CN108046737A - 一种含有重金属危险废物的处理方法 - Google Patents

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朱鹏程
舒小明
齐峰
马永华
刘涛
刘立新
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Abstract

一种含有重金属离子的废物的处理方法，其特征在于，包括：1)将该焙烧过的氧化物、磷酸盐溶液及含有重金属离子的废物颗粒混合形成浆料；2)给浆料中填加至少一种还原剂形成一种浆状物；3）将浆状物整成预定形状形成包封放射性废料的磷酸盐陶瓷，其特征在于，氧化物晶粒通过将无机氧化物送入等离子炉中焙烧而后冷却而形成，给所述等离子炉施加的温度从第一温度以每分钟10摄氏度增加，如此焙烧20分钟40分钟到达第二温度，而后以第二温度恒烧40分钟到120分钟。本发明提供的方法将含有重金属离子的废物制备成了陶瓷，物理和化学地包封了重金属离子，不产生二次废物。

Description

一种含有重金属危险废物的处理方法
技术领域
本发明涉及一种含有重金属危险废物的处理方法，属于废物处理技术领域。
背景技术
危险废物含有害的化学材料和放射性的材料。含像铅、镉、铜、锌、镍和铁重金属的废物和来自核材料反应过程产生的含锝－99、铬、和锑的废物尤其有害。因为危险废物的物理特性和化学特性的多样性，没有一种已知的凝固和稳定的技术能成功地处理和放置危险废物。传统的高温废物处理方法（如，焚化、玻璃化）非常不适宜处理含有重金属危险废物，因为这些废弃物流在高温下，经常导致其中不稳定的成份被释放出来且生成所不希望的二次废物。
为克服上述问题,现有技术中提供了一种方法，其将废料用陶瓷包封，但是所提供的方法，利用氧化粉末与盐或者酸反应，反应速度太快，形成的陶瓷不粗糙，从而不能很好地包封放射性元素。
发明内容
为克服现有技术中存在的缺点，本发明的发明目的是提供一种含有重金属离子的废物的处理方法，其能利用磷酸盐从物理和化学上包封含重金属离子的废物，形成包封废物的磷酸盐陶瓷，不产生二次废物，保护了环境，节省了资源。
为实现所述发明目的，本发明提供一种含有重金属离子的废物的处理方法，包括：1)将该氧化物、磷酸盐溶液及含有重金属离子的废物颗粒混合形成浆料；2)给浆料中填加至少一种还原剂形成一种浆状物；3）将浆状物整成预定形状形成包封放射性废料的磷酸盐陶瓷，其特征在于，氧化物晶粒通过将无机氧化物送入等离子炉中焙烧而后冷却而形成，给所述等离子炉施加的温度从第一温度以每分钟10摄氏度增加，如此焙烧20分钟40分钟到达第二温度，而后以第二温度恒烧40分钟到120分钟。
优选地，等离子熔所述等离子炉至少包括容器、设置在容器内的多个等离子电极和一个公共电极，所述多个等离子电极和一个公共电极由ARC电源供电, 控制系统根据等离子熔炉所预设的温度通过控制施加给每个等离子电极电压。
优选地，ARC电源包括N个串联连接的电源单元。
优选地，每个电源单元包括变压器、一个整流器、一个续流二极管、一个电子开关和一个驱动级，所述变压器的初级线圈经电容连接于发电机一个感应线圈；所述整流器的正极连接于变压器次级的线圈的第一端，整流器的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管的正极连接到电子开关的第一端，电子开关的第二端连接到变压器次级的的第二端，电子开关的控制端连接到驱动级，由驱动级根据控制系统的控制指令控制电子开关的通。
与现有技术相比，本发明提供的方法利用磷酸盐从物理和化学上包封含有重金属离子的废物，形成包封废物的磷酸盐陶瓷，不产生二次废物，保护了环境，节省了资源。
附图说明
图1是本发明提供的含有重金属离子的废物的处理方法的流程图；
图2是本发明提供的等离子焙烧炉的组成示间图；
图3是本发明提供的发电机的组成示意图；
图4是本发明提供的ARC电源的电路图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，所示实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，本申请文件中所用术语，应该被理解为具有与现有技术一致的意义，除非在本申请文件被特定定义，否则不会用极端化的含义来解释。
图1是本发明提供的含有放射性元素废料的处理方法的流程图，如图1所示，本发明提供的含有放射性元素废料的处理方法包括：
1)将氧化物送入等离子炉中焙烧而后冷却而形成，给所述等离子炉施加的温度从第一温度以每分钟10摄氏度增加，如此焙烧20分钟40分钟到达第二温度，而后以第二温度恒烧40分钟到120分钟。优选地，第一温度为1000摄氏度，第二温度为1350摄氏度；所述氧化物选自下列的一种或几种：氧化钙、氧化钠、氧化锆、氧化铁和氧化镁。氧化物的加热温度或加热时间依据氧化物原料性质而有差异。高纯氧化物焙烧时间约为1小时，而技术级纯度的氧化物加热时间约需要3个小时。对氧化物加热后，还要对氧化物冷却，冷却后的氧化物通常为成团的大块，这样的大块必须重新研磨到8-10微米。
2)将该焙烧过的氧化物、磷酸盐溶液及含有重金属的废料颗粒混合形成浆料，其中，废料的粒度小于200微米。磷酸盐溶液包括含阳离子部分的磷酸盐，阳离子部分选自钾、钠、钙、锆、铁、镁－铵以及其组合。氧化物:磷酸盐: 含有重金属的废料重量比范围为1:3.4:1.45到1:3.4:6.6。当MgO被用作氧化物，KH2PO4用作磷酸盐的和含有重金属的废料用作废料时，特别合适的MgO: KH2PO4: 废物的重量比为1:3.4:1.45。
3)给浆料中填加至少一种还原剂形成一种浆状物，所述还原剂选自下列的一种：二价锡的盐、氯化物和纯金属。
4）将浆状物整成预定形状并固化形成包封含有重金属的废料的磷酸盐陶瓷。
根据一实施例。首先，将赤铁矿粉末送入等离子炉中在温度为摄氏度下焙烧约1小时，而后冷却，将具有10-50μm大小的100g赤铁矿颗粒与重量百分比为5g的纯铁粉末混合。该混合物在重量百分比为50%的淡的磷酸溶液中彻底搅拌，溶液与粉末的比是4:1,搅拌30分钟；而后加入200克含有重金属的废料颗粒,并搅拌,形成稠的可流动的糊状物。糊状物24小时后硬化，并放置3个星期。最终的铁基磷酸盐陶瓷产品是红色的，很稠密，孔隙几乎可以忽略。表面像玻璃，在破裂上，破裂的表面很滑像玻璃一样的没有可见的孔。X-射线衍射测试表明，磷酸铁陶瓷产品大体上像玻。
图2说明本发明等离子炉组成示意图，如图2所示，根据本发明一个实施例的等离子炉100包括：设置在底座上的容器101，所述容器具有接收物料的空腔，所述容器的侧壁设置有进料口，所述进料口连接进料装置，由进料装置供料，所述进料装置的排料口和容器101的进料口之间设置有可伸缩的隔离门116，需要进料时，控制系统使电机工作以驱动隔离门116打开，如果不需要进料时，控制系统使电机工作以驱动隔离门116关闭进料口。
进料装置包括以倾斜角度设置的进料室。所述进料装置包括进料斗110、与安装平面呈0度到15度的圆筒形进料室和设置在进料室内并沿进料室的轴线延伸的运输轴113，沿运输轴周向盘旋设置有凸肋112以形成单螺杆机构，所述运输轴113由电机111驱动旋转。
在一些实施例中，进料装置可向容器101提供氧化物。等离子炉包括多个可收缩的隔离门。隔离门117可邻近供料斗设置以允许向进料装置的进料室中供给氧化物。隔离门116邻近容器101设置并且可允许向容器101中供给氧化物。
根据一实施例，在隔离门116与通向容器101的入口之间的部分可以是耐火材料衬里。
容器101的下部115可作成漏斗形，用于容纳物料。容器101从外到内依次包括高耐热耐侵蚀层、绝缘层、保温层和耐火层。根据一个实施例，容器的内壁可以由若干层耐火材料组合而成，还可以由低碳钢和通过耐火材料层制成的隔离内壁制成，该耐火材料层可包括金刚砂或石墨砖、水硬性浇灌耐火材料、陶瓷板、陶瓷涂层、密压板和/或高耐热耐侵蚀硼硅玻璃块。容器101的内壁的设计可考虑如何操作灵活性，如何使加热时间最小化，在允许自然冷却和/或在不导致对容器101的耐火绝缘部和/或其它部分的损害的情况下，应适应每天频繁地加热和冷却。
在容器内可以设置温度传感器和/或压力传感器以对容器101中的温度和/或压力进行连续或基本连续地监控以确保容器101中的负压在预定范围之内。可通过在容器101壁上设置一个或多个监控口，以使温度传感器和/或压力传感器的探头伸入容器内，以检测温度和/或压力，温度传感器和/或压力传感器可与控制系统相连以将所探测的温度信息和压力信息传送给控制系统，控制系统根据其测得的数据控制其它部件的工作状态，所述其它部件如电极组件运行机构、直流电压源的输出电压。
当将物料提供给到容器101时，可通过加热装置进行焙烧。加热装置为可将电能转化成热能的装置。加热装置包括由ARC电源121提供电能的直流等离子电极119a、119b和119c（图2中未示），所述等离子电极安装到容器101内并且可在容器101内部产生可控等离子场。当具有较高电流电极之间形成基本稳定的气流时，等离子体电极可产生可控的等离子场。加热装置可产生设定值的等离子能。直流等离子电极119a、119b和119c沿容器101的轴线呈等角分布。在容器的底部设置有呈漏斗形的公共电极108，所述公共电极108可贴附于容器101底部的呈漏斗形的容器的内部。
通过控制提供给直流等离子电极及交流等离子电极上的电能，可对电极之间的弧电压进行控制，从而调节容器101的内部温度。根据弧电压设计提供给电极的电能。
物料可收集在容器101底部的收集池中。物料可通过一个或多个出口从容器101排出，所述出口可设置在距容器101底部，其由控制阀124控制其开启或闭合。控制阀124由耐高温的材料构成。
根据本发明一个实施例，底座设置在熔炉的下方具有两个作用，第一个作用是支撑熔炉，第二个作用是对从熔炉中排出的熔渣进行冷却。底座包括外壳103，外壳的上部用于支撑熔炉并与熔炉的底部密封连接，侧壁偏下的位置设置有出料口。容器底部的出料口与底座的出料口之间设置有出料带（图中未示），出料带沿底座的轴向盘旋向而上，且半径逐渐减小，出料带的顶端连接于熔炉的出料口，下端连接于底座的出料口。
图3是本发明提供的发电机的组成示意图，如图3所示，根据本发明一个实施例，本发明提供的发电机由气轮机进行驱动而后发电，所述汽轮机由压缩空气驱动，所述压缩空气可由风力空气压缩机而产生。
发电机至少包括外壳、置于外壳内的定子和转子，定子至少包括8个感应线圈L1-L8， 所述8个感应线圈L1-L8组成一个圆环并置于转子外周。所述转子包括轴AX，设置在轴上并与轴的同心的大转子St，所述大转子包括同心设置且依次嵌套的四个圆环，所述四个圆环从内到外依次为金属钕环、特氟龙环、永磁体环和铜环，所述永磁体上部为N极性，下部为S极性。所述转子还包括8个小转子，如，小转子Ro1、Ro2、Ro3、Ro4、Ro5、Ro6、Ro7、Ro8，所述小转子为圆柱体，从内到外依次为金属钕环、特氟龙环、永磁体环和铜环，所述永磁体上部为S极，下部为N极。8个小磁体通过磁性吸附于大转子上。轴AX在气轮机的驱动下驱动大转子旋转，所述小转子与大转子之间会产生磁悬浮，从而作无摩擦滑动，小转子产生自转，并在小转子周围产生旋转的交变磁场，设置在小转子外周的定子感应线圈L1-L8就感应出了电流，以提供给负载电能。
本发明虽然以感应线圈的个数为8，小转子的个数为8进行了举例说明，但，线圈的数量不限于8个，可以为K个，小转子的个数也不限于8个，可以为J个，K和J均大于或者等于1。
图4是本发明提供的ARC电源及矩阵开关电路的电路图，如图4所示，根据一个实施例，本发明提供的ARC电源包括N个直流电压单元，N个直流电压单元的组成相同。例如：第一个电源单元包括变压器B1、一个整流器D11、一个续流二极管D12、一个电子开关T1和一个驱动级DR1，所述变压器B1的初级线圈经电容C1连接于发电机一个感应线圈，如L1；所述整流器D11的正极连接于变压器B1次级的线圈的第一端，整流器D11的负极连接到续流二极管D12的负极；续流二极管D12的正极连接到电子开关T1的第一端，电子开关T1的第二端连接到变压器B1次级的的第二端，电子开T1关的控制端连接到驱动级DR1，由驱动级DR1根据光控制系统的控制指令控制电子开关T1的通断。电子开关T1工作于开关状态，当电子开关T1的控制端接收到接通的指令时，电子开关T1导通，变压器B1的次级线圈的第二端相当于接到续流二极管D12的正极。整流器D11将变压输B1出的交流电压整流转换直流电压U1。续流二极管D12两端的电压为U1，上端为正，下端为负。当电子开关T1接收到关断的指令时，电子开关T1断开。续流二极管D12两端的电压为二极管结电压。
依次类推，第N个电源单元包括变压器BN、一个整流器DN1、一个续流二极管DN2、一个电子开关TN和一个驱动级DR1，所述变压器BN的初级线圈经电容CN连接于发电机一个感应线圈，如LN；所述整流器DN1的正极连接于变压器B1次级的线圈的第一端，整流器DN1的负极连接到续流二极管DN2的负极；续流二极管DN2的正极连接到电子开关TN的第一端，电子开关TN的第二端连接到变压器BN次级的的第二端，电子开TN关的控制端连接到驱动级DRN，由驱动级DRN根据光控制系统的控制指令控制电子开关TN的通断。电子开关TN工作于开关状态，当电子开关TN的控制端接收到接通的指令时，电子开关TN导通，变压器BN的次级线圈的第二端相当于接到续流二极管DN2的正极。整流器DN1将变压输BN出的交流电压整流转换直流电压UN。续流二极管DN2两端的电压为UN，上端为正，下端为负。当电子开关TN接收到关断的指令时，电子开关TN断开。续流二极管DN2两端的电压为二极管结电压。
相邻两个电源单元之间用续流经圈相连，如第1个电源单元与第2个电源单元之间用续流线圈L12相连，即续流线圈连接于前一个电源单元的续流二极管的负极和后一个续流二极管的正极之间。如此，如果每个电源单元的电子开关均同时导通的情况下，电源总的输出总电压为U 总= U1+U2+…+UN。本发明中各个电源单元输出的电压值相同，则总输出电压U 总=nU1，所述总电压经轭流圈CC1给一个等离子电极，如119供电。三等离子电极的电源组成组同，这里不再重述。
使用时，根据等离子炉所要求的温度，控制处于每个等离子电极接通电源的电压值，从而控制给某个等离子电极提供的电能，当等离子炉要求的温度高时，则每个电子开均导通电能，等离子炉要求的温度低时，仅需要给部分开关导通。
本发明中由于设置了上述发电机，利用需要处理废物的场所的自然资源，如风能就可产生电能，从而给等离子炉及其它用电设备供电。也可以收集太阳能的热能而产生蒸汽,利用蒸汽驱动汽轮机,进一步驱动发电机产生电能,风能和太阳能的热能均为绿色能源,不需要消耗化石能,不会对环境造成污染。由于本发明的上述电源电路，通过控制给等离子电极施加的电压值而灵活地控制等离子炉的温度，从而有利于氧化物结构的改变，进而改变了也酸与或盐的反应速度。
需要说明的是，本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。单词第一、第二等的使用不表示任何顺序，仅是为了区别。
此外，还应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明所要求的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种含有重金属离子的废物的处理方法，其特征在于，包括：
1)将该氧化物颗粒、磷酸盐溶液及含有重金属离子的废物颗粒混合形成浆料；
2)给浆料中填加至少一种还原剂形成一种浆状物；
3）将浆状物整成预定形状形成包封放射性废料的磷酸盐陶瓷，其特征在于，氧化物颗粒通过将无机氧化物送入等离子炉中焙烧而后冷却而形成，给所述等离子炉施加的温度从第一温度以每分钟10摄氏度增加，如此焙烧20分钟40分钟到达第二温度，而后以第二温度恒烧40分钟到120分钟。
2.由权利要求1所述的方法，其中，等离子熔所述等离子炉至少包括容器、设置在容器内的多个等离子电极和一个公共电极，所述多个等离子电极和一个公共电极由ARC电源供电, 控制系统根据等离子熔炉所预设的温度控制施加给多个等离子电极电压。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于, ARC电源包括N个串联连接的电源单元。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于，每个电源单元包括变压器、一个整流器、一个续流二极管、一个电子开关和一个驱动级，所述变压器的初级线圈经电容连接于发电机一个感应线圈；所述整流器的正极连接于变压器次级的线圈的第一端，整流器的负极连接到续流二极管的负极；续流二极管的正极连接到电子开关的第一端，电子开关的第二端连接到变压器次级的的第二端，电子开关的控制端连接到驱动级，由驱动级根据控制系统的控制指令控制电子开关的通断。
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Title
赵科义等: "《电磁动能武器电源技术》", 31 December 2015, 兵器工业出版社 *

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