DE69935531T2

DE69935531T2 - Apparat zur trennung von komponenten aus matrizen

Info

Publication number: DE69935531T2
Application number: DE69935531T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey K. Charlotte O'HAM
Original assignee: IR Systems International
Current assignee: Ir Systems International Huntersville Nc Us
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2019-11-13
Also published as: US20080119683A1; US20120184795A1; NZ512003A; CA2350146C; JP4585688B2; AU770768B2; DK1141976T3; CN1342319A; DE69935531D1; CA2350146A1; ID29545A; WO2000038196A2; BRPI9915316B1; US7244401B1; EP1141976A2; AU3995400A; WO2000038196A9; PT1141976E; WO2000038196A3; US8492606B2

Description

Seit den frühen 1950er Jahren haben die verschiedenen Abteilungen des Verteidigungsministeriums (DOD) und des Energieministeriums (DOE) der USA die Entwicklung und Herstellung nuklearer Waffen und verschiedene nukleare Materialien involvierender Energiekomponenten aggressiv betrieben. Der in diesen und anderen Prozessen mit verschiedenen Arten organischer und anorganischer Materialien eingesetzte Prozess der Verfeinerung nuklearer Materialien und des Dekontaminierens verschiedener Apparate hat Hunderttausende Tonnen Erdreich, Schlicker, Schutt und andere mit Radionukleotiden und verschiedenen gefährlichen und ungefährlichen organischen und anorganischen chemischen Bestandteilen kontaminierte Reststoffe erzeugt. Die Umweltschutzbehörde der USA (EPA) hat Radionukleotide und gefährliche oder ungefährliche Abfallbestandteile enthaltenden Abfall als Mischabfall definiert.
In der Vergangenheit wurde Mischabfall in der Regel in Behältern vor Ort in ausgewiesenen Sicherheitsbereichen oder Lagergefäßen gelagert oder in Deponiezellen oder -gräben entsorgt. Die Entsorgung von Mischabfall in DOD- oder DOE-Deponien oder -Gräben ist nicht mehr erlaubt. Wegen der Ausfertigung der EPA-Richtlinien ist es nicht gestattet, Mischabfall an einer durch die EPA autorisierte Anlage für gefährlichen Abfall oder einer Anlage für radioaktiven Abfall zu entsorgen, bis die Bestandteile voneinander getrennt und isoliert werden können.
Das Erfordernis, den Mischabfall an diesen Stellen aufzubereiten, verschärft sich aufgrund der Tatsache, dass das DOE und das DOD gegenwärtig größere Umstrukturierungsmaßnahmen durchlaufen, während zahlreiche DOE- und DOD-Anlagen im ganzen Land stillgelegt und für die Sanierung zur Nutzung für Leichtindustrie, Handel oder Wohngebiete dekontaminiert werden. Ein hoher Prozentsatz dieser Anlagen enthält Erdreich, Schlicker oder andere Reststoffe, was durch die EPA als Mischabfall definiert wird. Das Problem wird dadurch vergrößert, dass der in Gräben und Deponien vergrabene Mischabfall in einigen Gebieten erhebliche Auswirkungen auf Grundwasservorräte hatte. Diese Gebiete müssen in Übereinstimmung mit den EPA-Richtlinien aufbereitet werden, was in den meisten Fällen die Entfernung und Aufbereitung der die Verschmutzung verursachenden Materialien (nicht-liquide Matrizen) mit sich bringt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Verfahren, das in der Lage ist, gefährliche und ungefährliche organische und anorganische Bestandteile von nicht-liquiden Matrizen zu entfernen, ohne die Radionukleotide zu destabilisieren oder zu verteilen. Nach der Trennung wird der radioaktive Abfallstrom entweder an der DOE- oder DOD-Anlage in Übereinstimmungen mit den EPA-Richtlinien entsorgt oder er wird an einer durch die EPA autorisierten Anlage für radioaktiven Abfall entsorgt. Die Handhabung dieses Abfallstroms sorgt auf diese Weise für einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil. Gegenwärtig sind nahezu keine Verfahren verfügbar, um die Trennung des Abfallstroms auf eine umweltgerechte und kostengünstige Art und Weise durchzuführen. Das Verfahren ist kein Teil der vorliegenden Erfindung, aber es kann durch den Apparat der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
Neben dem Mischabfall beläuft sich die jährliche Erzeugung gefährlicher und ungefährlicher (chemisch kontaminierter) Abfälle in den USA allein auf schätzungsweise Hunderte von Millionen Tonnen. Industrien sind weltweit auf Herstellungsprozesse gestützt, die regulär Abfallprodukte erzeugen. Viele dieser Abfallprodukte werden als gefährlicher Abfall entsorgt, was sehr teuer ist. Es besteht ein Bedarf daran, einige der Rohmaterialien für die Wiederverwendung wiederzugewinnen, indem die Kontaminationsstoffe von verschiedenen Matrizen entfernt werden. Dies ermöglicht es der Industrie, die erzeugte Abfallmenge zu reduzieren, die Betriebskosten zu senken und gegenwärtige Richtlinien zu erfüllen.
Die Gefährdungen für die öffentliche Gesundheit und die Umwelt, die diese verschiedenen chemischen Bestandteile darstellen, sind gut bekannt und dokumentiert. Verschiedene Verfahren zur Zerstörung oder Zersetzung von gefährlichen Abfällen mit hohem Siedepunkt sind extrem kostspielig. Der Einsatz hochgradiger Energie zur thermischen Zerstörung einer gesamten Matrix gefährlichen Abfalls ist nicht sehr kostspielig, wenn der Kontaminationsstoff selbst einen geringen Anteil des Gewichtsvolumens darstellt. Auch, weil die nicht-liquide Matrix, die durch den Kontakt mit dem chemischen Bestandteil kontaminiert wurde, wenn möglich wiederverwendet oder recycelt werden sollte. Hinsichtlich Matrizen, die mit gefährlichen Abfällen, wie PCBs, Pestiziden, Herbiziden, PCPs, Dioxinen, Furanen und dergleichen kontaminiert sind, ist es kosteneffizienter, den Abfallstrom zu minimieren, der kostenintensive Zerstörungs- oder Zersetzungsverfahren erfordert, welche die massige nicht-liquide Matrix, die in der Regel zwischen 75 % und 90 % des Abfallstromvolumens ausmacht, zerstören.
In Reaktion auf einen am Markt bestehenden Bedarf an einer Technologie zur besseren Handhabung von Industrieprozessabfall, Mischabfall und gefährlichen Abfallströmen auf umweltfreundliche und kostengünstige Art stellt die Erfindung daher eine ökonomische Abfallminimierung und Ressourcenrecycling als eine alternative Option zum gegenwärtigen Stand der Technik bereit. O'Ham (US-Patentschrift Nr. 5,127,343) lehrt einen Apparat und ein Verfahren zum Dekontaminieren und Desinfizieren von Erdreich, insbesondere Erdreich, das Petroleumkohlenwasserstoffe, wie Benzine, Öle und dergleichen enthält, in einem Chargenprozess, in dem das Erdreich während der Behandlung stationär ist. Dieser Prozess wurde insbesondere in Reaktion auf den großen Bedarf des Marktes an vor Ort einsetzbaren Technologien zur Behandlung von mit Petroleumkohlenwasserstoff kontaminiertem Erdreich von Tankstellen und anderen verwandten Nutzern von Petroleumprodukten entwickelt, in Reaktion auf die regulatorischen Auflagen des Gesetzes über die Untergrundlagerung gefährlicher Substanzen und verwandter Richtlinien, die die Aufbereitung von mit Petroleumkohlenwasserstoff kontaminiertem Erdreich erfordern.
Der Stand der Technik verfügt über kein Mittel, um den während des Ladens und Entladens der Matrizen flüchtigen Staub zu kontrollieren. Erdreich wird normalerweise per Lader von der Halde zu der Verarbeitungseinrichtung transportiert. Dabei werden Kontaminierungsstoffe durch Verschütten und windgetragenen Staub verteilt. Sowohl Arbeiter als auch mögliche Passanten oder die Öffentlichkeit in der Nähe sind den Kontaminierungsstoffen sowie möglicherweise unkontrollierten Freisetzungen von Kontaminierungsstoffen in die Umwelt potenziell viel stärker ausgesetzt. Der Stand der Technik erfordert eine Stillstandzeit von 20 % und mehr, um den Prozessor zu warten. Erdreich wird direkt in eine Verarbeitungseinheit auf Siebe (Vakuumrohre) platziert, die von einem Filtermedium (Erbsenstein) umgeben sind. Siebe verstopfen leicht und erfordern kontinuierliche Reinigung zwischen den Chargen. Die Eingangstür wird abgesenkt, um einem vorderseitigen Lader den Eintritt in die Kammer und Ablagerung des zu behandelnden Erdreichs zu ermöglichen, und wird angehoben, um eine Bahn zu schaffen, auf der der Heizerwagen zur Behandlung auf die Kammer rollt. Die Scharniere der Eingangstür werden durch Matrizen und Filtermedien verstopft und müssen nach jeder Charge gereinigt werden. Diese Türen werden durch diesen Vorgang leicht beschädigt und es wird beinahe unmöglich, sie zu dichten, wobei Luft an dem Erdreich vorbei strömt, was zu unzureichender Behandlung führt. Außerdem führt ein Schaden an den Scharnieren dazu, dass die Zugangstür nicht mehr ausgerichtet ist. Wenn dies geschieht, ist die Bahn für den Wagen nicht ausgerichtet, was dazu führen kann, dass der Heizerwagen auf dieser Seite der Einheit von der Bahn fällt, was zu erhöhter Ausfallzeit führt.
Der Stand der Technik war in der Behandlung unzuverlässig. Die Luftströme durch das statische Bett sind ungleichmäßig und variabel, was zu Temperatursteigungen über die zu behandelnde Matrix führt. Durch verstopfte Siebe und Erbsenstein kommt es zu Luftumgehungen und der Unmöglichkeit, die Ladungstür abzudichten. Die Vakuumsiebe waren außerdem direkt unterhalb von nur ungefähr 50 % der Bettoberfläche des statischen Erdreichs platziert, was zu einer unzureichenden Behandlung im gesamten Erdreich oder „kalten Stellen" führt. Ungleichmäßige Erhitzung führt zu unangemessener Behandlung.
Der Stand der Technik verwendet kostspielige Filtermedien, die die Abfallhalden und Betriebskosten erhöhen.
Der Stand der Technik erfordert extensive Reinigung zwischen Vorgängen. Oftmals sind die Dekontaminierungsprozeduren nicht erfolgreich. Dies liegt an der Platzierung der Matrix direkt innerhalb der Behandlungskammer. Die Matrizen werden in die Zugangsbereiche des Apparats hart eingezwängt.
Der Stand der Technik führt Staubpartikel mit sich und lagert sie in das Emissionssteuersystem ab, was den Luftstrom behindert und zu zusätzlichem Wartungsbedarf führt.
Der Stand der Technik ermöglicht nur die Behandlung von Kohlenwasserstoffen.
Der Stand der Technik ist nur auf die Entfernung von Kohlenwasserstoffen durch Wärmeprozesse anwendbar.
Der Rückblick auf den Stand der Technik weist darauf hin, dass er auf die Entfernung von Kohlenwasserstoffen aus dem Erdreich beschränkt und in ökonomischer, ökologischer und sicherheitsrelevanter Hinsicht nicht für die Behandlung von verschiedenen flüchtigen organischen und anorganischen Chemikalien und Chemikalien mit einem hohen Siedepunkt geeignet ist.
Daher besteht ein Bedarf an der Trennung flüchtiger organischer und anorganischer Kontaminierungsstoffe von nicht-liquiden Matrizen und der Sammlung dieser Kontaminierungsstoffe für das Recycling oder die Wiederverwendung. Es besteht außerdem ein Bedarf an einem System, das die Wiederverwendung der dekontaminierten nicht-liquiden Matrizen ermöglicht. Dadurch entsteht ein gesellschaftlicher Vorteil durch das Bereitstellen einer ökologisch wertvollen Lösung für die Minimierung von Abfallströmen auf ökonomische Art und Weise.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Apparat nach dem unabhängigen Anspruch 1 für die Trennung von Abfallbestandteilen von Matrizen bereit. Die bevorzugten Ausführungsformen des Apparats werden in den abhängigen Ansprüchen definiert. Der Apparat kann ein Gefäß mit einem Boden und einer Oberseite umfassen; wobei die Oberseite einen Verteiler zum Entfernen von Gasen aufweist; und ein Mittel zum Heizen des Inneren des Gefäßes, das vorzugsweise in dem Boden des Apparats angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst der Apparat eine entfernbare Schale, vorzugsweise zwischen 1 und 4 Schalen. Der Apparat kann permanent montiert werden oder ist vorzugsweise mobil. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Apparat ferner ein Mittel zum Erzeugen eines Vakuums zum Entziehen von Gasen durch den Verteiler, vorzugsweise im Bereich von 0'' Quecksilber (0 Millimeter Quecksilber) bis etwa 29'' Quecksilber (736,6 Millimeter Quecksilber).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Form des Gefäßes rechtwinklig und umfasst von einer bis vier Seiten, wobei die Seiten der Schale oder der Schalen effektiv die Seiten des Gefäßes bilden, wenn sie in den Boden oder die Basis des Gefäßes eingeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gefäß keine Seiten auf. Die Schale umfasst vorzugsweise einen Boden mit Öffnungen, so dass der Boden der Schale Matrizen unterstützen kann und es dennoch der Luft gestattet, nach oben durch die Öffnungen und die Matrizen zu steigen. Der Boden kann beispielsweise ein Sieb oder geschlitzt sein.
Der Apparat kann in seinen Abmessungen variieren, abhängig von solchen Faktoren wie der Menge zu behandelnder Matrizen, der Position der Behandlungsstelle oder davon, ob die Einheit für die Befestigung an einer Stelle ausgelegt oder mobil ist, in einer Ausführungsform ist die Schale in Größe, Abmessung und Kapazität so, dass sie mit einem Gabelstapler in das Gefäß bewegt und geladen werden kann. In der Regel ist die Schale für großformatigere Operationen so ausgelegt, dass sie von oben mit Matrizen beladen wird, und weist eine Ladungskapazität von mindestens etwa 2,5 Kubikyard (1,9113875 m³) auf. Die Schale kann an einem Ende, das den Taschen für den Gabelstapler zum Entladen behandelter Matrix gegenüberliegt, auch ein Gatter mit Scharnieren umfassen. In einer weiteren Ausführungsform ist der Apparat für kleinformatigen Einsatz ausgelegt, wobei die Schale eine Kapazität von beispielsweise 1 Kubikfuß (28,3168 cm³).
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Apparat ferner ein Mittel zum mechanischen Agitieren der Matrizen. Der Apparat kann ferner ein Mittel zum Einführen von chemischen Behandlungszusätzen umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die untere Oberfläche der Oberseite oder des Verteilers ein Hochtemperatursilizium oder einen anderen wärmebeständigen Dichtring, um die Schale gegenüber der Oberseite oder dem Verteiler abzudichten, so dass die Luft durch die Schalen und in den Schalen enthaltene Matrizen und nicht um die Schalen herum geleitet wird. Gemäß einer Ausführungsform kann die Oberseite vertikal bewegt werden. In einer weiteren Ausführungsform enthält der Verteiler optional ein Trockenfiltermedium mit 1 bis 100 Mikron, der die in dem Reinigungsgasstrom enthaltenen Matrixpartikel absondert.
Der Apparat kann außerdem ferner ein Mittel zum Fernüberwachen des Betriebs des Apparats unter Verwendung eines Steuersystems und Signalgeber umfassen, um Informationen an einen Computer zu übermitteln.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner die Trennung von gefährlichen und ungefährlichen organischen und anorganischen Abfallbestandteilen von Matrizen bereit, umfassend: das Platzieren der Matrizen in einen Behälter; das Erhitzen der Matrizen; das Erzeugen eines Unterdrucks in den Matrizen, indem über den Matrizen ein Vakuum erzeugt wird; und das Entfernen der gasförmigen Bestandteile von den Matrizen. Die Matrizen werden unter radioaktiven Materialien, Industrieprozessabfallströmen, Erdreich, Schlicker, Aktivkohle, Katalysatoren, Aggregaten, Biomasse, Schutt, Sorbtionsmittel, Bohrschlamm, Bohrspänen und dergleichen ausgewählt. Die Siedepunkte der Bestandteile können beispielsweise von etwa 30 Grad Fahrenheit (1,111 °C) bis etwa 1600 Grad Fahrenheit (871,111 °C) reichen. Zu Beispielen von Bestandteilen, die entfernt werden können, gehören Ammoniak, Quecksilber, Quecksilberkomponenten, Cyanid, Cyanidkomponenten, Arsen, Arsenkomponenten, Selen, Selenkomponenten und andere Metalle und ihre Salze.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Bestandteile während der Abtrennung von Bestandteilen aus der Matrix nicht thermisch zerstört oder verbrannt. Es kann zu einer umkehrbaren Phasenveränderung der von der Matrix abgetrennten Bestandteile durch Kondensation oder physikalische Filtration oder Adsorption von Bestandteilen kommen. In einer Ausführungsform werden die Bestandteile für weniger als 0,5 Sekunden in der Matrix gehalten, nachdem die Desorptionstemperatur der Bestandteile erreicht worden ist.
Die Erfindung kann auch das Erhitzen der Matrizen auf indirekte Weise umfassen, indem sie Lichtenergie mit einem Emissionsspektrum zwischen 0,2 und 14 Mikron ausgesetzt werden. In einer Ausführungsform wird die der Infrarotenergie ausgesetzte Oberfläche der Matrizen zu einem Sekundäremitter und Reinigungsluft überträgt Wärme konvektiv an die Matrixoberfläche der beladenen Schale. In einer anderen Ausführungsform wird die der Lichtenergie ausgesetzte Oberfläche der Matrizen zum Emitter und überträgt Wärme konduktiv an Matrixschichten oberhalb den der Lichtenergie ausgesetzten Oberflächen. Die Erfindung kann ferner das Erhitzen der Matrizen durch konvektive Mittel umfassen, wodurch Hitze zu den Matrixschichten oberhalb der unteren Oberfläche der Matrix geleitet wird.
In einer besonderen Ausführungsform werden organische Chemikalien von den Radionukleotiden und anorganische metallische Bestandteile enthaltenden Matrizen getrennt. Die Bestandteile können wiedergewonnen und für Recyclingprozesse verfeinert werden. Die Erfindung kann ferner ein Mittel zum Reinigen von Gasdämpfen und zu kondensierenden und zu sammelnden Bestandteilen umfassen. In einer weiteren Ausführungsform wird der Entladeluftstrom unterhalb der Schalen rezirkuliert, um im Wesentlichen ein geschlossenes Regelkreissystem zu formen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Apparats.
2 zeigt Ansichten von oben, unten und von der Seite einer Agitatorschale.
3 zeigt verschiedene Ansichten einer statischen oder entfernbaren Schale, die in Ausübung der Erfindung verwendet wird.
Eingehende Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat zur Trennung von gefährlichen und ungefährlichen organischen und unorganischen Bestandteilen von verschiedenen Matrizen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Trennung dieser verschiedenen Bestandteile von Matrizen unter Verwendung eines oder mehrerer der folgenden Prinzipien: Niedrigtemperatur-Thermaldesorption, Strahlungsenergie, Konvektionserhitzung, Konduktionserhitzung, Luftstrippen, Vakuumdestillation, Verflüchtigung bei reduziertem Druck und chemische Verflüchtigung durch die Zugabe chemischer Zusatzstoffe und dergleichen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Aufarbeitung verschiedener Matrizen, während ein Primärergebnis des Prozesses die Bereitstellung einer Abfallminimierung und ein Ressourcenrecyclingvorteil ist. Vorzugsweise betrifft die Erfindung eine Aufarbeitung der folgenden Abfallstromgebiete: (1) Trennung gefährlicher und ungefährlicher organischer und anorganischer chemischer Bestandteile von mit Radionukleotiden kontaminierten Matrizen, ohne das Radionukleotid zu verteilen oder zu destabilisieren, die Kontaminierungsstofftrennung von Rohmaterialien und gefährlichen und ungefährlichen organischen und anorganischen chemischen Bestandteilen von einem Industrieprozessabfallstrom; und (2) die Trennung gefährlicher und ungefährlicher organischer und anorganischer chemischer Bestandteile von verschiedenen Matrizen, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Schlicker, Erdreich, Aktivkohle, Katalysatoren, Aggregate, Biomasse, Schutt und dergleichen.
Der Matrixbestandteiltrenner stellt eine gesteuerte Luftstromverteilung bereit, die dem Stand der Technik fehlte. Der Matrixbestandteiltrenner ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung eines Luftstroms und von durch die Matrizen gezogener Wärme, die sowohl in der statischen als auch in der agitierten Schale enthalten ist, um eine vollständige Desorption der in dem gesamten Matrixvolumen enthaltenen Bestandteile zu ermöglichen. Bei der Desorption von flüchtigen oder halb-flüchtigen organischen und flüchtigen anorganischen Chemikalien ermöglicht das Fehlen beweglicher Teile in der Behandlungskammer geringe Wartung und stellt eine Produktionserhöhung und entsprechende wirtschaftliche Vorteile bereit.
Dieser Prozess ermöglicht, falls gewünscht, die vollständige Desorption, Trennung und Sammlung aller gefährlichen und ungefährlichen organischen und anorganischen chemischen Bestandteile von einer radioaktiv kontaminierten Matrix, ohne die enthaltenen Radionukleotide zu verteilen oder zu destabilisieren.
Durch die beträchtliche Volumenverringerung der weitere Handhabung erfordernden Abfallmenge stellt der Matrixbestandteiltrenner eine effiziente, kosteneffektive Trennung zur Wiedergewinnung von gefährlichen und ungefährlichen organischen und anorganischen chemischen Bestandteilen und Matrizen für Recycling, Wiederverwendung, ökonomische Entsorgung oder Weiterbehandlung der gefährlichen Bestandteile bereit.
Der Aufbau des vorliegenden Behandlungsapparats maximiert die ökonomischen Vorteile und die Verwendung der in dem System verwendeten Brennstoffe, um Strahlungsenergie zu erzeugen. Der Prozess ist außerdem effizient, weil er für die Desorption der Chemikalien von den Matrizen während des Behandlungsprozesses keine Hilfsbrennstoffe verwendet, oder um die verdampften Bestandteile nach der Desorption von den Matrizen zu kondensieren und zu sammeln.
Der Gesamtprozess erzielt eine erhebliche und erwünschte Volumen- und Massereduktion in dem Abfallstrom, der dann recycelt, bei ökonomischen Vorteil wiederverwendet und zu erheblich geringeren Kosten entsorgt oder weiterbehandelt werden kann. Das Volumen der chemischen Kontaminierungsstoffe, die entweder in die Atmosphäre emittiert oder deponiert werden, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erheblich reduziert, da es ein Mittel zum Trennen, Aufarbeiten, Sammeln, Reinigen und Wiedergewinnen kommerzieller Produkte aus kontaminierten Matrizen, einschließlich der Matrizen selbst, bereitstellt.
Das Verfahren nach dem Stand der Technik beinhaltet Heizmaterial von oben und zwängt Luft durch das Material nach unten. Dieser Vorgang widerspricht physikalischen Gesetzen und verzögert den Behandlungsprozess. Im Stand der Technik wird Konvektivhitze nicht von den Brennern erfasst, wenn Luft nach unten durch das System gezogen wird. Es kann beobachtet werden, dass das meiste der Konvektivwärme von der Oberseite des Prozesses ansteigt und entweicht. Der Matrizenbestandteiltrenner (MCS) erhitzt das Erdreich von unten und das Heizerabgas und die erwärmte Luft verlassen das System durch die Matrix. Der Prozess ist effizient und weil die Hitze natürlich ansteigt, erfordert er keine entgegengesetzte Kräfte, um die Luft durch die Matrix zu treiben. Die nach oben gerichtete Bewegung der Luft komprimiert oder kompaktiert die Matrix nicht, wodurch ein freier Luftstrom durch die Matrix ermöglicht wird. Der Stand der Technik verursachte die Verdichtung der Matrix, was sowohl den Luftstrom durch das System als auch die Behandlungseffektivität behindert.
Der MCS ist vorzugsweise tragbar, da die Kosten für das Transportieren der Einheit zu der zu behandelnden Stelle viel geringer sind als die Kosten dafür, die Matrizen zur Behandlungsstelle und zurück zu dem Ort zu transportieren, wo die Matrizen als Füllmaterial oder für die Wiederverwendung oder die Entsorgung zu verwenden sind.
Der Apparat stellt das Laden der Matrizen in Schalen, die am Boden mit Sieben versehen sind, bereit, die mechanisch in einen Heizrahmen platziert werden, der einen reflektiven Boden und drei vertikale Seiten aufweist und an der Oberseite zur Atmosphäre hin offen ist, wodurch ein Vakuum oder zumindest ein Teilvakuum durch die Oberseite des Behälters hergestellt wird, um einen Durchzug nach oben durch die im Allgemeinen locker gepackten Matrizen bereitzustellen, wobei die Matrizen von unten erhitzt werden und die heißen Gase nach oben hinter oder mit den Gasen vermischt gezogen werden, wodurch die Kontaminierungsdämpfe von den Matrizen freigegeben und aus den Schalen und dem Verteilerrahmen entfernt und bei Bedarf in einem Luftemissionssteuersystem gesammelt werden. Schließlich werden die die behandelten Matrizen enthaltenden Schalen aus dem Heizrahmen entfernt und auf kontrollierte Weise abkühlen gelassen, während ein weiterer Satz von Schalen behandelt wird. Sobald die in den Schalen enthaltenen Matrizen abgekühlt sind, werden sie in den Schalen auf kontrollierte Weise rehydratisiert. Die Matrizen werden dann aus den Schalen entfernt, so dass flüchtige Emission oder Staub minimiert wird.
Luft wird durch die offene Basis des Systems zu einem Punkt gezogen, der am weitesten von der Wärmequelle entfernt ist. Dieser Luftstrom erfüllt zwei Funktionen: (1) Ziehen der Konvektionswärme durch die Quelle, um die nicht-liquiden Matrizen zu erhitzen, die der Lichtenergie nicht ausgesetzt sind; und (2) Reduzieren des Dampfdrucks innerhalb der Behandlungskammer. Zweitens verringert das Senken des Drucks den Siedepunkt der aus den behandelten Matrizen befreiten Kontaminierungsstoffe. Das Dampfdruck/Siedepunkt-Verhältnis wird durch die folgende wohlbekannte empirische Gleichung für spezifische Substanzen ausgedrückt, für die a- und b-Werte wohlbekannt sind, wobei p = Druck in mm Quecksilber; T = Temperatur in Grad Kelvin; a und b sind in dem CRC-Handbuch für Chemie und Physik, 69. Ausgabe (1988) beginnend mit Seite D-212 gegebene Konstanten.
Log 10p = 0,05223a dividiert durch T plus b
Dies ermöglicht die Entfernung von Kontaminierungsstoffen mit höheren Siedepunkten bei geringeren Temperaturen. Die zur Erhitzung des Systems benötigte Energie beträgt etwa ein Viertel dessen, was von anderen thermischen Behandlungssystemen benötigt wird. Das Vakuum wirkt ebenso auf physikalische Weise. Durch physikalisches Ziehen und Sättigen der behandelten Matrizen mit Luft wird die erhitzte Luft die anderen Gase ersetzen und aus den Behandlungsschalen wischen, was zu der Effektivität des Systems beiträgt.
In der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Abfallmatrizen in Schalen platziert und auf die Heizerbasis geladen, wobei ein Lüfter Luft durch das System zieht, die durch das System auf die Matrizen durch den Siebboden der Schale wirkt. Die Heizer werden aktiviert und erhitzen die Matrizen gleichmäßig und gründlich bis zu einer Tiefe zwischen dem Bereich von weniger als ein Zoll bis mehr als drei Fuß. In der Regel werden die Matrizen bis zu einer Tiefe im Bereich von zwischen 4 Zoll (10,16 cm) und 18 Zoll (45,72 cm) erhitzt. Die effektive Tiefe der Erhitzung kann leicht von einem Fachmann bestimmt werden und wird von solchen Faktoren beeinflusst wie Wärmequelle, physikalische Eigenschaften der Matrize und dergleichen. In den Prozess an allen Stellen unterhalb der Matrizen eintretende Umgebungsluft wird ebenfalls erhitzt und nach oben durch die Matrizen gezogen, wobei sie Wärme zu den oberen Schichten der Matrizen trägt. Die Kombination aus Wärme und reduziertem Druck entfernt die Kontaminierungsstoffe aus den Matrizen und der Luftstrom zieht die entfernten Kontaminierungsstoffe aus dem Behandlungsprozess durch ein Emissionssteuer- oder Sammelsystem. Die Matrizen können agitiert werden und die Behandlung kann bei Bedarf nicht-thermischer Natur sein.
Bei dem System handelt es sich um einen Chargenbehandlungsprozess, der zur Trennung gefährlicher und ungefährlicher organischer und anorganischer chemischer Bestandteile von verschiedenen festen und halb-festen Matrizen verwendet wird. Diese Matrizen enthalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt, radioaktiv kontaminierte Matrizen, Industrieprozessabfallströme, Schlicker, Erdreich, Aktivkohle, Katalysatoren, Aggregate, Biomasse, Schutt und dergleichen. Die chemischen Bestandteile werden von den Matrizen durch Erhitzen der Matrix in einer Schale getrennt, während reichhaltige Luftvolumina oder andere Gase durch die Matrix abgeführt werden. Der Reinigungsgasstrom fließt durch eine Reihe nicht destruktiver Emissionssteuerkomponenten, die die chemischen Bestandteile von dem Luftstrom durch physische Trennung, Kondensation und Absorption entfernen. In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung die folgenden Komponenten, ist jedoch nicht darauf beschränkt:
Trockenpartikelfilter
Kondensiersystem
HEPA-Filter
Kohlenstoffabsorbtion
Flüssigwäscher
Umkehrosmose
Chemische Ausfällung
Physische Phasentrennung
Schmelzfilter
Der Apparat der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben werden:

2:

1: Wellenstützbalken, der das Lager und die Welle beherbergt, die mit den Matrixmischschnecken verbunden sind.
2: Geschlitzter Siebboden der Schale, die die kontaminierten Matrizen während der Verarbeitung enthält.
3: Mischschnecke, die sich durch die in der Schale enthaltene Matrix bewegt, um das Mischen der Matrizen während der Verarbeitung zu erleichtern.
4: Hydraulikmotor, der die Mischschnecken antreibt.
5: Slave-Zahnrad, das die Leistungsanforderungen verringert und die Schnecken antreibt.
6: Antriebskette, die das Slave-Zahnrad und das Antriebsrad verbindet.
7: Antriebsrad, das mit dem Hydraulikmotor verbunden ist, um die Mischschnecken anzutreiben.
8: Schutzgehäuse, um den Hydraulikmotor vor schädlicher Umgebung zu schützen.
9: Hydraulikmotor, der Mischschnecken antreibt.
10: Antriebsrad, das mit dem Hydraulikmotor zum Antreiben der Mischschnecken verbunden ist.
11: Antriebskette, die das Slave-Zahnrad mit dem Antriebsrad verbindet.
12: Slave-Zahnrad, das die Energieanforderungen verringert und die Schnecken antreibt.
13: Geschlitzter Siebboden der Schale, die die kontaminierten Matrizen während der Verarbeitung enthält.
14: Agitatorschale, die zum Verarbeiten von Matrizen vor, während und nach der Einführung chemischer Zusatzstoffe verwendet wird, um die Behandlung bestimmter anorganischer Kontaminierungsstoffe zu ermöglichen.
15: Mischschnecke, die sich durch die in der Schale enthaltene Matrix bewegt, um das Mischen der Matrizen während der Verarbeitung zu erleichtern.
16: Hochtemperaturstützlager, das die Rotation des Slave-Zahnrads ermöglicht.
17: Zentrale Antriebswelle, an der die Schnecken befestigt sind.

3:

18: Geschlitzter Siebboden der Schale, die die kontaminierten Matrizen während der Verarbeitung enthält.
19: Scharnier zum Ablassen des Gatters für die Entfernung der Matrix nach der Behandlung.
20: Ablassgattertür, die zum Ablassen der Matrizen offen schwingt.
21: Ablassgatterriegel, der das Öffnen des Gatters während der Behandlung verhindert.
22: Aufnahmetasche, die das Bewegen, Laden, Entladen und Ablassen der Schalen durch einen Gabelstapler ermöglicht.
23: Ablassgatterriegel, der das Öffnen des Gatters während der Behandlung verhindert.
24: Scharnier zum Ablassen des Gatters für die Entfernung der Matrix nach der Behandlung.
25: Aufnahmetasche, die das Bewegen, Laden, Entladen und Ablassen der Schalen durch einen Gabelstapler ermöglicht.
26: Geschlitzter Siebboden der Schale, die die kontaminierte Matrix während der Behandlung enthält.
27: Bodensiebträger zum Unterstützen des Gewichts der in die Schalen geladenen Matrix.
28: Gabelstapler-Aufnahmetasche, die das Bewegen, Laden, Entladen und Ablassen der Schalen durch einen Gabelstapler ermöglicht.
28a: Gabelstapler-Aufnahmetasche, die das Bewegen, Laden, Entladen und Ablassen der Schalen durch einen Gabelstapler ermöglicht.

1:

29: Prozessbrenner
30: Strahlungschlauchemitter
31: Brennabgaslüftungen
32: Heizerbasisanordnung
33: Hochtemperatursilikondichtringmaterial, das den Abgasverteiler an die Oberkante der Schale abdichtet.
34: Filtermedium mit 1 bis 100 Mikron und Trägerrahmen, der als physikalische Schranke dient, um Partikel daran zu hindern, das System in dem Luftstrom zu verlassen.
35: Luftextraktionsverteiler
36: Hydraulikzylinder zum Anheben des Abgasverteilers
37: Abgasauslass
38: Erdreichbehandlungsschale.

Die Chemikalien können für erneutes Verfeinern, Weiterbehandlung, Entsorgung oder Recycling von diesen verschiedenen Komponenten wiedergewonnen werden, ohne die chemischen Bestandteile zu zerstören. Der resultierende Entladungsluftstrom ist entweder frei von oder enthält minimale Konzentrationen chemischer Bestandteile. Dieser Prozess kann verwendet werden, um separate chemische Bestandteile von den radioaktiv kontaminierten Feststoffen zu trennen, ohne die Radionukleotide mit den chemischen Bestandteilen zu vermischen.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung eine Basis, die eine Vielzahl von Heizern, vorzugsweise Infrarotheizern, enthält, die unter den Matrizen angeordnet und in einen tragbaren Heizerrahmen platziert sind, wobei die Heizer nach oben auf die unteren Oberflächen der Matrizen gerichtet sind. Der Apparat sieht außerdem vor, dass die Basis der Heizer permanent für die meisten Anwendungen an den Verteilerrahmen montiert werden kann. Ein Extraktionslüfter oder eine Vakuumpumpe stellt den Impetus für die Aufwärtsbewegung der Kontaminierungsstoffe durch die Matrix bereit, die durch den Extraktionslüfter oder Vakuumpumpe nach oben austreten oder bei Bedarf in einem Luftemissionssteuersystem gesammelt werden können. An diese Basis wird der Vakuum- oder Abgasverteiler durch zwei Hydraulikzylinder verbunden. Die untere Oberfläche des Verteilers ist mit einem temperaturbeständigen Dichtringmaterial abgedichtet. Der Verteiler wird hydraulisch angehoben, um die Beladung und Entladung der mit Siebboden versehenen Matrixschalen auf die Heizerbasis zu ermöglichen. Nach der Ladung wird der obere Verteiler abgesenkt und auf die Oberkante der Schalen gedichtet. Dies ermöglicht das Hochziehen der Luft nach oben durch die Matrix und die Schale und nicht darum herum.
Der bevorzugte Apparat besteht aus fünf Hauptkomponenten: Verteiler; Verarbeitungsschalen; Reinigungsluftlüfter; Heizerbasis; Emissionssteuersystem. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Schalen in der Regel auf etwa 8' × 8' × 17'' (2,4384 m × 2,4384 m × 0,43 m) bemessen und enthalten ein geschlitztes flaches Edelstahlsieb. Die Abfallmatrix wird in die mit Sieb versehene Schale geladen und die Schale wird auf der Heizerbasis platziert.
Die Heizerbasis besteht in der Regel aus 1 oder 4 oder mehr Schalenaufnahmen und weist ein Gerüst von darin montierten Heizern auf, wobei ausreichend Abstand zwischen der Heizerbasis und dem Verteiler besteht, um die Schale einzuführen. Sobald die Schale eingesetzt und der Verteiler gesenkt wird, forcieren die Extraktionslüfter Luft durch die Matrix, während die Heizer das Erdreich beleuchten.
Die Oberfläche der Matrix wird erhitzt und der Reinigungsgasstrom bewegt sich durch die Matrix, wobei er Wärme von der Matrixoberflächenschicht, die der Lichtenergie ausgesetzt ist, konvektiv an die tiefer in der Schale positionierten Matrixmaterialien überträgt. Der konduktive Wärmetransfer tritt in der Schale auf, wenn die Matrixpartikel solche Partikel berühren, die der Lichtenergie ausgesetzt sind, sowie solche Partikel, die konvektiv erhitzt worden sind. Der Reinigungsluftstrom erzeugt eine Gleichgewichtsumschichtung, in der ein Dampfzustand erhöht wird. Chemikalien bestehen in den Matrizen als Feststoffe, Liquide und Dämpfe in einem Gleichgewicht. Wärme verschiebt das Gleichgewicht und erzeugt mehr Dampf. Wenn dieser Dampf verschoben wird und durch die Reinigungsluftdampferzeugung aus dem System gefördert wird, wird er weiter verstärkt, wenn das System versucht, einen Gleichgewichtszustand wieder herzustellen.
Der Matrixbestandteiltrenner ermöglicht das Laden der Schalen in dem Haldenbereich und die Schalen, die sowohl Matrix als auch Kontaminierungsstoffe enthalten, können auf kontrollierte Weise zu der Verarbeitungseinheit transportiert werden, ohne dass Kontaminierungsstoffe verteilt oder flüchtige Emissionen freigesetzt werden. Dieser neue Prozess macht es auch unnötig, dass Arbeiter die Verarbeitungseinheit betreten um sie von Matrizen, verbrauchten Erbsenkiesel-Filtermedien und Vakuumschläuchen zu säubern. Dies minimiert die Gesundheits- und Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Aussetzung gegenüber kontaminierenden Dämpfen, Wärmebelastung, Verbrennungs- und Rückenproblemen bei der Arbeit in extrem heißen Umgebungen mit schweren Materialien.
Der MCS-Prozess ermöglicht, dass die mit einem Siebboden versehenen Schalen in einen Rahmen geladen werden, wobei Siebverstopfung, Probleme mit zugesetzten Türfiltern und die damit verbundenen Wartungsausfälle verhindert werden. Der MCS-Prozess enthält aus diesem Grund praktisch keine Ausfallzeiten. Sollte Wartung an dem Sieb an einer bestimmten Schale erforderlich sein, kann diese erfolgen, während andere Schalen Behandlung unterlaufen. Im Stand der Technik führt die Wartung des Prozessors zu Produktionsverlust. Der Oberflächenbereich des statischen Betts des MCS-Prozessors wird vollkommen auf ein Sieb platziert, was zu einer Abdeckung von 100 % führt.
Der MCS-Prozess eliminiert die Ladungstür und fördert gleichmäßige Luftströme durch die Matrix und gleichförmige Behandlung. Der Bedarf an teuren Filtermedien wurde eliminiert, wodurch die Prozesskosten gesenkt und zu entsorgender Restmüll minimiert werden. In dem MCS wurden all diese Probleme eliminiert, da die Matrizen nicht im Kontakt mit Prozessausrüstung stehen.
In dem MCS-Prozess verhindert eine physische Barriere von 5 bis 100 Mikron den Einschluss und die Wanderung von Kontaminationsstoffen und Partikeln in Emissionskontrollkomponenten. Dies sorgt für einfache und effiziente Dekontaminierung.
Der MCS-Prozess kann mit mechanischen Agitatoren versehen sein, so dass die Matrizen chemisch durch Mischen und durch den Zusatz chemischer Verbindung behandelt werden können, die zum Verflüchtigen oder Vergasen von Kontaminationsstoffen verwendet werden, die den Schalen entzogen und in dem Emissionssteuersystem gesammelt werden.
Der MCS-Prozess ermöglicht die gesteuerte Rehydratisierung des behandelten Abfalls, um Staub zu kontrollieren und die Matrix für die Wiederverwendung vorzubereiten. Dies ist im Stand der Technik nicht durchzuführen. Die Produktion wird nicht beeinträchtigt, da die Rehydratisierung der Schalen erfolgen kann, während andere Schalen behandelt werden. Beim Stand der Technik müsste die Rehydratisierung in der Behandlungskammer erfolgen, so dass zusätzliche Produktion nicht möglich ist. Rehydratisierung in der Kammer führt außerdem zu einer Ansammlung von Wasser in der Kammer, die eine Auswirkung (Steigerung) der Behandlungszeit der nächsten Charge zur Folge hat, was die Produktion beeinflusst.
Der MCS-Prozess ist so konfiguriert, dass er zur Überwachung der Matrixtemperatur, Luftströme, Drücke und Prozessemissionssteuerungskomponenten mittels Signalgeber und Thermokuppler praktikabel ist. Dies ermöglicht es Operatoren, den Behandlungsprozess genau zu steuern. Dem Stand der Technik fehlt diese Steuerung und er könnte in dem Matrixgefäß praktisch nicht eingesetzt werden. Die Verwendung der Prozesssteuerungen begrenzt auch die Anzahl der für den Betrieb des Systems erforderlichen Arbeiter, womit die potenzielle Aussetzung gegenüber Gesundheits- und Sicherheitsrisiken beschränkt wird. Beide Vorteile machen das System hinsichtlich der Kosten konkurrenzfähiger.
Der MCS-Prozess ist ein ökonomischeres und effizienteres Mittel der Behandlung als der Stand der Technik.
Das Verfahren des Ladens und Entladens des Prozessors aus dem Stand der Technik erfordert erhebliche Ausfallzeiten zwischen den Chargen, was die Produktionseffizienz und den ökonomischen Nutzen beeinträchtigt. Der Prozessaufbau des MCS-Verfahrens realisiert erhebliche Produktionseffizienzen und ökonomischen Nutzen gegenüber dem Stand der Technik, was zum Teil zu einer Verbesserung der Ausfallzeit zwischen den Chargen aufgrund von Ent- und Beladung der Behandlungskammer mit Matrizen führt.
In dem vorliegenden System werden alle Bestandteile zu Dampf umgewandelt und werden pneumatisch durch den Luftstrom in ein Emissionssteuersystem übermittelt. Da Reinigungsluftvolumina exzessiv sind, kann ein Mittel zur physischen Trennung von Partikeln, die in dem Reinigungsgasstrom enthalten sind, verwendet werden. Ein Trockenpartikelfilter mit Porenräumen, die in einem Bereich von 1 bis 100 Mikron liegen, wird in den Verteiler genau oberhalb der Schalendichtringe eingearbeitet. Diese physische Barriere stoppt diese Partikel und trennt sie von den enthaltenen Dämpfen. Die Dämpfe durchqueren einen Kondensator, wo sie zu einer Flüssigkeit kondensiert werden. Von dieser Prozessstufe werden die Dämpfe und Reinigungsgasluft durch einen HEPA-Filter geleitet, der in der Regel darauf ausgelegt ist, dass Partikel in einer Größe von bis zu 0,1 Mikron ausgesiebt werden. Die Reinigungsluft wird durch Kohle geleitet, um sie weiter zu reinigen. Die Luft wird schließlich an die Atmosphäre freigegeben oder als Reinigungsluft wieder in den Prozess eingeführt. Wäscher, gestufte Kondensation und dergleichen können ebenfalls verwendet werden, um die Entfernung der Reinigungsgasluft zu erzielen.
Die Matrizen in den Schalen können mechanisch agitiert werden und chemische Zusatzstoffe können in die Matrix eingeführt werden, um den Prozess zu verstärken oder Bestandteile in eine flüchtigere Form zur Trennung umzuwandeln. Dies wird mit Hilfe eines schneckenförmigen Paddels erzielt, das sich in der Schale dreht, um die Matrizen zu mischen. Dies kann auch mit einem Zugriegel erfolgen.
In der Regel ist der Extraktionslüfter der einzige sich bewegende mechanische Teil, der das System antreibt. Das System kann auch in einer bestimmten Ausführungsform modifiziert werden, wobei die Agitatorschalen für die Behandlung bestimmter chemischer Bestandteile verwendet werden. Diese Schalenböden können gedeckelt sein, um ein Vakuum zu erzielen, welches von 0'' (0 mm) bis etwa 29'' (736,6 mm) Quecksilber reicht. Dies kann die Gleichgewichtsverschiebung weiter verstärken. Das Ergebnis ist, dass chemische Bestandteile von den Matrizen getrennt und in dem Emissionssteuersystem gesammelt werden, ohne sie zu zerstören.
Anorganische und bestimmte organische Bestandteile können durch das System, das mit der Verwendung eines Schalenagitators und/oder chemischer Zusetzung gekoppelt ist, getrennt werden. Einige dieser Prozesse können nicht-thermisch erfolgen. Beispielsweise kann eine mit Cyanidsalzen oder organisch gebundenen Cyaniden kontaminierte Matrix in einer statischen Schale platziert werden, wenn die Matrix in der Zusammensetzung und Permeabilität homogen ist, oder in einer Agitatorschale, wenn sie dies nicht ist. Der Zusatz von Schwefelsäure, Stickstoffsäure, Salzsäure oder anderer Säuren erzeugt ein Wasserstoffcyanidgas, das von der Matrix entzogen und durch einen kaustischen Wäscher geführt wird, um Natriumcyanid zu erzeugen, das dann gesammelt und recycelt werden kann. Die Matrix kann dann mit Kaustik neutralisiert werden und für mögliche Wiederverwendung aufbereitet werden.
Quecksilber, Arsen, Selen und andere Übergangselemente können von einer Matrix befreit werden, indem die Matrix zuerst sauer gestellt wird und dann oxidiert wird, um die Metalle in ihren Grundzustand zu versetzen. Der Zusatz von Zinnchlorid oder Sulfat bewirkt die Ausbildung des Hydridgases der Verbindung, wobei die in Frage stehenden Verbindungen freigesetzt werden, die gesammelt und durch einen Säurewäscher geleitet werden.
Ammoniak kann aus der Matrix entfernt werden, indem der pH-Wert kaustisch erhöht wird und die Dämpfe in Borsäure gesammelt werden.
Der mechanische Agitator besteht aus einem hydraulisch angetriebenen Prozess, der unterhalb des Schalenbodens durch eine Kette angetrieben werden kann. Die Schalenoberfläche enthält zwei Schnecken, die über den Boden des Siebes verlaufen. Die Schnecke steigt in der Mitte um etwa 2 Zoll an, wodurch die Matrix durch Anheben geknetet wird. Die Schnecken sind an einer Welle befestigt, die unterhalb des Schalensiebs vorragt. Diese Welle ist in der Regel in der Mitte der Schale angeordnet. Die Hydraulikmotorwelle erstreckt sich durch den mit dem Sieb versehenen Boden der Schale. An diese Welle ist auch ein Zahnrad befestigt. Eine C-Antriebskette verbindet die beiden Zahnräder. Wenn sich die Motorwelle dreht, dreht sich die Slave-Welle, wodurch die Schecken durch die Matrix gedrängt werden.
Die Heizerbasis enthält in der Regel 8 bis 12 Strahlungsheizer, die nach oben auf die Matrix gerichtet sind.
Der Stand der Technik weist eine Reihe von mit Ausnehmungen versehenen Kammern auf, in denen rohrförmige Siebe eingesetzt und an einem Ende an einem Verteiler und die Oberseite der Siebe befestigt werden. Das zu behandelnde Erdreich lagert auf dem Boden der Kammer und auf der Oberseite der Siebe. Die zurückgesetzten Bereiche und die Siebe werden schnell verstopft. Dies führte zu ungleichmäßiger Erhitzung des Erdreichs, was zu schlechter und ungleichmäßiger Behandlung führte. Das Erdreich, das die Siebe verstopft, muss manuell entfernt werden, was zu Prozessausfallzeit und Gesundheits- und Sicherheitsbedenken für die Arbeiter führt.
Der vorliegende Prozess setzt keine Reihe von mit Ausnehmungen versehenen Kammern mit Sieben ein, in denen die Matrix während der Behandlung lagert. Die Prozesskammer ist von den Behandlungsschalen getrennt. Die Kammer ist mit einem Rahmen ausgerüstet, in dem eine die Matrix enthaltende Schale platziert wird. Die Schale weist einen sich selbst reinigenden, mit einem Sieb versehenen Boden auf, der sich selbst von etwaigen Verstopfungen reinigt, die in dem Abladeprozess auftreten können.
Der Siedepunkt eines Liquids ist die Temperatur, bei der der Teildruck der Substanz gleich ihres Dampfdruckes ist. Es besteht eine direkte Verbindung zwischen der Endbehandlungstemperatur und dem Systembetriebsdruck. Bei Betrieb des Systems wird der Druck reduziert und die für die Entfernung von Verbindungen durch Verflüchtigung erforderliche Behandlungstemperatur wird gesenkt. Der MCS verwendet dieses Prinzip der Siedepunktverringerung, indem der Systemdruck gesenkt wird. Der Systemdruck wird von etwa 0'' (0 mm) Quecksilber auf etwa 1'' bis 30'' (25,4 mm bis 762 mm) Quecksilber gesenkt. 1 zeigt Beispiele für dieses Verhältnis für Wasser, Aceton, TCE und PCE.
Figur 1 Näherungssiedepunkte von Verbindungen bei reduziertem Druck
Vakuum wird als totales Vakuum in Zoll (Millimeter) Quecksilber ausgedrückt.
Unter Bezugnahme auf 1 ist leicht ersichtlich, dass das Verhältnis zwischen dem Siedepunkt und dem Systemdruck, obschon direkt, nichtlinear ist. Diese Nichtlinearität wird durch die Clausius-Clapyron-Gleichung beschrieben:
wobei:

p*: der Dampfdruck (atm) bei der Temperatur T* (*R) ist;
p: der Dampfdruck (atm) bei der Temperatur T* (*a) ist;
R: die allgemeine Gaskonstante (BTU/mol-*R) ist; und
delta-H_Verd: die Wärme der Verdampfung (BTU/lb)

Drei für die obige Gleichung gemachte Annahmen gelten: 1) Die Änderung des Molekularvolumens ist gleich dem Molekularvolumen von Gas; 2) das Gas verhält sich als ideales Gas; und 3) die Enthalpie der Verdampfung (delta-H_Verd) ist unabhängig von der Temperatur. Tabelle 1 vergleicht den Siedepunkt der Tabellendaten mit dem mittels der Clausius-Clapyron-Gleichung berechneten Siedepunkt für verschiedene Chemikalien bei einem Druck von etwa 25'' (635 mm) Quecksilber.
Ein weiterer wichtiger Parameter, der den Luftstrom betrifft, ist das Luftstrippen. Luftstrippen ist der Prozess der Verwendung des Trägergases Luft, um die Kontaminierungsstoffe von den nicht-liquiden Materialien zu entfernen. Die Geschwindigkeit, mit der ein Kontaminierungsstoff von dem Erdreich gestrippt wird, hängt von seinem Dampfdruck und seiner Stabilität in Wasser ab. Dieser Prozess kann durch das Henrysche Gesetz durch die folgende Gleichung beschrieben werden: Pa = Xa × k(T), Gleichung 2wobei

P_a: der Teildruck einer Komponente a ist,
k: die Konstante nach dem Henryschen Gesetz für eine Komponente bei einer Temperatur T ist;
X_a: der Molekularanteil von a in einer Lösung ist (X_a ist klein).

Daher findet die Desorption jedes Kontaminierungsstoffes durch den gesamten Prozess statt, nicht nur, wenn der Siedepunkt jeder einzelnen Verbindung erreicht wird.
Chemische Verflüchtigung besteht aus einer zweistufigen chemischen Reaktion, die unten gezeigt wird.
wobei:

C: die spezifische (und reine) Chemikalie mit einem definierten Siedepunkt (T_SP) ist;
C(l): die obige Chemikalie in der Liquidphase und bei einiger Temperatur T ist;
C(g): die obige Chemikalie in der Gasphase und bei einiger Temperatur T ist,
T_o: die Umgebungstemperatur ist,
T_SP: die Siedepunkttemperatur ist.

In der ersten Reaktion wird die Temperatur des Kontaminierungsstoffes (oder der Chemikalie) erhöht, bis der Siedepunkt erreicht wird. Die zur Erhöhung der Temperatur von der Ausgangstemperatur auf den Siedepunkt nötige Energiemenge hängt von der Wärmekapazität (für die Liquidphase) und der Menge des Kontaminierungsstoffes ab. Beispielsweise benötigt Wasser in der Liquidphase 1 BTU (1055,06J) Energie, um die Temperatur von 1 lb (0,4536 kg) 1 Grad um Fahrenheit (0,5556 °C) zu erhöhen. Die zweite Reaktion zeigt, dass nachdem der Kontaminierungsstoff seinen Siedepunkt erreicht hat, die Temperatur konstant bleibt, während Flüssigkeit verdampft. Die Wärme der Verdampfung ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um eine Phasenänderung von der Liquidphase zur Gasphase zu erzeugen. Bei Wasser beträgt die Wärme der Verdampfung 950 BTU/lb (2209,7 kJ/kg) (bei 212 Grad Fahrenheit) (100 °C). Die erforderliche Gesamtwärme ist die Summe der Enthalpien der Einzelreaktionen oder Delta-H_t plus Delta-H_v.
Die Matrix weist drei Hauptkomponenten auf: 1) die Kontaminierungsstoffe; 2) Wasser; und 3) die Matrix selbst. Die Kontaminierungsstoffe und das Wasser unterliegen der zweistufigen chemischen Verdampfungsreaktion, während die Matrix nur erwärmt wird. Die Kontaminierungsstoffe liegen in einer Konzentration von Teilen pro Million vor (ppm), das Wasser in Konzentrationen im Bereich von 10-20 % und die restlichen 80-90 % sind die Matrix.
Die beiden Hauptantriebe für den erforderlichen Energieeintrag sind das Wasser und die Matrix, da die Kontaminierungsstoffe in verhältnismäßig geringen Konzentrationen vorliegen. Wie oben beschrieben, wird Energie verwendet, um Wasser auf seinen Siedepunkt zu erwärmen, und wird kontinuierlich zugefügt, um das Wasser zu verdampfen und das System auf die schließliche Zielbehandlungstemperatur zu erwärmen. Somit müssen bei der Bestimmung der Gesamtenergiemenge, die erforderlich ist, um eine Zielbehandlungstemperatur zu erreichen, die relativen Mengen von Matrix und Wasser (und ihre entsprechenden Wärmekapazitäten) ebenso berücksichtigt werden, wie die Zielbehandlungstemperatur, die von den Kontaminierungsstoffen mit den höchsten Siedepunkten abhängt.

Claims

Apparat (7) zur Trennung von Abfallkomponenten aus Matrizen, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst: (i) ein Gefäß (8), das einen für die Aufnahme einer oder mehrerer entfernbarer Schalen (2) ausgelegten Rahmen umfasst, (ii) eine oder mehrere entfernbare Schalen (2), die zum Einführen in den Rahmen ausgelegt sind, wobei eine oder mehrere entfernbare Schalen einen Bodenteil und sich davon erstreckende periphere Seitenwände umfassen, wobei der Bodenteil in der Lage ist, die Matrizen zu unterstützen, und so strukturiert ist, dass er Öffnungen in dem Boden definiert, (iii) einen Verteiler (35) zum Entfernen von aus den Matrizen entweichenden Gasen, wobei der Verteiler oben auf dem Gefäß angeordnet ist; und (iv) einen Heizer (32), wobei der Heizer so positioniert ist, dass er den Wärmeeintritt in das Gefäß an einer Position unter der einen oder den mehreren entfernbaren Schalen ermöglicht, wenn diese in den Rahmen eingesetzt sind, wobei beim Einsetzen der einen oder der mehreren entfernbaren Schalen in das Gefäß die peripheren Seitenwände der einen oder der mehreren entfernbaren Schalen effektiv die Seiten des Gefäßes bilden.
Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner ein Mittel zum Erzeugen eines Vakuums zum Entziehen der Gase durch den Verteiler umfasst, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Vakuums mit dem Verteiler verbunden sind.
Apparat nach Anspruch 1, wobei der Bodenteil ein Sieb ist.
Apparat nach Anspruch 1, wobei der Bodenteil geschlitzt ist.
Apparat nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere entfernbare Schalen Taschen für Gabelstapler aufweisen.
Apparat nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere entfernbare Schalen eine Ladekapazität von mindestens 1,9113875 m³ (2,5 Kubikyard) aufweisen.
Apparat nach Anspruch 1, der ferner ein Mittel zum mechanischen Agitieren der Matrizen umfasst, wobei das Mittel zum mechanischen Agitieren im Inneren positioniert ist und mit dem Gefäß verbunden ist.
Apparat nach Anspruch 1, wobei der Verteiler einen hitzebeständigen, das Gefäß berührenden Dichtring umfasst.
Apparat nach Anspruch 1, wobei der Verteiler einen Trockenfilter mit 1 bis 100 Mikron umfasst.
Apparat nach Anspruch 1 umfassend zwischen 1 und 4 der entfernbaren Schalen.
Apparat nach Anspruch 1, wobei der Apparat permanent montiert ist.
Apparat nach Anspruch 1, wobei der Verteiler nicht an dem Gefäß angebracht ist.
Apparat nach Anspruch 1, wobei der Apparat mobil ist.
Apparat nach Anspruch 1, wobei der Apparat ein hydraulisches System umfasst, wobei das hydraulische System unter dem Verteiler positioniert und in der Lage ist, den Verteiler von dem Gefäß abzuheben.