储存主体的10％，所述储存主体包括经处理的含烃材料。

如前面所讨论，可流动废料可被保留在粉碎材料中。作为可流动材料，废料可被泵送或倾注到粉碎材料主体。在一些实施例中，废料可以是液体。液体废料可基本上仅为液体，或者可含有固体颗粒以形成浆料或悬浮液。此外，液体废料可包含任何类型的液体材料。例如，液体废料可以包含基本上纯的液体化学品、多种化学品的混合物及溶解的固体和气体。在另一个可选的方面中，可流动废料可以是气体或可流动颗粒。可流动废物颗粒的一个例子可以是煅烧的废料，或者作为初级废物处理过程的副产物而产生的颗粒状细粒。

可流动废料能够流入粉碎材料中，从而允许可流动废料形成湿润膜、填充间隙空间、以及被吸收到粉碎材料中的孔中或以其他形式被吸附在粉碎材料的表面上。在一些实施例中，废料可围绕粉碎材料形成润湿膜。润湿膜是由废料润湿粉碎材料的表面得到的稳定的膜，并且根据废料和粉碎材料之间的粘附力和其他因素(例如废料的表面张力)可具有不同的厚度。如图2所示，废料210的膜215可基本上适合粉碎材料的颗粒200的表面220。不同位置的膜厚度可不同，取决于颗粒的几何形状和其他颗粒的接近度。另外，围绕着两个相邻颗粒的膜可合并在一起，并形成保留在颗粒之间废料的连续区域。在一些实施例中，废料可围绕以体积计至少大部分的粉碎材料形成润湿膜。如果在大部分高表面积粉碎材料周围形成润湿膜，那么，即使薄润湿膜也可容纳大体积的废料。在一些情况下，废料可填充颗粒之间的间隙空间225，而在其他情况下，间隙空间可含有废料的膜和空的空隙空间。此外，废料可流入孔230并填充孔，从而被吸收到粉碎材料的颗粒之中。

废料可保留在粉碎材料之中，使得废料是基本上静止的。如果废料以等于或小于粉碎材料的保留容量的量存在，则废料可以是基本上静止的，因为它将是润湿膜的形式，困在间隙空间中，或者被吸附在粉碎材料的孔隙中。因此，废料可以一定的量存在，使得废料在重力作用下不会从粉碎材料的主体流出或在粉碎材料主体的底部汇集。当粉碎材料和阻隔材料是生土材料或其他天然材料时，被保留废料的稳定性和保留性可无限期地延长。因此，只要避免灾难性地破坏阻隔物，本文所述的保留系统可有效地保留可流动废物。

通过储存在根据本发明的系统中，可有效地处置有害废物。由于有害废物可能对人员和环境造成伤害，所以有害废物的处置可以是具有挑战性的。本发明的系统可将有害废物保留很长一段时间，并且在大多数情况下，无限期地确保有害废物不会逸出到环境中。有害废物通常可包括具有一种或多种以下超过适量幅度的特性的危险材料：高可燃性、高反应性、腐蚀性、毒性和放射性。系统的温度也可影响一些有害废物的稳定性或危险程度。这些特性的详细定义和特定有害废物的名录已由环境保护署公布。适于使用本发明储存的有害废物可包括在40 C.F.R.261(2012年7月1日)中确定的可流动有害废料，但也可存储其他有害材料。其他材料(诸如放射性材料)也可以是有害废物。在本发明的一些实施例中，可流动废料可以是选自以下项的有害材料：放射性废物、化学废物、农药、汽车废物、溶剂、腐蚀剂、含重金属的废物、制冷剂、生物废物、生物危害性材料、固定化生物材料以及它们的混合物。有害材料的具体非限制性例子可包括汞、砷、镉等。

可流动废料通常可以是除从含烃材料衍生出烃之后留下的残余烃类产物或其他过程残渣等之外的物质。虽然烃生产过程的目标是要从含烃材料中尽可能多地除去烃，但是在处理后的废含烃材料中可残留有一定量的残余烃。残余烃的残留量可以根据各种因素而不同。例如，在烃生产阶段中温度控制不良可以导致烃生产效率变低，因而留下更多的残余烃。即使这些残余烃在某些情况下是可流动的，并且由于它们并未作为有用产物而回收，因此可以被视为废物，但在本发明中它们是指残余的回收过程材料和非可流动废料。本文中，无论在引入可流动废料之前存在于粉碎材料中的残余的回收过程材料的性质如何，术语可流动废料都是指加入到粉碎材料中的废料。

油页岩中的金属和其他化学物质可以是烃回收期间经处理的含烃材料中留下的残余回收过程材料的示例。这些残余回收过程材料中的一些可以被认为是有害的。本发明的可流动废物可以是除了这些留下的金属和化学物质之外的一些其他材料。通常，存储在粉碎材料中的可流动废料可以是最初不存在于含烃材料中的外来物质(即，不是生产出的组分)。例如，可流动废料可以从较远位置被运送而来，以被储存在粉碎材料中。可流动废料也可由粉碎材料主体之外的现场加工过程生成，例如在烃精炼厂现场生成。因此，不将以下材料视为可流动废料：回收过程的诸如所产生的烃类产物、所产生的二氧化碳或其他产物(包括副产物)这样的材料。在一种替代方案中，粉碎材料可用于捕获或储存来自提取过程的残余。提取过程的非限制性实例可包括金或铜提取操作中的氰化浸出、从废页岩中提取铀等。在这些过程中，粉碎材料可以充当进行提取处理的提取空间。作为另外一种选择，粉碎材料可仅仅充当储存空间，用以在提取之后放置来自在空间上分开的提取过程的残余。

残余回收过程材料(诸如留在经处理的含烃材料中的烃、金属和其他化学物质)可能影响粉碎材料的保留容量。因为例如存在吸附的残余烃，所以粉碎材料可能具有较小的暴露表面积。在一些情况下，残余烃会堵塞孔并进一步降低保留容量。相反地，此类残余烃、碳和其他物质可以提高用于捕获可流动废物的有利表面能，因此，可以降低足以改善粉碎材料内粘附性和保留容量的组合表面能。在确定粉碎材料的保留容量时，可以考虑上述因素，以避免用可流动废物将粉碎材料填充得太满。

粉碎材料可以由可选的封装阻隔物包裹，从而给废料从系统脱出的过程提供辅助阻隔作用。封装阻隔物可包括底部部分、顶部部分和侧壁部分，侧壁部分连接底部和顶部形成封闭体积，该封闭体积容纳粉碎材料并且限制流体流到封装阻隔物之外。在一些实施例中，封装阻隔物可以具有一个或多个流体入口和出口。这些流体入口和出口可以在从封装阻隔物内的含烃材料产生烃类产物的过程中使用，并且还可以用于将可流动废料引入到封装阻隔物内部的粉碎材料之中。顶部部分限定封闭体积的上部并与侧壁邻接。底部也与侧壁邻接，并且可以是基本上水平的或根据需要朝排出管道倾斜的，用于收集在含烃材料的处理过程中所提取的烃流体。在引入可流动废料之前，可以封闭或堵塞收集排出管道，以防止废料逸出。

在一些实施例中，可沿着挖掘出的含烃材料矿床的壁形成封装阻隔物。例如，可以从矿床开采油页岩、焦油砂或煤，形成大致对应于封装阻隔物所需封装体积的空腔。挖掘出的空腔随后可以用作封装阻隔物的支承物。在一个可供选择的实施例中，如果封装阻隔物部分地或基本上位于地面以上，则可以围绕封装阻隔物的外壁表面形成护台。封装阻隔物可以是地上的自立式结构的一部分，其中护台支撑着侧壁，并且该阻隔物的底部由其下方的地面支撑。

封装阻隔物可以基本上不含原状地层。具体地讲，可以将封装阻隔物完全构造并人造为用于防止废料不受控制迁移出粉碎材料的单独隔离机构。原状地层可具有裂缝和孔隙，这些裂缝和孔隙可使可流动废料能渗透过地层。以完全人造结构形式形成封装阻隔物，而不使用原状地层作为底部或壁，可以降低废料通过地层渗出的风险。然而，在一些实施例中，封装阻隔物可以采用所挖掘地层表面的一些构成部分。例如，在一些地层中，所挖掘坑道的底部和壁可能具有足够低的自然渗透性，使得明显的阻隔层(例如经粘土改良的土层)对于阻隔物部分而言可能并非是必需的。

封装阻隔物通常可包括底部、侧壁和顶部以限定封闭体积，其中侧壁从底部向上延伸，顶部在侧壁上方延伸。底部、侧壁和顶部中的每一者都可以由多个层构成，所述多个层包括细粒或其他阻隔材料内层、以及膨胀性粘土改良的土壤或类似流体阻隔材料外层。任选地，除了膨胀性粘土改良的土壤之外，还可采用进一步防止流体流到封装阻隔物外的外膜作为流体阻隔物。外膜可用作在主密封层因任何原因而失效的情况下的辅助后备密封层。也可以任选地将高温沥青内层或其他流体阻隔材料内层施加到细粒层的内表面，并限定封装阻隔物的内表面。

膨胀性粘土是可水合的无机材料，其导致粘土膨胀，或换句话讲形成对流体流动的阻隔物。封装阻隔物可以由干粘土颗粒和其他生土材料来形成，然后所述粘土可被水合以使粘土颗粒膨胀并形成阻隔物。典型地，这种阻隔层可以由固相颗粒和液相水形成，它们共同形成基本上连续的流体阻隔物。例如，可以使用膨胀性粘土改性的土壤形成封装阻隔物的底部、壁和顶部。当膨胀性粘土被水合时，它会膨胀并填充土壤中其他材料颗粒之间的空隙空间。通过这种方式，膨胀性粘土改性的土壤对于封装阻隔物内部的可流动废料而言变得不那么可渗透。通过将膨胀性粘土与其他生土材料充分混合，封装阻隔物对于流体流来说可以是基本上不可渗透的。合适的膨胀性粘土的一些示例包括膨润土、蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石、蛭石、泥板岩、绿土等。

合并的多层会形成封装阻隔物，起到阻隔粉碎材料的作用，从而保持封闭体积内的热量，以便于从油页岩、焦油砂或其他含烃材料中提移出烃。膨胀性粘土改良的土层的塑性将阻隔物密封，从而防止废料泄漏到阻隔物外。细粒层的隔绝特性使得横跨该层的温度梯度允许膨胀性粘土改良的土层足够地凉，以保持水分。在从含烃材料生成烃的过程中，该性能防止了烃类迁移到阻隔物外(除了经由指定管道以外)。在将可流动废料储存于粉碎材料中之后，该性能也可防止废料逸出到阻隔物外。但是，与本文中的描述一致的是，用可流动废料以低于保留容量的体积来填充粉碎材料可能是可取的。这样一来，在每个区域内，超过材料的保留容量的废料的汇集或局部集中现象能够得到避免，从而限制或完全消除对此类外部辅助阻隔物的依赖。

在某些情况下，可以从封装阻隔物中省去隔绝性细粒层。例如，如果为了从中移除物质，而使粉碎材料经受不需要施加热或产生热的替代过程(例如溶剂提取或浸出)，则隔绝层是可选的。在这种实施例中，采用水合的膨胀性粘土改良的土层将容纳有粉碎材料的封闭体积相对于外部环境密封。适当的不可渗透膜可任选地内衬于水合的膨胀性粘土改良的土层的内表面。虽然并不总是合乎需要的，但这种内衬可以防止水合的膨胀性粘土改良的土层与溶剂和/或沥滤的流体之间发生相互作用，否则溶剂和/或沥滤的流体可能与水合的膨胀性粘土改良的土层反应，或损坏水合的膨胀性粘土改良的土层。

在使用时，隔绝层很多时候可由细粒层形成。典型地，该细粒层可以是直径小于3cm的颗粒材料。尽管其他材料可以是合适的，但该细粒层典型地可由下列物质制成：砾石、砂、压碎的贫油页岩或其他不会捕获或以其他方式抑制流体流动的颗粒细粉。通过选择合适的颗粒材料和层厚度，细粒层可以充当隔绝作用的主要来源，并且可以维持从内表面到外表面的相当大的热梯度。气体虽然可以渗入该可渗透细粒层，但基本上不能渗透封装的膨胀性粘土层。正如烃提取过程的情况那样，当粉碎材料的温度高于封装的膨胀性粘土层内表面的温度时，气体可在细粒层中得到充分冷却(低于相应气体的冷凝点)，液体可从气体中冷凝而出。这些液体随后穿过细粒滴落至封装阻隔物的底部，它们在那里汇集并被移除。

可以使用任何合适的方法来形成封装阻隔物。然而，在一个方面，从底部由下至上形成阻隔物。在以预定的图案沉积材料的垂直沉积工艺中，可以同时完成所述一个或多个壁的形成过程，以及用粉碎材料填充封装件的过程。例如，可以沿着沉积材料上方的相应位置来定向多个斜槽或其他颗粒递送机构。通过选择性地控制输送的颗粒体积，以及沿系统鸟瞰图的每个单独粒状材料被输送的位置，可以自底部到顶部同时形成层和结构。可以将阻隔物的侧壁部分形成为底部的外周边处的连续向上伸出部，并将所存在的每一层，包括膨胀性粘土改良的土层、细粒层以及膜和/或沥青衬层(如果存在)构造成底部对应物的连续伸出部。在建造侧壁的过程中，可将粉碎材料同时置于底部上及侧壁周界之内，使得对将成为封闭空间的体积的填充过程与侧壁不断构建升高的过程同时进行。通过这种方式，能够避免形成内部挡土墙或其他横向制约因素。为了验证各层的界面处所发生的混和是在可接受的预定公差内(例如，以便保持各层的功能)，在垂直堆积时也可对这种方法进行监测。例如，膨胀性粘土改良的土层与细粒过度掺混可能会损害膨胀性粘土改良的土层的密封功能。这种过度掺混现象可以通过在建造时小心地沉积每个相邻层，并且/或者通过增加沉积层的厚度来避免。

随着建造过程接近上部，顶部可以使用和上述相同的输送机构来形成，并且仅需调整形成顶层的适当材料的沉积位置和速度。例如，当达到侧壁的所需高度时，可以加入足够量的封装阻隔物材料以形成顶部。

无论采用何种具体方法来形成封装阻隔物，一般都首先形成底部，并且该方法可包括放置任选的外膜、膨胀性粘土改良的土层和细粒层。任选地，可邻近细粒层的内表面布置沥青层。根据具体安装方式，可以任选地将加热管、收集管、流体输送管、收集托盘和/或其他结构嵌入到沉积的粉碎材料中。所形成的阻隔物还可以具有设置在顶部上的覆盖层。如果要在既有坡面下方形成阻隔物，则可以通过挖掘步骤或其他合适步骤来制备洞穴状凹坑。如果阻隔物不位于地下位置，则土壤或其他支撑护台可随着层材料的沉积而环绕侧壁并支撑层材料。

考虑到上文的描述，图1示出了包裹着粉碎材料100的封装阻隔物105的一个实施例的侧视图。现有表面或挖掘坡面110被主要用作对于阻隔物的底部部分115的支撑。该底部部分包括可选的外膜118、膨胀性粘土改良的土层120、隔绝的细粒层122，并且任选地包括内部沥青层124。连续侧壁部分130是从底部部分向上建造的，其包括外膜132、膨胀性粘土改良的土层134、细粒层136并且任选地包括内部沥青层138。如前文所提到的，随着阻隔物的建造，可以同时从底部到顶部形成各层。另外，随着壁的建造，可将粉碎物质(例如油页岩、焦油砂、煤等)放置在底部上，并填充将形成的封闭体积。根据系统的放置情况，侧壁部分和底部部分的外表面可以由护台支撑，或者(如果挖掘)由挖掘坑道的底部和壁支撑。阻隔物的底部部分、壁和顶部部分140中每一者共同形成隔绝容纳层。一般来讲，这些层的这些部分是围绕粉碎材料的连续层。

侧壁部分130建造完成后，不管是在同时填充或是在单独填充的情况下，粉碎材料100都会被置于将形成的封闭体积之内。顶部140可以在粉碎材料上方形成，并且与侧壁部分邻接。与底部和侧壁一样，顶部可以具有多个层，包括可选的外膜142、膨胀性粘土改良的土层144、细粒层146并且任选地包括内部沥青层148。如果需要，覆盖层150也可以覆盖顶部。另外，用作覆盖层的材料可被用作侧壁或底部来包住或环绕阻隔物。

底部、侧壁和顶部的各层是连续的，并且与类似材料直接接触或连通，使得例如细粒层122、136和146是环绕封闭体积的一个连续层。这同样适用于外膜层118、132和142、膨胀性粘土改良的土层120、134和144，也同样适用于内沥青层124、138和148(如果使用)。值得注意的是，每层的厚度在整个阻隔物中可以不是均匀的。只要层的厚度对于其预期目的(例如隔绝、流体阻隔等)起作用，每层的厚度就不是关键，层的存在才是重点。虽然封装阻隔物的厚度可以是变化的，但是合适的厚度范围通常可为从约4cm至约2m。

储存可流动废料的方法可包括将粉碎材料的基本静止主体与可流动废物接触。粉碎材料可以具有高表面积，以允许粉碎材料具有高保留容量。粉碎材料可包括已从中得到了烃类产物的经处理的含烃材料颗粒。封装阻隔物可包裹粉碎材料。

该方法中使用的材料类型和它们的特性及特征可以与上文针对用于储存可流动废物的系统所述的相同。该粉碎材料可以与上文所述是相同的颗粒大小、表面积和材料。类似地，在该方法中使用的可流动废料可包括上文所述的所有可流动废料，包括有害和无害的废物。封装阻隔物也可以具有与上文所述相同的材料、构造和建造方法。

在一些实施例中，将粉碎材料的基本上静止主体与可流动废料接触的步骤可包括将可流动废料注入到粉碎材料中。注入操作可以通过将废料从封装阻隔物的外部通过管道泵送到封装阻隔物的内部来进行。在一些情况下，管道可以与在烃生产阶段中所使用的用于注入加热流体或者移除烃类产物的管道相同。在其他实施例中，可以采用其他方式来执行将粉碎材料与废料接触的步骤。在将粉碎材料引入到封装阻隔物中之前，可以将废料与粉碎材料混合。无论如何，都可进行引入可流动废料的操作，从而尽量减少超过体积空隙的废料在局部发生汇集或残留的情况。因此，可将可流动废料分配到整个粉碎材料中，以增加均匀性并利用整个粉碎材料主体的储存容量。这可以使用多个分配入口、现有的嵌入式管道，并且/或者在各个位置监测可流动废料来完成。通常，将废料引入到粉碎材料中的操作可以在局部提供超过保留容量的大量废料。因此，一旦达到局部保留容量，多余的可流动废料将流入附近较低区域的粉碎材料中。监控废物液面和/或对总体积容量建模可以用来确定能被引入给定体积的粉碎材料、同时不超过总体积的保留容量的可流动废料的体积。

该方法还可包括在将粉碎材料与可流动废料接触的步骤之前，执行烃生产阶段来将烃从粉碎材料中提移出。图3示出了示例性方法300，其包括将烃从封装阻隔物内的含烃材料提取出来310，并将粉碎物料的基本上静止主体与可流动废料接触。如上所述，粉碎材料具有高表面积，并且包含已从中得到了烃类产物的经处理的含烃材料颗粒。还通过封装阻隔物将粉碎材料包裹起来320。

上述具体实施方式参照具体示例性实施例描述了本发明。然而，应当理解，在不脱离如所附权利要求中所述的本发明的范围的情况下，可进行各种修改和变化。具体实施方式和附图应视为仅仅是示例性的，而非限制性的，并且所有此类修改或更改(如果有的话)旨在落入如本文所述和示出的本发明的范围内。

Claims (34)

1.一种用于长期储存废物的系统，包括：

a)粉碎材料，所述粉碎材料具有约1mm至约30cm的平均最长颗粒尺寸和高表面积以及在间隙空间内和在所述粉碎材料的孔中保持静止至少5年的可流动液体废料，所述粉碎材料包括已从中得到了产物的经处理的含烃材料颗粒；和

b)包裹所述粉碎材料的封装阻隔物；

其中所述废料不是所述产物。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述经处理的含烃材料选自废油页岩、废焦油砂、煤残渣、沥青残渣或它们的混合物。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述煤残渣是褐煤残渣。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述封装阻隔物包括选自以下物质的生土材料：粘土、水泥、粘土改性土、压实土、低质页岩或它们的组合。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述粘土是膨胀性粘土。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述膨胀性粘土选自蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石或蛭石。

7.根据权利要求4所述的系统，其中所述粘土改性土是膨润土。

8.根据权利要求4所述的系统，其中所述压实土是压实填土。

9.根据权利要求4所述的系统，其中所述水泥是耐火水泥。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述封装阻隔物是自立式的或原状地层。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述可流动废料包括选自以下项的物质：放射性废物、农药、汽车废物、溶剂、腐蚀剂、制冷剂、生物废物、提取残渣以及它们的混合物。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述生物废物是生物危害性废物。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述可流动废料包括含重金属的废物。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述可流动废料包括化学废物。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述废料在所述粉碎材料周围形成润湿膜。

16.根据权利要求1所述的系统，其中所述废料以等于或小于所述粉碎材料的保留容量的量存在。

17.根据权利要求1所述的系统，其中所述粉碎材料还包括选自以下物质的生土材料：粘土、水泥、膨胀性粘土改性的土、压实土、低质页岩或它们的组合。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述压实土是压实填土。

19.根据权利要求17所述的系统，其中所述水泥是耐火水泥。

20.一种用于储存可流动废料的方法，包括将粉碎材料的基本上静止主体与可流动液体废料接触，所述粉碎材料具有约1mm至约30cm的平均最长颗粒尺寸和高表面积，所述粉碎材料包括已从中得到了烃类产物的经处理的含烃材料颗粒，所述粉碎材料被封装阻隔物包裹并且所述可流动液体废料被储存在所述粉碎材料的孔内和所述粉碎材料内的间隙空间内，并且使所述可流动液体废料在所述孔和间隙空间中保持静止至少5年。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述经处理的含烃材料选自废油页岩、废焦油砂、煤残渣、沥青残渣或它们的混合物。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述煤残渣是褐煤残渣。

23.根据权利要求20所述的方法，其中所述封装阻隔物包括选自以下物质的生土材料：粘土、水泥、粘土改性土、、压实土、低质页岩或它们的组合。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述粘土是膨胀性粘土。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述膨胀性粘土选自蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石或蛭石。

26.根据权利要求23所述的方法，其中所述粘土改性土是膨润土。

27.根据权利要求23所述的方法，其中所述压实土是压实填土。

28.根据权利要求23所述的方法，其中所述水泥是耐火水泥。

29.根据权利要求20所述的方法，其中所述废料为有害材料。

30.根据权利要求20所述的方法，其中所述废料在所述粉碎材料周围形成润湿膜。

31.根据权利要求20所述的方法，其中所述废料以等于或小于所述粉碎材料的保留容量的量存在。

32.根据权利要求20所述的方法，其中接触操作包括将所述废料注入到所述粉碎材料中。

33.根据权利要求20所述的方法，还包括在将所述粉碎材料与所述废料接触之前，将烃类产物从所述封装阻隔物内的含烃材料中提取出来，其中在所述提取过程中所述含烃材料的保留容量得到提高。

34.根据权利要求20所述的方法，其中在所述粉碎材料已经被所述封装阻隔物包裹之后，所述粉碎材料与所述可流动废料接触。

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