DE19824930A1 - Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes, z. B. zur thermischen Sanierung eines kontaminierten Bodens, weist folgende Verfahrensschritte auf: Erwärmen des Stoffes mittels HF-Energie über in den Stoff eingebrachte Elektroden, wodurch flüchtige Verbindungen, insbesondere Wasser, mobilisiert werden, und Absaugen der mobilisierten Verbindungen. Dabei wird die HF-Energie mittels mindestens eines Axial-Dipols in das Material, insbesondere in den kontaminierten Boden eingebracht, welcher die Energie vornehnlich auf den im Stoff aufhaltenden Wasseranteil überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in-situ-Erwärmung ei­ nes Stoffes mit den Verfahrensschritten: Erwärmen des Stoffs mittels HF-Energie über in den Stoff eingebrachte Elektroden, wodurch flüchtige Verbindungen, insbesondere Wasser, mobili­ siert werden, und Absaugen der mobilisierten Verbindungen so­ wie eine Vorrichtung zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes, mit Elektroden, die in den Stoff einbringbar sind, um die flüchti­ gen Verbindungen, insbesondere Wasser, zu mobilisieren, und mit einer Absauganlage für die mobilisierten Verbindungen.

In vielen Bereichen der Industrie müssen Flüssigkeiten, Le­ bensmittel, Metalle und Kunststoffe erwärmt oder getrocknet werden, damit sie verarbeitet werden können. Die Übertragung der Wärmeenergie erfolgt dabei über Konvektion, Wärmeleitung oder Wärmestrahlung. Der Wärmeträger ist meistens Luft, die mittels Gas oder elektrischem Strom erhitzt wird. Bei der Wär­ mestrahlung wird infrarotes Licht eingesetzt das Wärme direkt in dem zu erwärmenden Material entstehen läßt.

In der Kunststoff verarbeitenden Industrie werden Kunststoffe meist selektiv zum Biegen, Verformen oder Schweißen erwärmt.

Bei vielen großtechnischen Anwendungen müssen große Mengen von Stoffen zum Trocknen erwärmt werden. Hierbei werden die zu er­ wärmenden Stoffe in Vorrichtungen wie Förderbändern, Drehtrom­ meln, Wirbelschichttrockner, Rohrbündel-Drehtrockner mittels einer Wärmequelle auf die benötigte Temperatur gebracht.

Weitere Trocknungsverfahren sind die Vakuumtrocknung und die Gefriertrocknung.

Ein weiteres breites Anwendungsgebiet der Trocknungstechnik im Bereich der Pharma,-Chemie- und Lebensmittelindustrie sowie der Land- und Bauwirtschaft, ist die Lagerung von großen Men­ gen chemischer Stoffe, Futtermittel, Getreide und Baustoffen. Diese Stoffe kommen vorwiegend in granulierter oder pulvriger Form vor. Durch die porösen Strukturen des Lagergutes entste­ hen große Oberflächen mit sehr vielen winzigen Lufteinschlüs­ sen. Aufgrund der Kapillarwirkung und der Oberflächenbindungs­ kräfte sind die Stoffe fähig, Wasser an sich zu binden. Dieses Verhalten wird noch verstärkt, wenn die Stoffe selbst hygro­ skopische Eigenschaften besitzen, wie z. B. Salze. Da die Stof­ fe meist sehr feuchteempfindlich sind, müssen sie getrocknet oder trocken gehalten werden.

Dies wird in der Regel mit Einblasen von Heißluft erreicht.

Die Behandlung mit Heißluft ist z. B. bei der Getreidetrocknung ungünstig, da das Korn von außen her zu stark austrocknet oder der Trocknungsvorgang zu lang dauert.

Bei direkter Beheizung, z. B. über Heizstäbe, stellt sich das Problem, daß die Stoffe meist schlechte Wärmeleiter sind. Eine Trocknung ist somit schlecht, oder nur mit großem Zeitaufwand möglich ist.

Ferner wird die Trennung von flüchtigen, mit Wasser nicht oder nur schlecht mischbaren Verbindungen aus festen Stoffen (Fest- Flüssig-Extraktion) vorwiegend in der Pharmaindustrie zum Her­ auslösen bestimmter löslicher Substanzen aus festen Stoffen angewendet.

In der Abfallwirtschaft wird dieses Verfahren zur Trennung von Lösemitteln, Kraftstoffen und Ölen aus Abfallstoffen angewen­ det. Hierdurch wird erst ein Recycling der einzelnen Stoffe möglich.

Bei der Trägerdampfdestillation werden mit Wasserdampf flüch­ tige Verbindungen aus festen Stoffen herausgetrennt.

Des weiteren stellen Verunreinigungen mit flüchtigen organi­ schen Schadstoffen, wie z. B. chlorierten Kohlenwasserstoffen (CKW) in ungesättigten Bodenzonen häufig eine Gefahr für das Grundwasser dar. Um dieser Gefahr zu begegnen, müssen die Schadstoffpotentiale reduziert oder vollständig beseitigt wer­ den.

Dies kann im einfachsten Fall durch Ausbaggern des verunrei­ nigten Erdreiches erfolgen, was als eine ex-situ-Sanierung be­ zeichnet wird.

Wo dies aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht möglich ist, kommen sogenannte in-situ-Sanierungsverfahren zum Einsatz. Dabei bleibt das Erdreich an Ort und Stelle. Die Re­ duzierung des Schadstoffpotentials wird durch die Mobilisie­ rung des Schadstoffs aus dem Boden, z. B. durch Bodenluftabsau­ gung oder Bodenwaschverfahren oder durch den Abbau der Schad­ stoffe durch mikrobiologische Prozesse erreicht.

Das Verfahren der Bodenluftabsaugung wurde im Laufe seiner An­ wendung z. B. durch Reduzierung des Strömungswiderstandes im Boden mit zusätzlichen gezielten Frischlufteintrag mittels Frischluftbrunnen sowie durch Erzeugung von laminaren Strömun­ gen über eine Reduzierung der Unterdrücke und spezielle Brun­ nen sowie Filterkonstruktionen optimiert.

Dennoch bleibt bei der in-Situ-Sanierung eine Reihe bisher nicht gelöster Probleme bestehen. So ist z. B. der Einsatz von Bodenluftabsaugungen auf nicht-bindige Böden beschränkt. Eben­ so verbleibt meist eine hohe Restkontamination und die Sanie­ rungsdauer erstreckt sich über viele Jahre, ohne daß eine Ab­ schätzung der Sanierungsdauer und des erreichbaren Sanierungs­ erfolges ausreichend zuverlässig möglich ist.

Bei allen bekannten in-situ-Bodensanierungsverfahren, mit Aus­ nahme des mit Microorganismen arbeitenden Verfahrens, wird versucht, die Schadstoffe in der Bodenmatrix durch geeignete Maßnahmen zu mobilisieren und über ein Transportmedium aus dem Boden zu entfernen. Dabei bedeutet der Begriff "mobilisieren", diesen Verbindungen so viel Energie zuzuführen, daß sie sich von der Bodenmatrix lösen und abgeleitet werden können.

Für eine effektive Erwärmung von festen Stoffen, z. B. zum Zweck der Verformung, Trocknung oder Trennung von flüchtigen, mit Wasser nicht oder nur schwer mischbaren, Verbindungen, insbesondere für die Sanierung von kontaminierten Erdreich, kann auch HF-Energie eingesetzt werden.

Bei allen zuvor beschriebenen Anwendungen werden nichtmetalli­ sche, elektrisch sowie thermisch nicht oder schlecht leitende Stoffe erwärmt. Hierbei liegt der zu erwärmende Stoff zwischen Elektroden, an die eine hochfrequente Spannung angelegt wird. Das dabei zwischen den Elektroden entstehende elektromagneti­ sche Feld wirkt auf den Stoff und erwärmt ihn über zwei Effek­ te:

• 1. Ein durch den Stoff mit dem Widerstand R fließender HF-Wirkstrom I, leistet in der Zeit t in dem durchflossenem Stoff die Arbeit:
  Q = 12 × R × t
  Zur Vergrößerung der Arbeit, d. h. auch der eingebrachten Wärmemenge, muß der Strom möglichst groß sein, was wie­ derum nur durch eine große HF-Spannung erreicht werden kann.
• 2. Das elektrische Wechselfeld greift chemische Moleküle mit dielektrischen Eigenschaften in dem Stoff mit einem soge­ nannten Dipol-Moment derart an, daß sich die Moleküle parallel zu den Feldlinien auszurichten versuchen. In ei­ nem elektrischen Wechselfeld werden die Dipol-Moleküle entsprechend der Frequenz hin und her bewegt, im Ideal­ fall um 180° gedreht. Die mechanische Bewegung der Mole­ küle erzeugt Reibung und damit Wärme. Diese Verluste wer­ den auch als dielektrische Verluste bezeichnet.

Aus diesen physikalischen Wirkmechanismen resultiert als wich­ tigstes verfahrenstechnisches Prinzip, daß der Stoff also nicht von den eingebrachten Erregerelektroden erwärmt wird, sondern die Wärme in dem gesamten von dem elektromagnetischen Feld durchflossenen Raum entsteht.

Die Energiezufuhr in dem zu erwärmenden Stoff erfolgt somit praktisch verlustfrei durch das elektromagnetische Feld. Sie wird unmittelbar in den Molekülen der polaren Bestandteile des Stoffes realisiert und ist daher nicht von der Wärmeleitfähig­ keit des Stoffes abhängig.

Da das Wassermolekül klein ist und gute dielektrische Eigen­ schaften besitzt, läßt sich Wasser sehr leicht durch ein Wech­ selfeld beeinflussen. Das Verfahren der Erwärmung mit HF-Energie eignet sich daher besonders gut bei Stoffen mit hohem Wasseranteil.

Bekanntlich können mit HF-Energie feste oder flüssige Stoffe direkt erwärmt werden. Hierbei wird ausgenutzt, daß die Stoffe selbst polare Strukturen aufweisen und somit bei entsprechen­ der Frequenz in ihnen dielektrische Verluste entstehen.

HF-Energie wird auch zum Erwärmen oder Schweißen von Kunst­ stoffen eingesetzt, um diese verformen oder verbinden zu kön­ nen.

In der Lebensmittelbranche wird HF-Energie zum Erwärmen bzw. schonenden Auftauen von Lebensmitteln verwendet. Hierbei wer­ den aber die Lebensmittel hauptsächlich über die in ihnen ent­ haltenen Wasseranteile erwärmt.

Bei der Trocknung mit HF-Energie werden vorrangig die zusätz­ lich im festen Stoff enthaltenen flüssigen Bestandteile er­ wärmt und zum Verdampfen gebracht. Eine Absaugvorrichtung saugt die Dämpfe gleichzeitig ab.

Die bekanntesten Verfahren, bei der mit Hilfe von HF-Energie Materialien getrocknet werden, sind solche zur Holz- und Leim­ trocknung. Speziell bei der Leimtrocknung soll nur der Leim erwärmt und zum Abbinden gebracht werden, damit eine schnelle Weiterverarbeitung der Teile möglich ist. Da das Holz trocken und der Leim einen hohen Wasseranteil besitzt, entstehen vor­ wiegend im Leim dielektrische Verluste.

Torf oder Erdboden werden im Durchlaufverfahren mit HF-Energie sterilisiert und gleichzeitig getrocknet.

Bei der Trockenhaltung bzw. Trocknung von zu lagernden Stoffen wurde HF-Energie in der Vergangenheit nicht eingesetzt, da das Verfahren unter anderem teuer und unrentabel ist. Weiterhin sind die Stoffe sehr oft in langen, schlanken, runden Behäl­ tern (Silos) untergebracht. Hierdurch können plattenförmige Elektroden für eine HF-Erwärmung schlecht eingesetzt werden, da starke Feldstärkenunterschiede auftreten würden und somit eine gleichmäßige Wärmeverteilung kaum möglich wäre.

Die Trennung von flüchtigen, mit Wasser nicht oder nur schlecht mischbaren, Verbindungen aus festen Stoffen wird üb­ licherweise vorwiegend in der Pharmaindustrie angewendet. Spe­ ziell bei der Trägerdampfdestillation werden mit Wasserdampf flüchtige Verbindungen aus festen Stoffen herausgetrennt. Durch Einsatz von HF-Energie werden die im Stoff enthaltenen Wasseranteile, sowie der Stoff selbst über die dielektrischen Verluste erwärmt, wodurch die Wasseranteile zum Verdampfen ge­ bracht werden. Es muß somit nicht Wasserdampf separat erzeugt und dem Stoff zugeführt werden. Die gewünschten Substanzen werden dann über die verdampften Wasseranteile abtranspor­ tiert. Über eine Absaugvorrichtung werden die Dämpfe abgesaugt und einer Aufbereitungsanlage zugeführt.

Werden die zu behandelnden Stoffe in einem druckfesten Behäl­ ter eingebracht und mit HF-Energie beaufschlagt, so steigt der Siedepunkt von Wasser (Microwellendruckaufschluß). Somit ist es auch möglich, schwer flüchtige Substanzen mit Wasserdampf auszutreiben.

In der Abfallwirtschaft wird dieses Verfahren zur Trennung von Lösemitteln, Kraftstoffen und Ölen aus Abfallstoffen angewen­ det. Hierdurch wird ein Recycling oder eine umweltgerechte Entsorgung der einzelnen Stoffe erst möglich.

Im folgenden werden bekannte Verfahren zur Sanierung von kontaminierten Erdreich mittels HF-Energie beschrieben.

Bei der Bodensanierung besteht eine enge Verbindung der flüch­ tigen Verbindungen zum Wasser, da die flüchtigen Verbindungen adsorbtiv an die feste Bodenmatrix gebunden sowie absorbtiv in den Wasseranteilen gelöst sind. Daher sollte die Energieüber­ tragung in das Dreiphasengemisch Stoff-Wasser-Luft vornehmlich in den Wasseranteil erfolgen. Durch das Anlegen eines hochfre­ quenten elektromagnetischen Feldes läßt sich auf sehr effekti­ ve Weise Energie vornehmlich auf den Wasseranteil (Bodenfeuchte) des Bodens übertragen. Dabei spielen folgende Effekte eine maßgebende Rolle.

Der Boden ist für Gleichspannung und technische Wechselspan­ nung ein guter Isolator. Mit steigender Frequenz nimmt der Scheinwiderstand zunächst ab und erreicht im Frequenzbereich von ca. 5 bis 30 MHz Werte, die für eine technische Anwendung zur Erwärmung des Bodens mit Hilfe von Hochfrequenzströmen ge­ eignet sind.

Die Energieübertragung findet dabei zu über 90% in das als Bodenfeuchtigkeit vorhandene Wasser statt. Das dabei entste­ hende Wasserdampf-Luftgemisch dient als Transportmittel für die flüchtigen Verbindungen bzw. Schadstoffe. Über die Boden­ luftabsaugung wird dann das Wasserdampf-Luft-Schadstoffgemisch aus dem Boden ausgetragen und der Aufbereitungsanlage zuge­ führt.

Ein derartiges in-situ-Verfahren sowie eine entsprechende Vor­ richtung sind in DE-43 37 192 A1 beschrieben.

Nach der hierbei verwendeten Verfahrenstechnik werden stabför­ mige Elektroden in einer bestimmten Formation in den Boden ge­ trieben. Die Elektroden werden dann über ein Anpassungs- Netzwerk von einem HF-Generator gespeist. Des weiteren werden oberirdisch die schadstoffhaltigen Dämpfe abgesaugt und gefil­ tert. Zur besseren Wirkung können auch noch Absaugbohrungen zwischen den Elektroden eingebracht werden. Um zu verhindern, daß Schadstoffe und große HF-Strahlung austreten, wird das zu behandelnde Areal oberirdisch mit einem leitfähigem Schutzzelt abgedichtet.

Obwohl diese Vorrichtung bzw. dieses Verfahren relativ kosten­ günstig sind, da nur ein Generator und nur ein Anspassungs- Netzwerk notwendig ist, ist deren Anwendung wegen folgender Probleme nicht einfach:
Zudem daß der Generator auf genau festgelegten Frequenzen ar­ beiten muß, sind bei Arbeitsplätzen, an denen Menschen arbei­ ten, Grenzwerte für die Strahlungsstärke zu berücksichtigen.

Um zu verhindern, daß große HF-Strahlung austritt, muß evtl. die Bearbeitungsstelle abgeschirmt werden.

Die Verkabelung des Elektrodensystems erzeugt eine hohe Funk­ störausstrahlung, die nur mit hohem Aufwand an Schirmungsmaß­ nahmen reduziert werden kann. Trotz des geschirmten Aufbaus des Elektrodensystems, kommt es dennoch durch die oberirdische Ausstrahlung zu Energieverlusten. Des weiteren werden alle Sy­ steme, z. B. Sensoren, Meßgeräte, Steuerungen usw., die sich innerhalb der Abschirmung befinden, der oberirdischen Abstrah­ lung des Elektrodensystems ausgesetzt.

Da die belasteten Bodenschichten meist tiefer liegen, werden die oben liegenden, unbelasteten Bodenvolumen unnötigerweise mit erwärmt, was zu einem hohen Energieverbrauch führt. Liegen die schadstoffhaltigen Bodenschichten in größeren Tiefen, so sind die Energieverluste in den oberen Bodenschichten untrag­ bar hoch.

Sollten die Elektroden in wasserführende Schichten gelangen, so kommt es außerdem noch zu einem HF-mäßigen Kurzschluß der Elektroden. Dies hat zur Folge, daß der HF-Generator stark be­ lastet wird u. gleichzeitig die in den Boden eingebrachte Energie zurückgeht.

Bei allen zuvor genannten Anwendungen von HF-Energie wird das Prinzip des einfachen Plattenkondensators realisiert, bei wel­ chem sich der Stoff als Dielektrikum zwischen den Erregerelek­ troden befindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, das mit technischen einfachen Mitteln stets eine gezielte, rasche und zuverlässige In-situ-Erwärmung von Stoffen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die HF-Energie mittels mindestens eines Axial-Dipols selektiv in den Stoff einge­ bracht wird, welcher die HF-Energie vornehmlich auf den im Stoff enthaltenen Wasseranteil überträgt.

Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit technisch einfachen Mitteln stets eine gezielte, rasche und zuverlässige in-situ-Erwärmung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genann­ ten Art erfindungsgemäß durch mindestens ein Axial-Dipol zur selektiven Einbringung von HF-Energie gelöst, welcher die Energie vornehmlich auf den im Stoff enthaltenen Wasseranteil überträgt.

Erfindungsgemäß werden Dipole verwandt, die eine axiale Zulei­ tung haben und somit in Bohrlöcher mit beliebiger Lage einge­ bracht werden können. Außerdem können mehrere Axial-Dipole mit einem oder mehreren Generatoren mit unterschiedlicher Phasen­ lage betrieben werden.

Von besonderer Bedeutung ist hier, daß bei diesem Verfahren die Erwärmung eines definierten Teilvolumen an fast beliebiger Stelle innerhalb des Gesamtvolumen eines Stoffes möglich wird.

Als Energiequelle kann ein leistungsstarker HF-Generator, der bei freigegebenen Frequenzen von beispielsweise 13,56, 27,12 oder 40,68 MHz betrieben wird, verwandt werden.

Kommen andere Frequenzen zum Einsatz, so müssen die gesetzli­ chen Grenzwerte für Funkstöraussendung eingehalten werden.

Erfindungsgemäß werden Axial-Dipole verwandt, deren Einspei­ sung zwar in der elektrischen Mitte, die Einführung der Zulei­ tung jedoch axial erfolgt. Hierdurch wird es möglich, die Axial-Dipole in einfache Bohrlöcher und in große Tiefen zu versenken. Die Bohrlöcher können in einem beliebigen Winkel, vorzugsweise jedoch vertikal angeordnet sein.

Werden Stoffe behandelt, die in sich locker sind, können die Bohrlöcher mit perforierten Rohren ausgekleidet werden, die aus Materialien mit geringen dielektrischen Verlusten, wie z. B. Polypropylen, bestehen.

Ein einzelner Axial-Dipol erzeugt ein bezüglich seiner Längs­ achse konzentrisches Feld.

Bei Verwendung mehrerer Axial-Dipole und entsprechender Ver­ schiebung der Phasenlage der einzelnen Dipolspannungen zuein­ ander kann durch die dabei entstehende Überlagerung der Dipol- Felder eine fast beliebige Feldgeometrie erzeugt werden. Von besonderem Interesse ist hierbei die Erzeugung eines flächen­ haft ausgebildeten Feldes. Dies kann durch einfaches Drehen der Dipolspannungen, durch entsprechende Anpassung der Lei­ tungslängen oder durch Einsatz mehrerer HF-Generatoren glei­ cher Frequenz und unterschiedlicher Phasenlage erreicht wer­ den. Mit vier Axial-Dipolen in viereckiger Anordnung entsteht ein sogenannter Quadrupol, mit dem sich bereits große Volumen erwärmen lassen. Am einfachsten läßt sich ein Quadrupol da­ durch aufbauen, daß vier Axial-Dipole mit je 180° Phasendre­ hung zueinander an einem Generator und einem Anpaßnetzwerk be­ trieben werden. Ein zylinderförmiges Feld entsteht, wenn zwei oder mehr Axial-Dipole hintereinander in ein Bohrloch versenkt werden.

Um den Einfluß der variablen Impedanz des dielektrischen Mate­ rials über den Axial-Dipol auf den Generator auszugleichen, wird ein Anpassungs-Netzwerk zwischen Generator und Axial- Dipol geschaltet. Eine Prozessüberwachung kann die Lastver­ hältnisse an dem Axial-Dipol erfassen und das Netzwerk automa­ tisch so nachregeln, daß der HF-Generator maximale Leistung abgibt.

Zur erfindungsgemäßen technischen Realisierung können mit Hil­ fe von Meßsonden die für den gesamten Prozeß maßgebenden Para­ meter erfaßt werden. Hierzu werden jeweils Strom und Spannung am HF-Generator, am Anpaßnetzwerk und an den Axial-Dipolen, sowie Feuchte, Temperatur, statische Druckdifferenz und ggf. Schadstoffkonzentration im zu behandelnden Material on-line gemessen. Die Meßdaten werden mittels eines Computers, der gleichzeitig die Prozeßüberwachung und -steuerung übernimmt, verarbeitet. Über Datenfernübertragung können sämtliche Pro­ zeßdaten abgefragt werden, so daß unter deren Berücksichtigung ggf. der Prozeß beeinflußt werden kann.

Erfindungsgemäß sind folgende Anwendungen möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechende Vorrich­ tung dient vorzugsweise der in-situ-Erwärmung von festen Stof­ fen, um diese besser, schneller oder überhaupt erst verarbei­ ten zu können.

Ferner sind diese zum selektiven Erwärmen bei Biege- oder Schweißvorgängen von Kunststoffen, Beschleunigen von Klebe-, Aushärte- oder sonstigen Reaktionsprozessen innerhalb eines Werkstückes geeignet.

Darüber hinaus dienen das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung der in-situ-Erwärmung von festen Stoffen zum Zweck der Trocknung, in-situ-Verfahren zur Trocknung von Silos und Siloinhalten, In-situ-Erwärmung von Betonrohren o. ä. bei sehr tiefen Tempe­ raturen oder zur Beschleunigung der Aushärtung, sowie der in-Situ-Trocknung von Rohren.

Nach einem weiteren Vorschlag dienen das erfindungsgemäße in- situ-Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung der Trennung von flüchtigen Stoffen aus festen Stoffen.

Nach einer wichtigen Anwendung dienen das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung der in-situ-Sanierung von Erdböden, die mit halogenierten und aromatischen Kohlenwasserstoffen, sowie niedrig siedenden aliphatischen Kohlenwasserstoffen (Mineralöl) belasteten sind.

Bei diesem in-situ-Verfahren wird das Prinzip der dielektri­ schen Erwärmung mittels Erzeugen hochfrequenter elektromagne­ tischer Felder in dem zu behandelnden Material (hydrosko­ pisches Material, Erdboden, Abfälle und Deponiergut) zur Mobi­ lisierung der Feuchtigkeit und der eventuell damit verbundenen Schadstoffe genutzt.

Bodenfeuchtigkeit und organische Kontaminationen werden dabei in die Gasphase überführt. Dieser Vorgang wird auch als Trä­ gerdampfdestillation bezeichnet. Die mit Wasserdampf und even­ tuellen Schadstoffen befrachtete Luft wird hierbei über eine Absaugvorrichtung aus dem zu behandelnden Material entfernt. Für die in-situ-Bodensanierung werden mit der Bodenluft auch die Schadstoffe mit abgesaugt und einer Aufbereitungsanlage zugeführt. Dort können die Schadstoffe recycelt oder verbrannt werden. Bei der Verbrennung kann die freiwerdende Energie der Schadstoffe zusätzlich genutzt werden. Des weiteren kann die Abwärme dem Boden wieder zurückgeführt werden.

Die Energieübertragung erfolgt mit sehr hoher Effektivität, bei der über 90% der eingetragenen HF-Energie auf den im zu behandelnden Material gespeicherten Wasseranteil übertragen wird.

Dies liegt an dem oben bereits beschriebenen Dipol-Charakter des Wassermoleküls, das eine Dielektrizitätskonstante ε = 81 aufweist.

In dem vom Hochfrequenzfeld durchdrungenen zu behandelnden Ma­ terial erfolgt eine allmähliche Erwärmung auf Temperaturen von 70° bis maximal 160°C. Die Erwärmung über den Siedepunkt von drucklosem Wasser hinaus wird dadurch erreicht, daß im Materi­ al selbst dielektrische Verluste entstehen.

Erfindungsgemäß werden Axial-Dipole in einer speziellen, an die Stoffstruktur angepaßten Anordnung in den zu behandelnden Stoff eingebracht. Mit den Axial-Dipolen kann das elektroma­ gnetische Feld in jeder dreidimensionalen Ausdehnung fast vollkommen frei konfiguriert und damit den Besonderheiten des Stoffes angepaßt werden.

Die Geometrie des zu erwärmenden Volumens kann durch verschie­ dene Parameter wie Geometrie und Anzahl der Axial-Dipole, ra­ dialer und axialer Abstand sowie Lagewinkel und Phasenwinkel der Axial-Dipole zueinander sowie durch die Dipolspannung festgelegt werden.

Hierdurch wird es möglich, mit ein und derselben Technik klei­ ne wie große Stoffvolumen gezielt zu erwärmen.

Bei z. B. vertikaler Anordnung der Axial-Dipole können durch gemeinsame vertikale Verschiebung der Axial-Dipole in dem Vo­ lumen gezielt horizontale Wärmezonen erzeugt und in vertikaler Richtung verschoben werden.

Die HF-Energie wird bis zum Anpassungs-Netzwerk über Koaxial- Leitungen und vom Anpassungs-Netzwerk zum Axial-Dipol über Koaxial- oder Parallel-Leitungen zugeführt. Weiterhin wird nur auf bestimmten, zugelassenen Frequenzbändern gearbeitet. Es tritt daher nur am Axial-Dipol eine starke Abstrahlung auf. Eine oberirdische Abschirmung ist somit nicht, oder nur in Ausnahmefällen, notwendig.

Zur erfindungsgemäßen technischen Realisierung einer in-situ- Bodensanierung werden Axial-Dipole in einer speziellen, von der Bodenstruktur abhängigen Anordnung in das verunreinigte Bodenmaterial eingebracht. Mit den Axial-Dipolen kann das elektromagnetische Feld in jeder dreidimensionalen Ausdehnung vollkommen frei konfiguriert und damit den geologischen schad­ stoffspezifischen Besonderheiten des Standortes angepaßt wer­ den.

Die Erwärmung findet gezielt dort statt, wo sich die Feuchtig­ keit bzw. die Schadstoffe befinden. Von besonderem Vorteil ist hierbei, daß dies auch in großen Tiefen ohne große Probleme möglich ist.

Über die Bohrlöcher kann gezielt den belasteten Bodenschichten Luft zugeführt oder von diesen abgesaugt werden. Das Rohr des Bohrlochs ist hierzu an geeigneter Stelle perforiert bzw. Ab­ gedichtet. Ebenso können auch über Rohrleitungen, die parallel zu den HF-Zuleitungen liegen, die gasförmigen Schadstoffe ab­ gesaugt oder Luft zugeführt werden.

Die Axial-Dipole können ohne Gefahr eines Kurzschlusses bis in wasserführende Schichten abgesenkt werden. Dies kann sogar ge­ zielt ausgenutzt werden, um die Feldstärke zwischen den oberen Hälften der Axial-Dipole zu verstärken.

Die Restbelastungen im Boden liegen weit unter den Belastungen bisheriger in-situ-Sanierungsverfahren. Weiterhin wird im Ver­ gleich zu den bekannten Verfahren weniger Energie verbraucht.

Ferner reduziert sich mit dem neuen in-situ-Verfahren die Sa­ nierungsdauer von bisher mehreren Jahren auf wenige Wochen.

Außerdem steht mit dieser neuen Technik nunmehr ein in-situ- Sanierungsverfahren zur Verfügung, mit dem Schadensfälle sa­ niert werden können, die bisher überhaupt nicht oder nur mit einem unverhältnismäßig hohen technischen und finanziellen Aufwand sanierbar waren.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den je­ weils abhängigen Unteransprüchen angegeben.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen sowie aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines symmetrischen Axial-Dipols mit Mittel-Einspeisung;

Fig. 2 einen prinzipiellen Aufbau eines asymmetrischen Axial-Dipols mit HF-Einspeisung an einem Ende;

Fig. 3 in schematischer Form ein HF-Anpassungs-Netzwerk mit symmetrischem Parallelschwingkreis zur Anregung ei­ nes Axial-Dipole;

Fig. 4 in schematischer Form ein HF-Anpassungs-Netzwerk mit asymmetrischem Doppel-Glied zur Anregung einer Axial-Dipoles;

Fig. 5 in schematischer Form die Einspeisung von vier Axial-Dipolen aus einem gemeinsamen HF-Anpassungs- Netzwerk;

Fig. 6 in schematischer Darstellung die Erzeugung eines vertikalen Quadrupol-Feldes mit Hilfe von zwei ge­ genphasig angeregten Axial-Dipolen;

Fig. 7 das in Fig. 6 gezeigte Quadrupol-Feld in Draufsicht;

Fig. 8 in schematischer Form die Erzeugung eines vertikalen und horizontalen Quadrupol-Feldes mit Hilfe von vier jeweils paarweise gegenphasig angeregten Axial- Dipolen, und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur in-situ-Sanierung kontaminierter Böden.

Obwohl im folgenden die Erfindung am Beispiel einer in-situ- Bodensanierung beschrieben wird, ist sie darauf nicht be­ schränkt.

Wie bereits eingangs angegeben, können das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung auch zum Erwärmen von festen Stoffen, zum Trocknen von festen Stoffen sowie zum Trennen flüchtiger Stoffe aus festen Stoffen angewandt werden.

In Fig. 1 ist schematisch ein symmetrischer Axial-Dipol 10 ge­ zeigt, der aus einem oberen Elektroden-Zylinder 12 und einem unteren Elektroden-Zylinder 14 besteht. Beide Elektroden- Zylinder 12 und 14 sind über eine koaxiale HF-Zuleitung 16 miteinander verbunden. Oberhalb des oberen Elektroden- Zylinders 12 schließen sich ein Sperrtopf 18 sowie ein HF-Anpassungs-Netzwerk 20 zum Betreiben der Axial-Dipol-Elektrode 10 an.

In Fig. 2 ist ein asymmetrischer Axial-Dipol 22 dargestellt, der ebenfalls aus einem oberen Elektroden-Zylinder 24 und ei­ nem unteren Elektroden-Zylinder 26 besteht.

Oberhalb des oberen Elektroden-Zylinders 24 sind konzentrisch zu einer Zuleitung 28 mehrere Umweg-Leitungen 30 angeordnet. Auch hier schließt sich wieder zum Betreiben der Axial-Dipole- Elektrode 22 ein HF-Anpassungs-Netzwerk 32 an.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Axial-Dipole 10, 22 unter­ scheiden sich hauptsächlich in der Art der Anregung der beiden Dipol-Hälften bzw. Elektroden-Zylinder 12, 14 bzw. 24, 26.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Axial-Dipol 10 wird die HF-Energie in der geometrischen Mitte des in vertikaler Richtung symme­ trisch aufgebauten Axial-Dipols 10, ähnlich wie z. B. bei einer klassischen KW-Sende-Antenne, eingespeist.

Bei einer vorteilhaften Frequenz von 13,56 MHz beträgt die zu­ gehörige Wellenlänge in Luft und Vakuum ca. 22 Meter, d. h. λ/4 beträgt ca. 5,5 Meter.

Bei entsprechender Länge stellt jede der beiden Dipol-Hälften einen kapazitiv verkürzten λ/4-Strahler dar, dessen elektroma­ gnetisches Nahfeld die Strahlungsleistung in das umgebende Dielektrikum (Erdreich) abgibt.

Aus praktischen Gründen kann die koaxiale HF-Zuleitung 16 im inneren der oberen λ/4-Dipol-Hälfte bzw. in dem oberen Elek­ troden-Zylinder 12 geführt werden. Diese koaxiale Zuleitung 16 transformiert die Dipol-Fußpunkt-Impedanz ZF auf einen anderen Wert ZF', der seinerseits über das HF-Anpassungs-Netzwerk 20 auf einen reellen Wert ZR transformiert wird, der in der Regel etwa 50 Ohm beträgt.

Die HF-Leistung kann nun über eine Zuleitung mit dem reellen Widerstand ZR von einem HF-Sender zu dem HF-Anpassungs- Netzwerk 20 geleitet werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten asymmetrischen Axial-Dipol 22 erfolgt eine asymmetrische HF-Einspeisung an einem Ende der Axial-Dipols 22.

Die HF-Energie wird auf dem kürzesten Wege von dem oberen Ende her den beiden verkürzten λ/4-Dipol-Hälften bzw. den oberen und unteren Elektroden-Zylindern 24 und 26 zugeführt.

Die ungleichen Impedanzen der Zuleitungen 28 zu den beiden Elektroden-Zylindern 24 und 26 müssen durch entsprechende Zu­ satz-Impedanzen im HF-Anpassungs-Netzwerk 32 ausgeglichen wer­ den, um dort wieder eine gegenphasige, einfach detektierbare HF-Anregungsspannung verwenden zu können.

Im folgenden werden konstruktive Details der HF-Axial-Dipolen anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Sowohl der obere als auch der untere Elektroden-Zylinder 12, 14 bzw. 24, 26 können je nach gewünschter Länge der gesamten Axial-Dipols im Vergleich zur verkürzten Wellenlänge des λ/4-Strahlers, wahlweise am äußeren Ende des Zylindermantels oder am hinteren Ende oder auch in jeder Zwischen-Position mit der HF-Zuleitung 16 bzw. 28 verbunden werden.

Infolge der Skin-Effektes dringt HF-Strom bei den vorwiegend benutzten Frequenzen nur einiger µm in die Konstruktionswerk­ stoffe der Axial-Dipole 10 bzw. 22 ein, die vorzugsweise aus Aluminium- und Kupfer-Legierungen bestehen.

Um dem HF-Strom eine möglichst homogene Verteilung auf der Au­ ßenfläche der Elektroden-Zylinder 12, 14 bzw. 24, 26 zu ermög­ lichen, können in den ringartigen Verbindungen zwischen den Zuleitungs-Rohren und den Innenflächen der Zylinder- Mantelöffnungen sogenannte "Löcher" vorgesehen werden.

Um den Weg des HF-Stromes von dem HF-Anpassungs-Netzwerk 32 zu dem oberen Elektroden-Zylinder 24 an den Weg zu dem unteren Elektroden-Zylinder 26 anzupassen, sollte der kürzere Weg über die Außenfläche der Koaxialleitung 28 durch Aufsetzen einer Umweg-Leitungen 30 verlängert werden. Diese Umweg-Leitung 30 kann aus mit dem Außenrohr verbundenen metallischen Ringen be­ stehen (Fig. 2).

Bei relativ langen Zuleitungen 16 in der Größenordnung von λ/4 (verkürzt) kann der Einsatz eines aus der Nachrichtentechnik bekannten Sperrtopfes 18 zur Unterdrückung von Mantelwellen sinnvoll sein (Fig. 1).

Für die praktische Anwendung können die Axial-Dipole 10 bzw. 22 aus Baugruppen mit genormten Abmessungen zusammengesetzt sein. Diese Baugruppen sind z. B. Zylinder-Elektroden verschie­ dener Längen, Dipol-Einspeisungen, koaxiale Zuleitungen, Sperrtopf, Winkel-Kupplung, koaxiale Oberflächen-Leitung usw.

Zur Kontaktierung der Baugruppen untereinander werden Kontakt- Federringe aus Beryllium-Bronze verwendet. Isolations- Zwischenringe sind, je nach der Temperatur und Isolationsspan­ nung, aus PTFE (Teflon), PP (Polypropylen) oder PU (Polyurethan) gefertigt.

Die koaxiale Seele der Zuleitung zu dem unteren Elektroden- Zylinder 14 bzw. 26 kann als Zugstange ausgebildet sein und die einzelnen, koaxialen Baugruppen zu einer starren Einheit zusammenpressen.

Anhand der Fig. 3 und 4 sind die entsprechenden HF-Anpassungs- Netzwerke 20 und 32 näher beschrieben.

Das HF-Anpassungs-Netzwerk, das auch als "Matchbox" bezeichnet ist, stellt das Bindeglied zwischen der Energie-Quelle (HF-Sender) und dem Verbraucher (Dielektrikum/ Erde) dar.

Im abgestimmten Zustand stellt es einen HF-Transformator dar, der bei der jeweiligen HF-Leistung die Spannung am Ende der HF-Transportleitung auf die Elektroden-Spannung transformiert. Bei dieser Definition wird die Elektroden-Zuleitung als Teil des HF-Anpassungs-Netzwerks betrachtet.

Für eine optimale Leistungs-Übertragung ist es vorteilhaft, den Innenwiderstand des HF-Senders an den Außenwiderstand des Dielektrikums anzupassen.

Wie aus den Figuren zu sehen, wird die von einem beispielswei­ se handelsüblichen HF-Sender mit der Frequenz f (vorzugsweise f = 13,56 MHz) über eine große HF-Leitung dem Wellenwiderstand ZR (vorzugsweise ZR = 50 Ohm) angelieferte HF-Energie, vor­ zugsweise induktiv, in das HF-Transformationsglied 38 einge­ koppelt.

Das Transformationsglied 38 besteht im einfachsten Fall aus einem Parallel-Schwingkreis, dessen Mitte entweder kapazitiv oder induktiv auf Erdpotential liegt (s. Fig. 3 und 4).

Die beiden Enden des Schwingkreises führen in Bezug auf das Erdpotential gegenphasige Spannungen. Die Enden der koaxialen Anschluß-Leitung zu den Axial-Dipolen 10 und 22 werden über reaktive Widerstände, die vorzugsweise aus variablen Vakuum- Kondensatoren C und unter Umständen auch noch aus Festindukti­ vitäten (Fig. 4) bestehen, derart mit dem Transformations- Parallel-Kreis verbunden, daß zwischen den beiden Elektroden- Zylindern 12 und 14 unter anderem eine möglichst hohe Diffe­ renzspannung entsteht (s. dazu auch Fig. 3).

Wie in Fig. 4 gezeigt, können der Transformations-Parallel- Schwingkreis und die Zuleitungs-Reaktanzen durch ein funkti­ onsgleiches, asymmetrisches Doppel-Glied ersetzt werden.

Die für Antriebs-Motoren (nicht dargestellt), die die Axial- Dipole 10, 22 beispielsweise vertikal in Bohrlöchern verfahren können, und die Elektronik-Baugruppen notwendige Spannungsver­ sorgung kann aus einem Akkumulator erfolgen, der aus einer von der HF-Spannung abgezweigten, gleichgerichteten Hilfspannung auch ständig nachgeladen wird. Diese Versorgungsart erspart die Verlegung eines störanfälligen Kabels von der Anlagen- Netzverteilung zu der Matchbox.

Im folgenden ist eine HF-Meßtechnik zur Gewinnung von Signalen beschrieben, die die automatische Resonanz-Abstimmung des in Fig. 4 gezeigten HF-Anpassungsnetzwerks 32 erlaubt.

Damit die HF-Leistung von dem HF-Sender über den Axial-Dipol 10 oder 22 in das Dielektrikum (Erde) abgegeben werden kann, sollte die HF-Ausgangs-Impedanz des Senders mit dem Wellenwi­ derstand der Verbindungsleitung und der Eingangs-Impedanz in der Matchbox übereinstimmen.

Dabei ist es von Vorteil, einen sogenannten Phasen/Amplituden- Detektor 40 in der Verbindungsleitung vorzusehen, der diese Bedingungen in zwei Schritten überwacht.

Der erste Schritt erfolgt über den Phasen-Detektor. Wenn in der Verbindungsleitung von dem HF-Sender zur Matchbox keine Phasen-Verschiebung zwischen der HF-Spannung und dem HF-Strom vorhanden ist, wird davon ausgegangen, daß alle Reaktanzen auf der Lastseite von der Matchbox durch Variation von Induktivi­ täten und Kapazitäten zu "Null" kompensiert worden sind.

Das Ausgangs-Signal des Phasen-Detektors wird Null, und es werden keine weiteren Impedanz-Änderungen vorgenommen.

Der zweite Schritte erfolgt über den Amplituden-Detektor. Der verbleibende transformierte, reelle Widerstand des Dielektri­ kums sollte noch weiter transformiert werden, bis er den reel­ len Wert des Leitungs-Wellenwiderstandes annimmt.

Die Kontrolle übernimmt der sogenannte Amplituden-Detektor. Dabei werden gleichzeitig, unabhängig voneinander die HF-Spannung und der HF-Strom gemessen, gleichgerichtet und der Quotient Spannung/Strom gebildet.

Die Transformation sollte solange verändert werden, bis der Quotient den Wert des reellen Leitungs-Wellenwiderstandes an­ nimmt.

Die Abgleich-Vorgänge der beiden Detektoren 40 beeinflussen sich gegenseitig, und es ist nicht zwingend notwendig, daß sich beide Abgleich-Vorschriften mit nur zwei variablen Bau­ teilen für alle Last-Verhältnisse verwirklichen lassen.

Es werden deshalb ein oder zwei zusätzliche variable Reaktan­ zen eingesetzt, die von ein oder zwei weiteren Detektoren zwi­ schen der Matchbox und dem Axial-Dipol kontrolliert werden. Die Lage der zusätzlichen Detektoren direkt am Axial-Dipol 10 oder 22 ermöglicht es, als Randbedingung zur Lösung der Ab­ stimm-Aufgabe die Forderung einzuführen, daß der Impedanz- Abgleich auch ein Maximum der Feldstärke des Dipols erzielen soll.

Ferner wird die Einspeisung von HF-Energie von der Matchbox in den entsprechenden Axial-Dipol 10 oder 22 von zwei sogenannten "UIP-Detektoren" 42 (s. Fig. 4) in den Verbindungsleitungen von der Matchbox zum "äußeren" und "inneren" Elektroden- Anschluß überwacht.

Der UIP-Detektor 42 mißt gleichzeitig die HF-Spannung (U), den HF-Strom (I) und den Phasen-Winkel (P) zwischen der Spannung und dem Strom jeweils nach Betrag und Vorzeichen.

Mit Kenntnis all dieser Größen kann eine Auswerteeinheit in einem Computer neben der Optimierung der Feldstärke auch Ände­ rungen im Dielektrikum, z. B. Temperaturen, Feuchtigkeit, er­ fassen und das HF-Anpassungs-Netzwerk 32 entsprechend steuern.

Um gezielter Änderungen des Bodenzustands berücksichtigen zu können, ist es von Vorteil, zur Erfassung von Zustands- Parametern in der Umgebung der jeweiligen Axial-Dipole 10 bzw. 22 Sensoren in das Dielektrikum einzuführen, die den physika­ lischen Zustand (z. B. Temperatur und Feuchtigkeit) an den oben genannten Prozeß-Computer melden können. Diese Sensoren oder Teile davon können außerdem zu Meß-Dipolen ergänzt werden, mit denen das Strahlungsverhalten der Axial-Dipole 10 bzw. 22 überwacht werden kann.

Zur Erfassung der physikalischen Zustands-Parameter kann in sinnvollen Zeit-Intervallen der HF-Sender kurzzeitig ausge­ schaltet werden. Die Sensoren zeigen dann ihre eigentlichen Parameter an. Die Energie-Versorgung der Sensoren und die elektronische Signal-Aufbereitung erfolgt in einem HF-abgeschirmten Nebenraum der Matchbox, von wo auch über Licht­ wellenleiter die Matchbox-Daten zu dem Computer übertragen werden.

In den Fig. 5 bis 8 sind Systeme von mehreren Axial-Dipolen gezeigt.

Zur räumlichen Ausdehnung des zu den erwärmenden Volumens des Dielektrikums (Erde) können mehrere Axial-Dipole in geeigneter geometrischer Anordnung und passender Phasenlage der HF-Einspeise-Spannung verwendet werden.

Relativ einfache Systeme bestehen dabei aus zwei bzw. vier Axial-Dipolen.

In den Fig. 6 und 7 ist ein System mit zwei Axial-Dipolen 10 dargestellt.

Werden diese zwei Axial-Dipole 10 in einem Abstand d, der zwi­ schen λ/4 < d < λ/2 liegt, vorzugsweise vertikal und parallel zueinander in dem Dielektrikum angeordnet und gegenphasig an­ geregt, so entsteht in der vertikalen Ebene zwischen den bei­ den Elektroden 10 ein sogenanntes Quadrupol-Feld. Dieses wird dadurch erzeugt, daß die jeweiligen oberen und unteren Elek­ troden-Zylinder 12, 14 unterschiedliche Polungen aufweisen.

In den horizontalen Ebenen jeweils in der Mitte der Elektro­ den-Zylinder 12, 14 ist ein klassisches Dipol-Feld vorhanden. Es ist dabei selbstverständlich, daß der gezeigte theoretische Feldlinien-Verlauf durch eine unregelmäßige Verteilung der re­ lativen Dielektrizitätskonstanten gestört wird.

Der theoretische Feldfreiraum etwa im Zentrum zwischen den vier Elektroden-Zylindern 12 und 14 muß unter Umständen zur dielektrischen Erwärmung durch Veränderungen der Phasenlage der HF-Anregungs-Spannung und/oder durch Variationen der HF-Spannungen zwischen den Elektroden-Zylindern 12 und 14 zumin­ dest teilweise mit Feldlinien durchsetzt werden.

Ein aus vier Axial-Dipolen bestehendes System ist in den Fig. 5 und 8 gezeigt.

Um auch in der Horizontalen zwei großvolumige Quadrupol-Felder erzeugen zu können, müssen vier Axial-Dipole, die vorzugsweise vertikal und parallel zueinander angeordnet sind, in das Die­ lektrikum eingeführt werden.

Bei einer Anregung der Axial-Dipole 10, wie in Fig. 5 oder 8 dargestellt ist, wird als Feldgeometrie ein dreidimensionaler Quadrupol erzeugt, dessen Feldlinienverlauf ebenfalls durch ungleiche Verteilung der relativen Dielektrizitätskonstanten im Volumen zwischen und im Umkreis um die Axial-Dipole 10 ge­ stört sein kann.

Auch hier muß ggf. durch entsprechende Korrektur-Maßnahmen, wie z. B. eine Lageänderung der Axial-Dipole 10, 22, das theo­ retische Feld-Minimum im Zentrum des Quadrupols mit zusätzli­ cher Energie versorgt werden, damit möglichst alle Bereiche erwärmt werden.

Diese Korrektur wird in der Praxis in der Erde automatisch er­ folgen. Dies liegt darin begründet, daß in der Nähe der vier Axial-Dipole 10 zunächst wegen der höheren Feldstärke eine stärkere Erwärmung und somit ein verstärktes Verdampfen von Wasser stattfindet. Dadurch wird die mittlere Dielektrizitäts­ konstante im Verhältnis zum Zentrum kleiner. Die Feldlinien­ dichte steigt dann im Restvolumen automatisch an und erwärmt auch diesen Bereich, bis sich wieder ein Gleichgewicht einge­ stellt hat.

Die Art der HF-Einspeisung in die Axial-Dipole 10 richtet sich nur nach den örtlichen Gegebenheiten, wie z. B. den Abständen der Bohrlöcher, der Distanz zum HF-Sender und dem zur Verfü­ gung stehenden Material.

Gemäß Fig. 5 kann diese HF-Einspeisung aus einer einzigen Matchbox 20 mit identischen Zuleitungen zu den vier Axial- Dipolen 10 unter Verwendung von nur einem HF-Sender erfolgen.

Es ist aber auch möglich, vier Einzel-Matchboxen gemäß Fig. 8 zu verwenden, die jeweils aus einem HF-Leistungsteiler in Ver­ bindung mit ebenfalls nur einem HF-Sender gespeist werden.

Außerdem können vier Einzel-Matchboxen verwendet werden, die aus ebenfalls vier synchronisierten HF-Sender-Endstufen mit vier identischen Verbindungsleitungen gespeist werden.

In Fig. 9 ist schematisch eine Vorrichtung 50 zur in-situ- Sanierung eines kontaminierten Bodens dargestellt. In diesem Fall werden vier Axial-Dipole 10 mit jeweils zugeordneten HF-Anpassungs-Netzwerken 20 verwandt.

Die entsprechende elektrische Energie wird von einem HF-Generator 44 erzeugt und den HF-Anpassungs-Netzwerken 20 nach Anpassung zugeführt.

Wie bereits oben beschrieben, wird durch die Erwärmung des Bo­ dens der Schadstoffin dem Wasserdampf gelöst und kann zusam­ men mit diesem ausgetragen werden.

Wie in der Fig. 9 deutlich zu sehen, sind die Axial-Dipole 10 in vorzugsweise ausgekleidete Bohrlöcher eingeführt, so daß der mit Schadstoff angereicherte Wasserdampf in diesen Bohrlö­ chern gesammelt und von diesen über eine Vakuumpumpe 46 abge­ saugt werden kann.

Die Schadstoffbeseitigung erfolgt dann in einer katalytischen Oxidationsanlage 48, wobei die Wärme des Wasserdampfs rückge­ wonnen und dem Boden wieder zugeführt werden kann.

Obwohl in den Fig. 5 bis 9 jeweils nur symmetrische Axial- Dipole 10 beschrieben wurden, ist es selbstverständlich, daß auch die asymmetrischen Axial-Dipole 22 gemäß Fig. 2 verwandt werden können.

Claims (20)

1. Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes mit den Verfahrensschritten:

• - Erwärmen des Stoffes mittels HF-Energie über in den Stoff eingebrachte Elektroden, wodurch flüchtige Verbindungen, insbesondere Wasser, mobilisiert wer­ den, und
• - Absaugen der mobilisierten Verbindungen,

dadurch gekennzeichnet, daß
die HF-Energie mittels mindestens eines Axial-Dipols (10, 22) selektiv in den Stoff eingebracht wird, welcher die HF-Energie vornehmlich auf den im Stoff enthaltenen Wasseranteil überträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff auf eine für den jeweiligen Prozeß notwendige Temperatur, von vorzugsweise 0°-200°C erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dipol-Felder überlagert werden, um eine vorbe­ stimmte Feldgeometrie zu erzeugen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein flächenhaft ausgebildetes Feld erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quadrupol-Feld erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylinderförmiges, längliches Feld erzeugt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei vertikal ausgerichteten Axial-Dipolen horizontale Wärmezonen vorbestimmt in vertikaler Richtung verschoben werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß feste Stoffe für eine Ver- bzw. Bearbeitbarkeit erwärmt, feste Stoffe getrocknet oder flüchtige Stoffe aus festen Stoffen getrennt werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß daß kontamierte Böden thermisch saniert werden.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Austragungsprozeß maßgeblichen Parameter, z. B. Feuchte, Temperatur, statistische Druckdifferenz und gegebenenfalls Schadstoffkonzentration on-line di­ rekt vor Ort zur Überwachung, Protokollierung und Steue­ rung des Austragungsprozesses gemessen werden.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die abgesaugten Verbindungen einer Aufbereitungsanlage, vorzugsweise einer katalytischen Oxidationsanlage (48) zugeführt werden.

12. Vorrichtung zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes, mit Elektroden, die in den Stoff einbringbar sind, um flüch­ tige Verbindungen, insbesondere Wasser, zu mobilisieren, und mit einer Absauganlage für die mobilisierten Verbin­ dungen, gekennzeichnet durch mindestens einen Axial-Dipol (10; 22) zur selektiven Ein­ bringung einer HF-Energie, welcher die Energie vornehm­ lich auf den im Stoff enthaltenen Wasseranteil über­ trägt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Axial-Dipol ein symmetrischer (10) oder ein asymme­ trischer Axial-Dipol (22) ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Axial-Dipol (10, 22) über ein zugeordnetes HF-Anpassungsnetzwerk (20, 32) betreibbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der symmetrische Axial-Dipol (10) mit Mittel-Einspeisung und axialer Einführung der Zuleitung betreibbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der asymmetrische Axial-Dipol (22) mittels HF-Einspeisung an einem Ende und axialer Einführung der Zu­ leitung betreibbar ist.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden An­ sprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Axial-Dipole (10, 22) zu einem Dipolsystem zusam­ mengefaßt sind.

18. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Axial-Dipole (22) auf ihrer Längsachse ver­ schiebbar angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden An­ sprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch Meßsonden zur Erfassung der für den Austragungsprozeß maßgeblichen Parameter, z. B. Feuchte, Temperatur, stati­ sche Druckdifferenz und gegebenenfalls Schadstoffkonzen­ tration, zur Überwachung, Protokollierung und Steuerung des Austragungsprozesses.

20. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden An­ sprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch eine Aufbereitungsanlage, vorzugsweise eine katalytische Oxidationsanlage (48) für abgesaugte Verbindungen.