DE4307719A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Dekontaminierung von oberflächig mit Schadstoffen verunreinigten Feststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dekontamination von Feststoffen, die an und/oder auf ihren Oberflächen mit Schadstoffen belastet sind.

An Industriestandorten, in Gewerbegebieten und auf Deponien können große Mengen an kontaminierten Materialien anfallen. Ursachen für die Kontaminierung der Materialien waren z. B. fehlende Sicherheitsvorschriften oder nicht ordnungsgemäß durchgeführte Sicherheitsmaßnahmen. Nach den inzwischen geltenden Sicherheitsvor­ schriften müssen Industriestandorte, Gewerbegebiete und Deponien saniert werden. Saniert werden müssen dabei vielfach große Mengen an Erdaushub, Bauschutt, Straßenaufbruch und Schrott. Diese Materialien sind z. B. infolge jahrelanger Produk­ tionstätigkeit mit Schadstoffen belastet. Die Schadstoffe sind häufig direkte Bestandteile der Produktkette des Produktionsprozesses selbst und/oder sie sind im Laufe der Zeit durch Reaktion mit chemischen Stoffen der Umgebung entstanden. Die Schadstoffe können radioaktive Produkte und/oder andere Feststoffe sein, die nicht in das gesamte Teilchenvolumen diffundieren, sondern an der Oberfläche von Feststoffen der vorstehend beschriebenen Art an- und/oder eingelagert werden.

Die Dekontamination der Feststoffe erfolgt in bekannter Weise durch Anreicherung des jeweiligen Schadstoffes mit speziellen Sortierverfahren in einem separaten Produkt. Bei diesen Verfahren werden unterschiedliche Eigenschaften zwischen Schadstoff und unbelastetem Material ausgenutzt. Diese Eigenschaften können z. B. die Korngröße, Kornform, spezifische Dichte, Grenzflächeneigenschaften, die Löslichkeit und andere sein. Voraussetzung für die Anwendung dieser Verfahren ist ein ausreichend hoher Aufschluß der Schadstoffe. Aus diesem Grund müssen die zu entsorgenden Produkte vor der Schadstoffabtrennung so weit zerkleinert werden, daß die auszunutzende Stoffeigen­ schaft der erzeugten Einzelteilchen hinreichend unterschiedliche Werte annimmt.

Für Uranium, als Beispiel für einen radioaktiven Stoff, wird als Sortierverfahren der Laugungsprozeß angewendet (Schubert, H.: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, Bd. III, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1983). Hierbei muß das Uranium mit speziellen Aufschlußmitteln in eine lösliche Form überführt werden. Die Anwendung dieses Verfahrens erfordert aber eine sehr feine Aufmahlung des Feststoffes bis mindestens 100% kleiner als 0,5 mm.

Der Uraniumgehalt des kontaminierten Gesamtfeststoffes ist immer gering. Damit gleichzeitig hohe Anteile karbonatischer, sulfidischer oder sulfatischer Bestandteile vorhanden sind, ist der Verbrauch an Aufschlußmitteln sehr hoch.

Die Laugungszeit des Feststoffes beträgt mehrere Stunden; entsprechend groß sind die notwendigen Apparatevolumina.

Die Laugung erfordert deshalb immer hohe finanzielle Aufwendungen (Kuestemeyer, A.L.: Capital and operating cost estimation milling of uranium ores in United States, Colorado School of Mines, Quaterly Vol. 79, No. 4, October 1984). Trotzdem kann mit Schwefelsäure, Soda oder Natronlauge als Aufschlußmittel nur das Uranium zu über 90% ausgebracht werden (Skorovarova, D.I.: Gidrometallurgiceskaja pererabotka uranorudnogo syr′ja, Moskau, Verlag: "Atomizdat 1979").

Thorium und Radium müssen mit heißer Salpetersäure bzw. Salzsäure gelaugt werden. Speziell vor der Radiumlaugung ist außerdem eine sorgfältige Abtrennung von Sulfiden und Sulfaten erforderlich. Die Laugung von Radium und Thorium ist deshalb noch aufwendiger und teurer als die Uraniumlaugung. Aus diesem Grunde werden von Uranium dekontaminierte Erdaushübe und Bauschutt i.A. in Sondermülldeponien für radioaktive Abfälle eingelagert.

Bei radioaktiv kontaminiertem Schrott ist eine Laugung nicht möglich. Durch die hohe Feststoffdichte des Stahles kann in großen Laugungsapparaten keine stabile Suspension erzeugt werden. Kontaminierter Schrott kann in speziellen Schmelzwerken entsorgt werden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für die Dekontamination von Feststoffen, die an ihren Oberflächen mit Schadstoffen belastet sind, ein einfaches, wirtschaftliches Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln.

Das Problem wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf die Oberflächen von mit Schadstoffen belasteten Feststoffstücken oder Feststoffteilchen kontinuierlich Reib- und Scherkräfte durch Mischen mit Feststoffstücken oder Feststoffteilchen des gleichen oder eines anderen Materials ausgeübt werden. Danach können abgetragene kontaminierte Teilchen, die in Feinstkornfraktion vorliegen, von den schadstoffabgereicherten Feststoffstücken bzw. Feststoffteilchen getrennt werden. Dabei sollten die Korngrößen der abgeriebenen kontaminierten Teilchen grundsätzlich nur etwa 50% der Größe der Feststoffstücke bzw. -teilchen betragen.

Dieses Verfahren liefert ein schadstoffangereichertes Produkt geringerer Masse und ein schadstoffreies Produkt größerer Masse. Die Trennung des schadstoffangereicherten vom schadstoffabgereicherten Produkt kann auf an sich bekannter Weise durch Sieb­ klassierung, Stromklassierung und, wenn erforderlich, mittels Dichtesortierung oder Magnetabscheidung erfolgen.

Ein mit der Erfindung erzielbarer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß aus einem kontaminierten Material mit einem bestimmten Volumen ein Masseanteil mit einem kleineren Volumen und größerem Kontaminationsgrad erhalten wird, während der Masseanteil mit dem größeren Volumen nicht mehr oder wesentlich geringer kon­ taminiert ist als das Ausgangsmaterial. Der Masseanteil mit dem kleineren Volumen kann dann z. B. mit Hilfe eines der oben beschriebenen Verfahren weiter dekontaminiert oder in einer geeigneten Deponie eingelagert werden. Durch die Vorschaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Aufwendungen für die Laugung bzw. Schmelze oder die Deponie zur Entsorgung eines vorgegebenen Volumens an z. B. Erdaushub, Bauschutt, Straßenaufbruch oder Stahlschrott insofern erheblich reduziert, als aus dem vorgegebenen Volumen ein kleineres Volumen erhalten wird. Nur dieses kleinere schadstoffangereicherte Volumen muß weiterverarbeitet oder entsorgt werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Kontamination von Feststoffteil­ chen mit festen, unlöslichen Schadstoffen nur in den äußersten Oberflächenschichten erfolgt. Eine Aufmahlung, Laugung oder Schmelze des Materials ist deshalb für die Dekontamination nicht zwingend. Es genügt, zur Dekontamination eines vorgegebenen, kontaminierten Materialvolumens die kontaminierten Oberflächenschichten in Form hinreichend kleiner Teilchen abzutragen.

Die Abtragung wird realisiert, wenn die Zerkleinerung durch Reib- und Scherkräfte erfolgt. Die Druckkräfte sind zu minimieren, Schlagkräfte müssen vermieden bzw. ausgeschaltet werden.

Durch eine anschließende Trennung der kontaminierten und schadstofffreien Teilchen erhält man ein feinstkörniges, stärker kontaminiertes Produkt geringerer Masse für die Laugung, Schmelze bzw. weitere Entsorgung sowie ein grobkörniges, schadstoff­ abgereichertes Produkt größerer Masse.

Vorzugsweise wird das Mischen der Feststoffstücke bzw. Feststoffteilchen in einer rotierenden Trommel durchgeführt. Das Mischen in der Trommel erzeugt die Reib- bzw. Scherkräfte unter Vermeidung von Schlagkräften.

Das oben beschriebene Verfahren wird insbesondere bei Feststoffteilchen angewendet, deren Oberfläche radioaktiv kontaminiert ist. Die radioaktive Kontaminierung kann durch Uranium, Radium oder Thorium sowie durch andere Schadstoffe verursacht sein. Das nach der Trennung von der feinstkörnigen, stärker kontaminierten Masse erhaltene grobkörnige, schadstoffabgereicherte Produkt größerer Masse ist nicht nur von Uranium dekontaminiert, sondern auch von Radium, Thorium und allen Schadstoffen, die in den abgetragenen Oberflächenschichten konzentriert waren.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wird kontaminierter Erdaushub und/oder kontaminierter Bauschutt und/oder kontaminierter Straßenaufbruch und/oder kontaminierter Stahlschrott mit schadstofffreien Feststoffteilchen größerer oder gleicher Härte gemischt, wobei anschließend die feinstkörnigen Teilchen von den grobkörnigen Teilchen getrennt werden. Das Verfahren eignet sich auch zur Dekontamination größerer Mengen dieser Materialien, die z. B. beim Abbau von Kernkraftwerken anfallen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein kontaminierter Feststoff einer ersten Zusammen­ setzung mit einem anderen kontaminierten Feststoff einer zweiten Zusammensetzung gemischt wird, wobei anschließend eine Trennung der feinstkörnigen Feststoffteilchen von den anderen gröberen Feststoffteilchen durchgeführt wird. Mit diesem Verfahren wird eine wechselseitige Dekontamination erreicht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß eine motorisch antreibbare Trommel für die Aufnahme des zu dekontaminierenden Materials ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von etwa vorzugsweise 0,8 bis 1,2 hat, daß der Füllungsgrad der Trommel im Bereich von vorzugsweise 40% bis 70% liegt und daß die Drehzahl der Trommel vorzugsweise etwa 60% der kritischen Drehzahl oder kleiner ist. Unter kritischer Drehzahl der Trommel ist hierbei diejenige Drehzahl zu verstehen, bei der der Übergang von Kaskadenwirkung zu Kataraktwirkung erfolgt.

Vorteilhaft ist die Verwendung von Stahlstücken, die insbesondere kontaminiert sind, als Mahlkörper in der Trommel. Die Kontamination der unterschiedlichen Materialien in der Trommel kann verschiedener Art sein. Bei Stahlstücken ist eine unregelmäßige Form möglich; die Oberflächen müssen aber anderen Feststoffteilchen gut zugänglich sein. Die Dekontaminationszeit des Stahlschrottes ist um so kürzer, je härter die übrigen Feststoffpartikel sind. Dies wird am besten durch Quarz erfüllt. Durch die entsprechende Wahl der Trommelfüllung, des Füllungsgrades, der Trommelabmessungen und der Trommeldrehzahl werden die kontaminierten Oberflächenschichten aller in der Trommel befindlichen Feststoffe abgetragen. Die Geschwindigkeit der Dekontamination ist beim härteren Feststoff geringer.

Die Trennung der kontaminierten und schadstoffabgereicherten Produkte wird anschließend in bekannter Weise durch Siebklassierung, Stromklassierung und wenn erforderlich, mittels Dichtesortierung oder Magnetscheidung durchgeführt.

Die anzuwendenden, nachfolgenden Dekontaminationsverfahrensschritte oder die Deponierung werden durch die geringere kontaminierte Masse ökonomischer.

Das schadstoffabgereicherte Produkt größerer Masse kann in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt oder wirtschaftlich günstiger deponiert werden.

Um die Feststoffstücke bzw. -teile im gewünschten Umfang zu dekontaminieren, kann die Verweilzeit in dem Mischorgan variiert werden. Dies kann über die Durchlaufmenge (umlaufende Last) geschehen. Auch besteht die Möglichkeit, die Feststoffstücke bzw. -teil­ chen quasi in einem Kreislauf mehrfach durch das Mischorgan laufen zu lassen, in dem ausschließlich Reib- und Scherkräfte während des Mischens auf die Feststoffstücke bzw. -teilchen einwirken, um den gewünschten Abrieb zu bewirken.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit einer Zeichnung.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Dekontamination von oberflächig mit Schadstoffen verunreinigten Feststoffen schematisch und teilweise im Schnitt dargestellt.

Eine waagerecht, vorzugsweise jedoch schräg in Richtung einer nicht dargestellten Austragsöffnung gelagerte Trommel (10) weist zwei längs der Drehachse nach außen verlaufende Wellenabschnitte (14), (16) auf. Die Wellenabschnitte (14), (16) sind jeweils von Lagern (17), (18) gehalten. Der Wellenabschnitt (16) ist an seinem, der Trommel (10) abgewandten Ende mit einer Hälfte einer Kupplung (20) verbunden, deren andere Hälfte an einer Antriebswelle (22) eines Getriebemotors (24) angeschlossen ist.

Die Trommel (10) weist eine ebenfalls nicht näher dargestellte verschließbare Einfüllöffnung auf. Im Ausführungsbeispiel befinden sich in der Trommel (10) keine Hebebalken. Die zylindrische Innenwand (26) und die inneren Stirnwände (28), (30) der Trommel (10) sind glatt ausgebildet.

Alternativ besteht die Möglichkeit, ein Mischorgan zu verwenden, welches Einbauten umfaßt, die jedoch ein mit einem Herabfallen von Feststoffen verbundenes Anheben dieser vermeiden, so daß auf die Feststoffe ausschließlich Reib- und Scherkräfte einwirken.

In die Trommel (10) werden oberflächig mit Schadstoffen verunreinigte Feststoffe (32) in Form einer aus Partikeln oder Stücken bestehenden Masse eingefüllt. Der Füllungs­ grad beträgt vorzugsweise 40 bis 70% des Trommelhohlraumes. Die Trommel (10) hat vorzugsweise ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 0,8 bis 1,2. Bei den Feststoffen (32) kann es sich um kontaminierten Erdaushub, Bauschutt, Straßenaufbruch oder Schrott handeln. Die Trommel (10) wird mit höchstens 60% der kritischen Drehzahl angetrieben. Während der Drehung der Trommel (10) erfolgt die Dekon­ tamination der Partikel der Feststoffe (32) durch mechanische Kräfte, insbesondere Reibkräfte während der Durchmischung. Die Druck- und Scherkräfte werden bei der Drehung der Trommel und der Mischung des Trommelinhalts minimiert; Schlagkräfte werden vermieden. Durch die Reibkräfte werden die kontaminierten Oberflächen­ schichten der Feststoffpartikel selektiv abgetragen.

Die festen, z. B. radioaktiven und sonstigen Kontaminanten reichern sich während der Trommeldrehung in feinsten, abgetragenen Partikeln an, die insbesondere Abmessungen von < 30 µm haben. Nach einer gewissen Zeit, die von der Art der Feststoffe, der Art der Kontamination, der Drehzahl usw. abhängt, sind die Kontaminanten weitgehend von den Oberflächen der Feststoffpartikel abgetragen. Es schließt sich dann eine an sich bekannte Klassierung des Trommelinhalts, z. B. mit Hydrozyklonen oder Sieben, an, um die Mischung in ein kontaminiertes, feinstkörniges Produkt und ein schadstoffabgerei­ chertes, grobkörniges Produkt zu trennen. Auf die oben beschriebene Art können alle festen, radioaktiven oder sonstigen oberflächig an- und/oder eingelagerten Kon­ taminanten abgetrennt werden, neben Uranium bzw. auch Radium, Thorium und sonstige Schadstoffe.

Die Erfindung wird an den folgenden zwei Beispielen näher erläutert:

Ausführungsbeispiel 1

Radioaktiv kontaminierter Erdaushub mit Uranium U_ges = 0,0036 Masse-%, Thorium Th_ges = 0,0015 Masse-%, Radium Ra = 45 pCi/g und SiO₂ = 80 Masse-% wird als Mahlgut in einer Porzellantrommel mit ebenfalls radioaktiv kontaminierten Stahlplätt­ chen gemischt. Die Parameter der Mischtrommel sind:

• - Durchmesser = 140 mm
• - Länge = 140 mm
• - Masse Erdaushub/Masse Stahlplättchen in der Trommel = 1/1
• - gesamte Feststoffmasse in der Mahltrommel = 3 kg
• - Trommeldrehzahl = 40 min^-1.

Die Stahlplättchen sind einseitig farbbeschichtet und haben die Abmessungen 10 × 10 × 3 mm. Ihre radioaktive Kontamination ist: α-Aktivität = 20 mBq/g, β/γ- Aktivität = 93 mBq/g.

Beim Mischen entstehen Teilchen mit Abmessungen kleiner als 20 µm. Nach Abtragung von 20 Masse-% des Erdaushubes ist die Kontamination im Erdaushub mit Partikeln der Abmessungen < 20 µm:
U_ges. = 0,001%, Th_ges. = 0,00008%, Ra = 4 pCi/g.

Die Kontamination im Material mit Partikeln < 20 µm beträgt dann:
U_ges. = 0,176% Th_ges. = 0,0072%, Ra = 209 pCi/g.

Tabelle 1 zeigt die Dekontamination der Stahlplättchen.

Tabelle 1

Verringerung der Kontamination des farbbeschichteten Stahles während des Mischens

Ausführungsbeispiel 2

Der Erdaushub gemäß Beispiel 1 wird unter sonst gleichen Bedingungen mit unbeschich­ teten Stahlplättchen gemischt.

Tabelle 2 zeigt die Dekontamination des Stahles. Die Dekontamination des Erdaushubes ist analog Beispiel 1.

Tabelle 2

Verringerung der Kontamination des unbeschichteten Stahles während des Mischens

Claims (13)

1. Verfahren zur Dekontamination von Feststoffen, die an ihren Oberflächen mit Schadstoffen belastet sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberflächen von mit den Schadstoffen belasteten Feststoffstücken oder Feststoffteilchen ausschließlich oder im wesentlichen ausschließlich Reib- und Scherkräfte durch Mischen mit Feststoffstücken bzw. Feststoffteilchen des gleichen oder eines anderen Materials ausgeübt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abtragen kontaminierter Teilchen diese von den schadstoffabge­ reicherten Feststoffstücken bzw. Feststoffteilchen getrennt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reib- und Scherkräfte kontinuierlich auf die Feststoffstücke oder -teil­ chen einwirken.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Reib- und Scherkräfte auf die Feststoffstücke oder -teilchen diese in einem Mischorgan wie Trommel gemischt werden.

5. Verfahren nach einem zumindest einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß kontaminierter Erdaushub und/oder kontaminierter Bauschutt und/oder kontaminierter Straßenaufbruch und/oder kontaminierter Stahlschrott mit schad­ stofffreien Feststoffstücken bzw. Feststoffteilchen größerer oder gleicher Härte gemischt wird und daß anschließend die feinstkörnigen Teilchen von den grob­ körnigen Teilchen getrennt werden.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein kontaminierter Feststoff einer ersten Zusammensetzung mit einem anderen kontaminierten Feststoff einer zweiten Zusammensetzung gemischt und anschließend eine Trennung der feinstkörnigen Feststoffteilchen, von den ande­ ren Feststoffteilchen durchgeführt wird.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit der Feststoffstücke oder -teilchen in dem Mischorgan durch deren umlaufende Last (Menge) vorgegeben wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffstücke oder -teilchen mehrfach das Mischorgan durchlaufen.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine motorisch antreibbare Trommel (10) für die Aufnahme des zu dekon­ taminierenden Materials ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von etwa 0,8 bis 1,2 hat, daß der Füllungsgrad der Trommel (10) im Bereich von 40% bis 70% liegt und daß die Trommel bei einer Drehzahl arbeitet, bei der eine Katarakt­ wirkung ausgeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl kleiner als 95%, vorzugsweise etwa 60% der kritischen Dreh­ zahl ist, bei der die Kataraktwirkung auftritt.

11. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel eine im wesentlichen glatte Innenfläche derart aufweist, daß eine Schlageinwirkung auf die Feststoffstücke oder -teilchen unterbleibt.

12. Verwendung von Stahlstücken als Mahlkörper in einer Vorrichtung nach An­ spruch 9.

13. Verwendung von Quarzpartikeln als Mahlkörper in einer Vorrichtung nach Anspruch 9.