CZ309369B6

CZ309369B6 - Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů

Info

Publication number: CZ309369B6
Application number: CZ202133A
Authority: CZ
Inventors: JaromĂr Daxner; Jaromír Daxner
Original assignee: IMPEX TRADE CZ, s.r.o.; Průmyslově právní strategie, spol. s r.o.
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2022-10-12
Also published as: CZ202133A3

Abstract

Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů probíhá tak, že do autoklávu je vložena kontaminovaná pevná látka, autokláv je poté hermeticky uzavřen a do hermeticky uzavřeného autoklávu je přivedena vodní pára o teplotě 80 až 372 °C a tlaku 0,01 až 30 MPa, přičemž vodní pára začne penetrovat a prohřívat kontaminovanou pevnou látku do dosažení její maximální vlhkosti, kdy za pomocí vzniklého přetlaku uvnitř pevné kontaminované látky jsou kontaminanty spolu s vodní párou odváděny na povrch pevné látky a postupně dispergovány ve vodní páře v prostředí autoklávu, přičemž následně je vodní pára spolu s kontaminanty odváděna mimo autokláv.

Description

Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů

Oblast techniky

Technické řešení vynálezu se týká způsobu odstraňování toxických organických látek nebo těkavých anorganických látek zejména ze skupiny polychlorovaných bifenylů, polycyklických aromatických uhlovodíků, arenů, alifatických sloučenin a vázaných těžkých kovů z pevných materiálů.

Dosavadní stav techniky

Z dosavadního stavu techniky je známo několik způsobů odstranění nebezpečných látek z pevných materiálů. Jedním z nich je spalování odpadního materiálu za vysoké teploty, avšak tento způsob je jednak velmi energeticky náročný a dále při spalování vznikající škodliviny unikají do ovzduší. Při spalování odpadů, obsahujících organické chlorované uhlíky mohou dokonce vznikat vysoce škodlivé látky, jako jsou např. dioxiny. Nevýhodou tohoto technického řešení je také to, že spolu s nebezpečnými látkami jsou spáleny kontaminované nosiče těchto nebezpečných látek, jsou-li organického původu, například dřevo.

U anorganických látek je potom dekontaminovaný zbytek po spalování vesměs tepelně přeměněn natolik, že není možné jeho opětovné použití. Dalším způsobem je odstranění škodlivých látek zahřátím kontaminovaného materiálu na teplotu, při které se kontaminanty odpaří, jejich páry jsou odvedeny do kondenzátoru, kde dojde k jejich zkapalnění. Variantně tento způsob dekontaminace popisují technická řešení podle US 5230167 A, US 5514286 A, CZ PV 1996-3781 A3, CZ 5751 Ul, CZ PV 2003-2717 A3 a CZ PV 2004-609 A3.

Nevýhodou těchto technických řešení je dekontaminace při teplotách, kde díky přítomnosti kyslíku nebo vzduchu dochází k oxidaci materiálů, popřípadě se vázaný kyslík uvolňuje do atmosféry dekontaminačního zařízení. Při dekontaminaci organických tuhých látek, zejména dřeva dochází k zuhelnatění dekontaminované hmoty, popřípadě k jejímu vznícení. Další nevýhodou těchto technických řešení je nutnost pozvolného chlazení dekontaminovaného materiálu, aby v případě organických materiálů nedošlo k jejich zahoření a nutnost odstranění veškerých plynných složek z prostoru dekontaminačního zařízení, aby při jeho ochlazování nedošlo ke kondenzaci plynu zpět na dekontaminovaný materiál.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů, podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do autoklávu je vložena kontaminovaná pevná látka, autokláv je poté hermeticky uzavřen a do hermeticky uzavřeného autoklávu je přivedena vodní pára o teplotě 80 až 372 °C a tlaku 0,01 až 30 MPa. Vodní pára začne penetrovat a přehřívat kontaminovanou pevnou látku v celém jejím objemu. Teplota pevného materiálu zůstane na stejné úrovni jako teplota vodní páry, tak dlouho dokud obsah zvlhčeného kontaminantu spolu s vodní párou bude vyšší než vlhkost nasyceného dekontaminovaného materiálu. Tento efekt způsobí přetlak uvnitř pevného materiálu a způsobí odvod kontaminantu spolu s vodní párou na povrch pevné látky. Kontaminanty jsou následně dispergovány ve vodní páře a díky tepelné setrvačnosti pevného materiálu, která je vždy vyšší než tepelná setrvačnost vodní páry, zůstávají kontaminanty ve vznosu vodní páry, až do vyrovnání teploty vodní páry a kontaminované pevné látky. Vodní páraje spolu s rozptýlenými kontaminanty odváděna mimo autokláv.

- 1 CZ 309369 B6

Je výhodné, aby vodní pára spolu s dispergovanými kontaminanty byla z autoklávu odváděna přes výměník tepla, kde dochází k její kondenzaci, přičemž kontaminanty jsou z kondenzátu odstraněny pomocí filtrace a/nebo ultrafiltrace a/nebo reverzní osmózy a/nebo deemulgace.

Je účelné, aby při ukončení dekontaminačního procesu byl v autoklávu vytvořen podtlak -0,01 až -0,6 MPa, nejvýhodněji pomocí vývěvy, čímž je zamezeno oxidaci již dekontaminované pevné látky a pevná látka se vlivem tepelné setrvačnosti rovněž vysuší, například při dekontaminaci dřeva.

Dokonalý prostup vodní páry pevnou látkou je definován strukturou dekontaminované látky, teplotou potřebnou pro uvolnění kontaminantů atermicko-tlakovou křivkou vodní páry.

Tento způsob dekontaminace je velmi šetrný k dekontaminovanému pevnému materiálu, jelikož vodní pára velmi účinně penetruje a uvolňuje kontaminanty i při nižších teplotách, než je teplota výparu kontaminantů a retenční schopnost páry je dostatečná k tomu, aby se vodní pára nemusela kontinuálně odvádět v průběhu dekontaminace.

Další nespornou výhodou tohoto technického řešení je možnost rychlé a efektivní regulace tlaku a teploty vodní páry v prostoru autoklávu a tím dosažení optimální termicko-tlakové křivky pro konkrétní dekontaminovaný pevný materiál. Vodní pára obsahující dispergované nebezpečné látky je po dekontaminaci z prostředí autoklávu odváděna přes výměník tepla do akumulační nádrže, odkud je následně vedena na technologii filtrace a/nebo ultrafiltrace a/nebo reverzní osmózy a/nebo deemulgace a je upravena zpět na parametry napájecí vody vhodné k opětovné výrobě páry.

Další výhodou je rovněž skutečnost, že při dekontaminaci například betonových dílů při použití vysokotlaké přehřáté páry dochází vedle vlastní dekontaminace pevného materiálu i kjeho rozpojování, tj. zdrobnění až na stavební suť a takto ošetřený dekontaminovaný beton se již nemusí dále drtit, stačí jej pouze vytřídit na požadované frakce. Při dekontaminaci zemin, kameniva, ocelárenských a vysokopecních strusek pomocí vodní páry v autoklávu je možné mimo nebezpečných látek dispergovaných ve vodní páře rovněž odstranit i prachové částice, produkty silikátových, železnatých, manganatých, vápenatých a síranových degradantů. Při dekontaminaci dřeva lze rovněž velmi šetrně postupně uvolňovat nebezpečné látky proudící přehřátou párou střídající se v časovém intervalu se sytou párou, čímž je dekontaminované dřevo opětovně využitelné.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů podle předloženého vynálezu spočívá v tom, že do autoklávu je příkladně vložena demoliční cihlo-betonová suť po demolici průmyslového objektu obsahující kontaminanty na bázi polychlorovaných bifenylů, póly cyklických aromatických uhlovodíků a arenů. Autokláv je uzavřen a suť je zahřívána podle níže uvedené teplotní křivky.

Vzhledem k tomu, že pro tento druh materiálu je nutná agresivní penetrace vodní páry do směsného dekontaminovaného materiálu, je rychlost nasycování autoklávu přehřátou párou vysoká, a maximum teploty 112 do 218 °C nastává v intervalu 135 až 225 minut.

Pevná látka, demoliční cihlo-betonová suť, která je již natemperována v celém objemu, je postupně nahřívána do 206 °C, kde je provedena vizuální kontrola kondenzátu vzniklého při nahřívání vnitřního prostou autoklávu. Poté je teplota zvýšena na 212 °C, kde nastává fáze termické výdrže do 180té minuty a poté je provedeno další zvýšení teploty na 218 °C, aby byl vytvořen maximální přetlak v pórech dekontaminovaného materiálu. Poté je již zahájena sestupná termická fáze, kdy je

-2CZ 309369 B6 vodní pára odváděna do výměníku tepla. Rychlost poklesu teploty vodní a tlaku vodní páry, ve kterém je dispergován kontaminant je dána měřením teploty dekontaminované směsné stavební suti.

Graf 1 - Termická a tlaková křivka pro dekontaminaci stavební suti smíšené

Tabulka 1 - Data pro dekontaminaci stavební suti smíšené

Dekontaminace stavební suti smíšené
Přetlak [MPa]	Teplota [°C]	Čas [min]
0	80	0 15
0,7	165	25
1,2	188	45
1,5	198	90
1,8	206	135
2	212	180 ²⁰
2,2	218	225
1,2	188	300
0,7	165	400
0	80	430

Příklad 2

Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů příkladně betonové záchytné jímky obsahující kontaminanty na bázi polycyklických aromatických uhlovodíků, alifatických uhlovodíků a arenů, podle předloženého vynálezu spočívá v tom, že do autoklávu je vložen kusový beton, kterýje zahříván podle níže uvedené teplotní křivky atabulky. Vzhledem k tomu, že je nutná agresivní penetrace vodní páry do struktury hmoty a pro jejímu rozpojení, je rychlost nasycování autoklávu přehřátou párou vysoká. V tomto teplotně tlakovém režimu je nutné počítat i s chemickými reakcemi slínkových minerálů cementového pojivá, které rekrystalizací při vysokých teplotách zvyšují svůj objem a přispívají k dezintegraci materiálu.

Pokud jsou v betonovém masivu armovací kovové materiály, nemají prakticky vliv na vlastní dekontaminaci a dochází k jejich oddělení od betonové hmoty vlivem jejich tepelné roztažnosti. Maximum teploty nastává v intervalu 135 až 190 minut.

Pevná látka, betonová záchytná jímka, která je již natemperována v celém objemu, je postupně nahřívána do 218 °C, kde je provedena vizuální kontrola kondenzátu vzniklého při nahřívání vnitřního prostou autoklávu. Poté je teplota zvýšena na 226 °C, kde nastává fáze termické výdrže do 195té minuty. Maximální teplota 226 °C je volena z toho důvodu, aby došlo nejen k vytvoření maximálního přetlaku ve struktuře dekontaminovaného materiálu, ale také vyvázání chemicky vázané vody ve slínkových minerálech při jeho fázových přeměnách a rekrystalizaci. Sestupná termická fáze je volena jako maximálně rychlá, s ohledem na technické možnosti výměníku tepla, ve kterém pára kondenzuje.

Při takto rychlém poklesu teploty a tlaku není nutné měřit teplotu v dekontaminovaném materiálu, ke kondenzaci páry vzhledem k vysoké tepelné setrvačnosti betonu nedochází.

Graf 2 - Termická a tlaková křivka pro dekontaminaci hutného betonu

Tabulka 2 - Data pro dekontaminaci hutného betonu

Dekontaminace hutného betonu
Přetlak [MPa]	Teplota [°C]	Čas [min]
0	80	0
0,7	165	25
1,5	198	45
1,8	206	90
2,2	218	135
2,6	226	150
2,2	218	195
1,2	188	325
0,7	165	350
0	80	380

Příklad 3

Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů příkladně směsi jílu, zemin a kameniva po demolici retenční jímky na ropné produkty obsahující kontaminanty na bázi polychlorovaných bifenylů, polycyklických aromatických uhlovodíků, arenů, alifatických sloučenin, a vázaných těžkých kovů, podle předloženého vynálezu, spočívá v tom, že do autoklávu je vložena uvedená směs, která je zahřívána podle níže uvedené teplotní křivky a tabulky. Rychlost napouštění vodní páry a zvyšování tlaku v autoklávu je pozvolná, aby nedošlo ke vznosu prachových částic dekontaminovaného materiálu do prostoru autoklávu, s výhodou se použije nasycená pára, která kondenzuje ve struktuře kontaminovaného materiálu a smáčí jej.

-4CZ 309369 B6

Po dosažení maximální teploty a tlaku je udržována poměrně dlouhá termická výdrž a také sestupná teplotní fáze je pozvolná, opět s ohledem k možnému vznosu prachových částic do prostoru autoklávu.

Vzhledem k vysoce porézní struktuře dekontaminovaného materiálu je uvolnění kontaminantů a jejich dispergace, případně kondenzace v prostředí přehřáté vodní páry rychlejší, než u materiálů s vysokou objemovou hmotností s malým množstvím pórů.

Graf 3 - Termická a tlaková křivka pro dekontaminaci zemin, strusek, kameniva

Čas [min]

Tabulka 3 - Data pro dekontaminaci zemin, strusek, kameniva

Dekontaminace zemin, strusek, kameniva
Přetlak [MPa]	Teplota [°C]	Čas [min]
0	80	0
0,7	165	25
1,5	198	45
1,8	206	90
2,2	218	135
2,6	226	150
2,2	218	195
1,2	188	325
0,7	165	350
0	80	380

Příklad 4

Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů příkladně látek obsažených v dubových a bukových železničních pražcích na bázi polycyklických aromatických uhlovodíků arenů, podle předloženého vynálezu spočívá v tom, že do autoklávu jsou vloženy železniční pražce, které jsou zahřívány podle níže uvedené teplotní křivky a tabulky.

Vzhledem k nutnosti rozevření vláknité struktury dřeva je rychlost napouštění vodní páry do autoklávu vysoká. U organických materiálů je vazba mezi kontaminantem a dekontaminovaným materiálem snáze uvolnitelná do prostředí vodní páry, není zde nutnost použití vysokých teplot a tlaků, a to i z toho důvodu, aby nedošlo k uzavření struktury dřeva jeho uhelnatěním.

S výhodou je využita možnost vakuování při tlaku - 0,4 MPa na konci dekontaminace při teplotě 120 °C, kdy se dekontaminované dřevo zároveň zbaví vlhkosti. Sestup teploty a tlaku je rychlý a je

-5CZ 309369 B6 řízen měřením teploty dekontaminovaného dřeva tak, aby vzhledem k jeho navlhnutí nedocházelo ke kondenzaci vodní páry na povrchu dřeva, takže teplota dekontaminovaného dřeva musí být vždy alespoň o 10 °C vyšší než teplota páry v prostředí autoklávu.

Graf 4 - Termická a tlaková křivka pro dekontaminaci tvrdého dřeva

Dekontaminace tvrdého dřeva

Tabulka 4 - Data pro dekontaminaci tvrdého dřeva

Dekontaminace tvrdého dřeva
Přetlak [MPa]	Teplota [°C]	Čas [min]
0	80	0
0,7	165	25
1	180	45
1,1	184	105
1,2	188	180
1	180	200
0,5	152	210
0	145	220
-0,4	120	280
0	80	300

Příklad 5

Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů příkladně látek obsažených ve smrkových a borovicových výdřevách důlních děl na bázi polycyklických aromatických uhlovodíků a arenů, podle předloženého vynálezu spočívá v tom, že do autoklávu jsou vloženy výdřevy, které jsou zahřívány podle níže uvedené teplotní křivky a tabulky.

Z důvodu nutného rozevření vláknité struktury dřeva je rychlost napouštění vodní páry do autoklávu vysoká. Na rozdíl od dekontaminace tvrdého dřeva se s výhodou používá zvyšování a snižování teploty a tlaku v průběhu dekontaminace, kdy při snížení teploty a tlaku dojde ke kondenzaci vodní páry ve struktuře měkkého dřeva, a při následném zvýšení teploty a tlaku je kontaminant efektivně vyveden podél vláken měkkého dřeva a dispergován do prostředí vodní páry. Z tohoto důvodu lze měkké dřevo dekontaminovat i při nižších teplotách vodní páry než dřevo tvrdé. S výhodou je využita možnost vakuování při tlaku -0,4 MPa na konci dekontaminace při teplotě 120 °C, kdy se dekontaminované dřevo zároveň zbaví vlhkosti. Sestup teploty a tlaku je rychlý a je řízen měřením teploty dekontaminovaného dřeva tak, aby vzhledem k jeho navlhnutí nedocházelo ke kondenzaci vodní páry na povrchu dřeva, takže teplota dekontaminovaného dřeva musí být vždy alespoň o 10 °C vyšší než teplota páry v prostředí autoklávu.

-6CZ 309369 B6

Graf 5 - Termická a tlaková křivka pro dekontaminaci měkkého dřeva

Dekontaminace měkkého dřeva

— 4— Tepíota pC]

Tabulka 5 - Data pro dekontaminaci měkkého dřeva

Dekontaminace měkkého dřeva
Přetlak [MPa]	Teplota [°C]	Čas [min]
0	80	0
0,3	134	25
1,2	188	45
0,3	134	90
1,2	188	135
0,3	134	180
0,3	134	225
0	120	270
-0,4	120	315
0	80	300

Průmyslová využitelnost

Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů podle předkládaného vynálezu je možné efektivně, ekonomicky a zejména ekologicky využívat pro dekontaminaci pevných látek, zejména průmyslových materiálů ve všech oblastech průmyslu, kde je potřeba průmyslové materiály recyklovat pro jejich likvidaci a/nebo pro jejich další využití.

Claims

1. Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů, vyznačující se tím, že do autoklávu je vložena kontaminovaná pevná látka, autokláv je poté hermeticky uzavřen a do hermeticky uzavřeného autoklávu je přivedena vodní pára o teplotě 80 až 372 °C a tlaku 0,01 až 30 MPa, přičemž vodní pára začne penetrovat a přehřívat kontaminovanou pevnou látku do dosažení její maximální vlhkosti, kdy za pomocí vzniklého přetlaku uvnitř kontaminované pevné látky jsou kontaminanty spolu s vodní párou odváděny na povrch pevné látky a postupně dispergovány ve vodní páře v prostředí autoklávu, přičemž následně je vodní pára spolu s kontaminanty odváděna mimo autokláv.

2. Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodní páraje spolu s dispergovanými kontaminanty z autoklávu odváděna přes výměník tepla, kde dochází k její kondenzaci.

3. Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů podle nároku 2, vyznačující se tím, že kontaminanty jsou odstraněny z kondenzátu pomocí filtrace a/nebo ultrafiltrace a/nebo reverzní osmózy a/nebo deemulgace.

4. Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro dekontaminaci je použita sytá a/nebo přehřátá vodní pára.

5. Způsob dekontaminace nebezpečných látek z pevných materiálů podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že v autoklávuje při ukončení dekontaminačního procesu vytvořen podtlak 0,0laž -0,6 MPa.