NO833945L - Fremgangsmaate for stabilisering av partikkelformet materiale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår stabilisering av partikkelformet materiale ved hjelp av elektrisk innført avsetning av oppløste salter fra vandig media.

US-patent nr. 4246075 beskriver at føring av en likestrøm

i en elektrolytt som sjøvann tenderer mot å bevirke utfel-ling eller avsetting av mineraler ved katoden. Ved anvendelse av en på forhånd dannet katode med stort overflateområde, slik som en maskekonstruksjon og føring av elektrisk strøm i en tilstrekkelig tidslengde kan et fast deksel vokse sammen på katoden, som er hevdet kan gi bygningskomponenter betydelig strukturell styrke, slik som rørledning, bruer, sjøvegger etc.

Foreliggende oppfinnelse anvender avsetning av oppløste salter, vandig media for å tilveiebringe en stabilisering av partikkelformet materiale, slik som det som danner en strand eller en kunstig øy mot f.eks. dets erosjon eller disper-gering av vind eller bølgevirkning.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebrakt en fremgangsmåte for å stabilisere partikkelformet materiale dekket av en flytende elektrolytt som inneholder en eller flere oppløste salter som innbefatter

(a) anbringelse av en første elektrode under overflaten

til det partikkelformede materialet,

(b) anbringelsen av en andre elektrode i den flytende elektrolytten eller i det partikkelformede materialet slik at det er i et elektrisk forhold med katoden, og (c) føring av en elektrisk strøm mellom elektrodene i en tilstrekkelig tid for å bevirke at de oppløste saltene avsettes på eller mellom den første elektroden og grensesnittet for det partikkelformede materialet og væskeelektrolytten.

Likestrøm er fortrinnsvis anvendt, selv om det er klart at en vekselstrøm eller en likestrøm som har en vekselstrøm-komponent kan bli anvendt. I tilfelle av likestrøm kan katodematerialet være av ethvert egnet materiale som er fortrinnsvis motstandsdyktig mot korrosjon. Galvanisert materiale, stål eller ledende plast eller sammensatte materialer kan bli anvendt. Katoden kan være i form av en tråd, gitter eller maske, plater eller spiraler. Masken er fortrinnsvis dannet av galvanisert jern, karbonfibre, ledende maske eller et ledende glass eller karbonfiber/harpikssammensatt materiale. Katoden kan være i form av et L-formet gitter, hvis ene ben ligger under det partikkelformede materialet eller i formen til en flat plate eller maske helt under det partikkelformede materialet. Det skal bemerkes at dybden av katoden under overflaten til det partikkelformede materiale for en egnet sammenvoksningshastighet avhengig av dets permeabilitet. For materialet med stor partikkelform størrelse vil en hurtigere tilvoksningshastighet være ventet enn for et materiale med liten partikkelstørrelse, f.eks. typer av pakninger. Det anodiske materialet er fortrinnsvis fremstilt av karbon, f.eks. grafitt og fortrinnsvis anbrakt med avstander på opptil 50 meter fra katoden. Likestrømmen kan være en kontinuerlig eller pulset likestrøm.

Det partikkelformede materialet er fortrinnsvis et faststoff, slik som slam, sand, singel eller småstein. Partikkelstør-relsen på faststoffene kan variere i stor grad. Posisjonen for de avsatte saltene avhenger av pakningstettheten på det partikkelformede materialet. I tilfelle av et fint sand-partikkelformet materiale har f.eks. avsetningen en tendens til å ta form av et skall ved grensesnittet mellom elektrolytten og det partikkelformede materialet. I tilfelle av grove partikler slik som singel har avsetningen en tendens til å finne sted i det indre av det partikkelformede materialet eller rundt katoden. I tilfelle av en katode er f.eks. i form av et gitter som har et lag med småstein på toppen kan avsetningen av oppløste salter muliggjøre en dannelse av sammenhopning av faststoff av vesentlig stivhet. Flytende elektrolytt som inneholder ett eller flere oppløste salter er fortrinnsvis et vandig medium som inneholder opp-løste uorganiske salter, idet dette fortrinnsvis er naturlig forekommende vann som har høyt oppløst saltinnhold, f.eks. sjøvann, brekkvann, elvevann. Det er klart at en egnet elektrolytt kan også bli tilveiebrakt ved tilførsel av oppløselige kjemikalier i et vandig medium. Saltinnholdet kan bli tilstrekkelig for å muliggjøre en grad av sammen-voksing innenfor et praktisk operasjonstidsrom. Optimal be-vegelseshastighet for elektrolytten i området av katoden skulle være tilstrekkelig for å transportere oppløste salter til katodestedet, men tillate tilstrekkelig tid for' å bevirke sammenvoksingen. Elektrolytten kan bli kunstig rørt, f.eks. ved røring eller pumping og kan være underlagt natur-lige elektrolyttbevegelser eller andre former for elektro-lyttbevegelse, f.eks. bevirket ved konveksjon. Det er antatt at avsetningen av oppløst materiale blir påvirket av den lokale pH til elektrolytten.

Oppfinnelsen kan være nyttig ved et utall anvendelser. Således kan den anvendes for avsetning av et skall på sjø-bredden eller elvemunningens bredde, erosjon av bredden av tidevann og strømmer kan bli påvirket, redusert eller for-hindret. Ved avsetning innenfor det partikkelformede materiale kan altså kunstig fremstilte øyer og diker bli be-skyttet og oppumpet sand kan bli forsterket og ved strategisk anbringelse av katodene kan retningen på vannstrømmen og avfallsutfallet bli påvirket. Videre har teknikken den fordel at den kan bli anvendt for å fornye eller reparere brudd i den stive avsetningen. Teknikken kan også anvendes for å frembringe barrierer ved sjøstranden eller elvemunningen (f.eks.) for å forhindre inntrengning av sjøvann eller brekkvann i søt- eller friskvannsreserver, vannførende, reser-voarer etc.

En bestemt anvendelse av oppfinnelsen er tenkt som følgende. Erosjon av løst sammensatte jordarter ved strømmen og bøl-gene til sjøs kan bli forsterket ved dannelse av tynne skjell av stive strukturer med lav permeabilitet dannet på stedet ved elektrisk avsetning av mineraler fra omgivende sjøvann. For en konstruksjon i stor målestokk av kunstigeSandøyer kan aggregatmaterialer bli pumpet eller mudret opp for å danne basisen av en øy under vannivået ved å anvende kon-vensjonell teknikk. Dersom stabiliseringen-av partikkelformet materiale blir tilveiebrakt ifølge oppfinnelsen kan hellings-vinkelen til aggregatmaterialene være større enn vanligvis anvendt for konvensjonelle øyer som ikke har noen beskytten-de ytre lag eller binding i aggregatlegemet som derved krever anvendelse og transport av mindre aggregat. Ledende kabler eller grove trådmasker kan bli lagt under sanden eller aggregatoverflaten og en elektrisk strøm tilført mellom disse trådene som virker som katoder og en eller flere an-oder anordnet i vannet som omgir konstruksjonen. Ytterligere sand eller andre aggregatmaterialer kan bli kontinuerlig til-ført for således å binde overflaten av et voksende lag av utfalte mineraler. Et enkelt sjikt med sand over katoden muliggjør dannelsen av et enkelt ytre skallag, med påfølgende lag kan bli tillagt for å øke motstanden mot erosjonen. Strømforsyningen til elektrodene kan bli opprettholdt ved

et lavt nivå for å tillate at overflateskallet blir øket eller blir konsolidert materiale for styrkning ved inkor-

av elementer normalt funnet i sjøvann.

Oppfinnelsen skal nå beskrives ved hjelp av eksempel og med henvisning til medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et skjematisk diagram av et trau som inneholder sand som delvis dekker en L-formet katode, idet trauet er egnet for en nedsenkning i sjøvann. Fig. 2 viser et skjematisk diagram av et trau som inneholder en flat gitterkatode helt dekket av sand, idet trauet er egnet for neddykning i sjøvann. Fig. 3 viser et skjematisk diagram av en maskekatode som ligger under et grovt aggregatmateriale med en

anode anordnet nær ved.

Fig. 4 viser et skjematisk vertikalt snitt, hvor det vises bindevirkningen av marinens sammenvoksning på et grovt aggregat påfølgende en periode med elektrisk avsetning.

Ved anordningen vist på fig. 1 er et grunt trau 1 fylt med partikkelformet sand 2. Et L-formet metallgitter 3 virker som en katode, idet dens basisdel 4 er dekket av partikkelformet sand 2. Gitteret 3 er forbundet ved hjelp av en metalledning 5 med en ytre generator (ikke vist) som kan tilføre strøm. Trauet 1 og gitteret 3 er totalt neddykket i sjøvann og en karbonanode (ikke vist) er anordnet nær ved.

Gitteret 3 er forbundet ved hjelp av en metalledning 5 med en ekstern generator .(ikke vist) som kan tilføre strøm. Trauet 1 og gitteret 3 er totalt neddykket i sjøvann og

en karbonanode (ikke vist) er anordnet nær ved.

I løpet av drift blir en likestrøm i størrelsesorden av en ampere tilført fra den eksterne generatoren til gitteret 3 i tyve dager. Langsom avsetning av mineraler var funnet på den øvre delen av det L-formede gitteret som var i direkte kon-takt med sjøvann. For delen 4 av gitterkatoden under overflaten til den partikkelformede sanden var det ikke observert noen avsetning. Det ble imidlertid sett at et tynt stivt skall hadde dannet seg på den øvre overflaten av den par-tikkelf ormede sanden ved grensesnittet mellom sand og sjø-vann. Dette skallet 6 viser seg å være stivt og ha en lav permeabilitet og var klart dannet fra avsatte mineraler eller blandinger av sand og avsatte materialer.

Ved anordningen vist på fig. 2 ble en grunn trakt 7 fylt med partikkelformet sand 8. Et flatt metallgitter formet katoden 9 og var dekket fullstendig med partikkelformet sand 8. Gitterkatoden 9 er forbundet ved hjelp av en metalledning 10 med en ekstern generator (ikke vist) for tilførsel av strøm. Trauet 7 ble totalt neddykket i sjøvann og en karbonanode (ikke vist) anbrakt nær ved.

I løpet av bruk ble en likestrøm på en ampere tilført fra en ekstern generator til gitteret 9 i en periode på tyve dager. Ingen avsetninger av mineral ble observert på gitterkatoden 9, men det ble funnet et tynt stivt skall 11 av mineraler eller en blanding av sand og mineraler dannet på den øvre overflaten av den partikkelformede sanden.

Detaljer ved undersøkelsene er vist i følgende tabell.

Fig. 3 viser et ytterligere eksperiment, ved hvilket katoden i form av et horisontalt, bløtt stålgitter med tråddiameter 3 mm som danner 25 mm sidekanter er dekket med strandgrus med stenstørrelser fra fin sand tilStener i størrelse av 40 mm, idet grusen blir fastholdt i et plasttrau som har perforerte sider. Trauet var i en posisjon relativt i forhold til overflaten slik at grusen passerte gjennom vann-overflaten for å danne en hellende strand. Sjøvann ble pumpet over denne simulerte strandoverflaten ved en hastighet på omkring 9 l/min. Gitterkatoden 11 er forbundet ved hjelp av en metalltråd 12 med en strømforsyning og det hele ble ned-senket i sjøvann 13 med en karbonanode 14 i nærheten, idet anoden 14 er anbrakt i sjøvann eller under overflaten til aggregatet 15. Karbonanoden var i form av en grafittstang på 75 mm diameter og 300 mm lang og var fritt opphengt i sjøvann ved en avstand på 600 mm fra katoden. Etter at en likestrøm på 0,5 A ved et spenningsfall på 5 V mellom elektrodene hadde vært tilført i en periode på 30 dager ble det observert at et aggregat av grus og utfelt materiale fra sjøvannet var dannet på eller rundt katoden 11, idet aggregatet er av en vesentlig styrke.

Fint mudder og slam som har lav permeabilitet, når tillatt til å sedimenteres og komprimeres, tenderte mot å forhindre groing av en tilvoksende beskyttelseshud når tykkelsen på slikt materiale som dekket elektroden overskred 200 mm. Store stener med en gjennomsnittlig diameter på 50 mm kan

ha dekket katoden til en dybde på 2 meter før opphopnings-bindingseffekten er vesentlig redusert.

Foreliggende eksperiment har blitt utført med oppløste faststoffinnhold 30 til 35 vekt-% pr. 1000 vektdeler med sjøvann. Elektrolytten med oppløst faststoffinnhold under eller over disse verdiene er ventet å redusere eller øke den maksimale katodedekningsdybden tilsvarende.

Fig. 4 viser bindingsvirkningen av opphopet materiale f.eks. under sjøbunnen eller på hellingen til en kunstig øy.

Stor grus 16 (på en diameter større enn 10 mm) er således bundet sammen hvor de er i tett nærhet. Mindre stener eller grus 17 er fullstendig innhyllet av sammenvoksingen som også vil binde naturlig forekommende eller tillagt sand og slam 18 i løpet av sammenvoksingsprosessen. Mellomrommene blir totalt eller nesten totalt blokkert ettersom sammenvoksingsprosessen fortsetter. Elektrisk strømforbruk har en tendens til å falle i løpet av sammenvoksingsprosessen når strømmen kan bli opprettholdt eller øket ved å øke spenningen mellom anoden (ikke vist) og katoden 19 om nødvendig.

Den maksimale dybden for neddykning av katoden avhenger av grusstørrelsen, men er i alminnelighet 0,5 m for grus med en diameter på omkring 2 0 mm.

For visse operasjonsformål er det ønskelig å ha en strøm som veksler, f.eks. i sykluser på 30 minutter på, 30 minutter av for å muliggjøre at gassbobler dispergeres og sammen-voksingsmaterialet konsolideres.

For beskyttelse og styrking av mettet tømmer under elektro-lytiske oppløsninger, f.eks. sjøvann er katodetråder eller strimler anbrakt i tømmeret ved intervaller på f.eks. 0,3 m og en strøm blir tilført. Når det er praktiskt å bore i tømmeret er det foretrukket å føre katoden inn i tømmeret med en dybde avhengig av permeabiliteten til tømmeret, men i alminnelighet opptil 100 mm fra tømmer/elektrolyttover-flaten.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for å stabilisere partikkelformet materiale dekket av en væskeelektrolytt, som inneholder en eller flere oppløste salter, karakterisert ved at den innbefatter (a) anbringelsen av en første elektrode under overflaten av det partikkelformede materialet, (b) anbringelse av en andre elektrode i den flytende elektrolytten eller i det partikkelformede materialet slik at den er i et elektrisk forhold med katoden (c) tilførsel av elektrisk strøm mellom elektrodene i en tilstrekkelig tid for å bevirke at de oppløste saltene avsettes på eller mellom den første elektroden og grensesnittet til det partikkelformede materialet og flytende elektrolytt.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det partikkelformede materialet er slam, sand, singel eller grus.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den flytende elektrolyttten er sjøvann, saltvann, vannholdig media med tilførte oppløse-lige kjemikalier eller andre naturlig forekommende vandige væsker.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at de oppløste saltene er et uorganisk salt.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at en eller flere oppløste inorganiske salter innbefatter en eller flere av saltene magnesium, kalsium, kalium og natrium.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det partikkelformede materialet er tilstrekkelig tett pakket for å bevirke at oppløste uorganiske salter avsettes og det dannes et skall ved elektrolytt/partikkelformet materiale.

7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at det partikkelformede materialet er løsbart for å bevirke at oppløst uorganisk salt avsettes på eller tilliggende katoden.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at katoden er i form av et gitter eller en maske forbundet med et sjikt av grus eller stener, idet uorganiske salter blir avsatt på grusen og katoden for å danne et aggregat av vesentlig stivhet.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den elektriske strømmen er en likestrøm.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at likestrømmen er en pulset likestrøm.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at katoden er en tråd, maske, plate eller spiral.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at katoden fremstilles av et metall eller et elektrisk ledende sammensatt materiale.

13. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 8 til 11, karakterisert ved at anodematerialet er karbon.

14 .F remgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at elektrolytten er mekanisk omrørt.