PT1141976E - Aparelho para a separação de constituintes de matrizes - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "APARELHO PARA A SEPARAÇÃO DE CONSTITUINTES DE MATRIZES"

Antecedentes da Invenção

Desde o princípio da década de 1950, vários sectores do Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DOD) e o Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) têm estado a desenvolver, de forma vigorosa, a produção de armas nucleares e componentes de energia que envolvem vários materiais radioactivos. O processo de refinar os materiais nucleares e de descontaminar os vários aparelhos utilizados nestes processos e outros com vários tipos de materiais orgânicos e inorgânicos tem gerado centenas de milhares de toneladas de solos, sedimentos, detritos e outros resíduos contaminados com radionúclidos e vários constituintes químicos perigosos e não perigosos, orgânicos e inorgânicos. A Agência de Protecção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) definiu um resíduo que contém radionúclidos e constituintes de resíduos perigosos e não perigosos como um lixo misto.

Historicamente, o lixo misto foi tipicamente, armazenado no local, em contentores em áreas concebidas para a contenção ou tanques de armazenamento ou descartado em células de aterros ou enterramento em trincheiras. A eliminação de lixo misto nos aterros ou trincheiras do DOD e DOE já não é permitida. Devido à promulgação dos regulamentos da EPA, não é permitido que o lixo misto seja eliminado numa instalação de resíduos perigosos aprovada pela EPA ou numa instalação de lixo radioactivo até que os constituintes sejam separados e segregados uns dos outros. 2

Esta necessidade de recuperar o lixo misto nestes locais está a ser acelerada devido ao facto do DOE e do DOD estarem, actualmente, a ser submetidos a esforços importantes de reestruturação, enquanto inúmeros instalações do DOE e DOD por todo o pais estão a ser desactivadas e descontaminadas para reconversão comercial ou residencial ou para a indústria leve. Uma grande percentagem destas instalações contém solo, sedimentos, detritos ou outros resíduos o que é definido pela EPA como lixo misto. Para aumentar o problema, o lixo misto que foi enterrado em trincheiras e aterros teve um impacto significativo nas reservas subterrâneas de água em alguns locais. Estas áreas têm de ser recuperadas de acordo com os regulamentos da EPA que envolve, na maioria dos casos, a remoção e a recuperação dos materiais que são a fonte da poluição (matrizes não líquidas). A presente invenção faculta um método que é capaz de separar os constituintes perigosos e não perigosos, orgânicos e inorgânicos das matrizes não líquidas sem desestabilizar ou disseminar os radionúclidos. Depois da separação, a corrente de lixo radioactivo é eliminada seja nas instalações do DOE ou DOD, de acordo com os regulamentos da EPA, seja numa instalação de lixo radioactivo aprovada pela EPA. Isto possibilita um benefício económico significativo para manipular esta corrente de resíduos desta maneira. Na actualidade, virtualmente não existem métodos disponíveis para conduzir a separação desta corrente de lixo de uma maneira económica e segura do ponto de vista ambiental. 0 método não faz parte da presente invenção, mas pode ser realizado pelo aparelho da presente invenção. 3

Para além do lixo misto, a geração anual de resíduos perigosos e não perigosos (quimicamente contaminados) só nos Estados Unidos é estimada na faixa de centenas de milhões de toneladas métricas, indústrias no mundo inteiro dependem de processos de produção que, de forma rotineira, geram produtos residuais. Muitos destes produtos residuais são eliminados como lixo perigoso, o que é muito dispendioso. Há uma necessidade de resgatar para reutilização algumas das matérias primas por meio da separação dos contaminantes das várias matrizes. Isto permite que a indústria minimize o lixo que é produzido, baixe os custos operacionais e cumpra com os regulamentos actuais.

Os perigos para a saúde pública e para o ambiente, que são apresentados por estes vários constituintes químicos são bem conhecidos e documentados. Vários métodos para a destruição ou decomposição de resíduos perigosos de elevado ponto de ebulição são extremamente caros. Não é muito rentável utilizar energia de alto grau para destruir termicamente todas as matrizes de resíduos perigosos quando o contaminante propriamente dito é uma porção tão pequena do volume em peso. Do mesmo modo, a matriz não líquida que ficou contaminada devido ao contacto com o composto químico deveria ser reutilizada ou reciclada, se possível. É mais rentável, no que diz respeito às matrizes contaminadas com resíduos perigosos, tais como PCBs, pesticidas, herbicidas, PCPs, dioxinas, furanos e outros, minimizar a corrente de resíduo que exige destruição ou métodos de decomposição dispendiosos separando a matriz não líquida volumosa que, tipicamente, perfaz entre 75% a 90% do volume da corrente de resíduos. 4

Deste modo, a invenção proporciona uma minimização de lixo e reciclagem de recursos económica como uma opção alternativa ao estado da técnica actual em resposta a uma necessidade do mercado de uma tecnologia para melhorar a manipulação de lixo do processo industrial, lixo misto e correntes de resíduos perigosos de uma maneira económica e segura do ponto de vista ambiental. 0'Ham (Patente U.S. No. 5 127 343) ensina um método e aparelho para a descontaminação e o saneamento do solo, particularmente o solo contendo hidrocarbonetos de petróleo, tais como gasolinas, óleos, e outros, num processo descontínuo onde o solo fica estacionário durante o tratamento. Este processo foi concebido, especificamente, em resposta à grande necessidade do mercado de uma tecnologia de tratamento no local de solos contaminados com hidrocarbonetos de petróleo, desde postos de gasolina e outros utilizadores relacionados de produtos petrolíferos, em resposta às exigências reguladoras da Lei de Armazenagem Subterrânea de Substâncias Perigosas (Underground Storage of Hazardous Substances Act) e regulamentos relacionados, que exigem que os solos contaminados com petróleo sejam recuperados. O estado da técnica anterior não tem meios para controlar os pós fugitivos durante a carga e a descarga das matrizes. 0 solo é normalmente transportado por meio de um carregador a partir de uma pilha para o dispositivo de processamento. Ao fazê-lo, os contaminantes são disseminados por descarga acidental ou por pó transportado pelo vento. Tanto os trabalhadores como os possíveis transeuntes, ou vizinhança tem um potencial muito mais alto de exposição aos contaminantes, bem como às possíveis 5 libertações não controladas de contaminantes no meio ambiente. 0 estado da técnica anterior exige 20% e mais de tempo de parada para realizar a manutenção do processador. Os solos são colocados directamente dentro de uma unidade de processamento sobre telas (tubos a vácuo) cercadas por um meio de filtragem (cascalho). As telas tornam-se facilmente entupidas exigindo constante limpeza entre os lotes. A porta de entrada é baixada para permitir que um carregador frontal entre na câmara e deposite o solo para tratamento e é elevada para criar uma trilha para o carro de aquecedores rolar sobre a câmara para tratamento. As dobradiças da porta de entrada ficam bloqueadas com matrizes e meios de filtragem e têm de ser limpas depois de cada lote. Estas portas ficam facilmente danificadas por este processo e tornam-se quase impossíveis de serem fechadas com o ar a passar pelo solo, resultando num tratamento insuficiente. Além disso, o dano à dobradiça resulta em que a porta de acesso fique fora de alinhamento. Quando isto acontece, o trilho para o carro de aquecedor fica fora de alinhamento e pode fazer com que o carro de aquecimento saia do trilho neste lado da unidade, resultando em tempo de parada aumentado. O estado da técnica anterior não era fiável no tratamento. Os fluxos de ar pelos leitos estáticos são irregulares e variáveis resultando em gradientes de temperatura pela matriz a ser tratada. Desvios de ar eram provocados pelas telas entupidas e cascalho e a incapacidade de vedar a porta de carregamento. Além disso, as telas a vácuo eram localizadas directamente sob apenas aproximadamente 50% da área de superfície do leito de solo estático, resultando no tratamento incompleto por todo o 6 solo ou criando "pontos frios". 0 aquecimento irregular resulta num tratamento inadequado. 0 estado da técnica anterior utiliza meios de filtração dispendiosos o que aumenta a pilha de resíduos e o custo operacional. 0 estado da técnica anterior exige uma extensa limpeza entre lotes. Muitas vezes, os procedimentos de descontaminação não têm êxito. Isto é devido à colocação da matriz directamente no interior da câmara de tratamento. As matrizes são forçadas para as áreas de difícil acesso do aparelho. 0 estado da técnica anterior incorpora partículas de poeira e as deposita no sistema de controlo de emissão, restringindo os fluxos de ar e provocando necessidades excessivas de manutenção. 0 estado da técnica anterior só permite o tratamento de hidrocarbonetos. 0 estado da técnica anterior só é aplicável para a remoção de hidrocarbonetos por meio de processos térmicos. A análise do estado da técnica anterior indica que a técnica é limitada à remoção de hidrocarbonetos dos solos e não é adequada, no que diz respeito a questões económicas, ecológicas e de segurança, para o tratamento de vários químicos voláteis orgânicos e inorgânicos e químicos com alto ponto de ebulição. 7

Deste modo, existe uma necessidade para a separação de contaminantes voláteis orgânicos e inorgânicos de matrizes não liquidas e recolha destes contaminantes para reciclagem e reutilização. Existe também uma necessidade de um sistema que permite a reutilização das matrizes não liquidas descontaminadas. Isto propicia um beneficio social proporcionando uma solução segura do ponto de vista ecológico para a minimização de correntes de resíduos, de uma maneira económica.

Sumário da Invenção A presente invenção proporciona um aparelho, de acordo com a reivindicação independente 1, para a separação de constituintes residuais de matrizes. As formas de realização preferidas do aparelho são definidas nas reivindicações dependentes. 0 aparelho pode compreender um recipiente tendo um fundo e uma parte superior; a parte superior tem um colector para a remoção de gases; e um meio para aquecer o interior do referido recipiente, de preferência, localizado no fundo do referido aparelho. De preferência, o aparelho compreende ainda um tabuleiro removível, de preferência entre 1 e 4 tabuleiros. 0 aparelho pode ser montado permanentemente ou, de preferência, é móvel. Numa forma de realização preferida, o aparelho compreende ainda um meio para gerar um vácuo para remover gases através do colector, de preferência numa amplitude de 0" de mercúrio (0 milímetro de mercúrio) a cerca de 29" de mercúrio (736,6 milímetros de mercúrio).

Numa forma de realização preferida, o recipiente é rectangular em formato e compreende de um a quatro lados, com os lados do tabuleiro ou tabuleiros efectivamente a formar os lados do recipiente depois da inserção no fundo 8 ou base do recipiente. De acordo com uma forma de realização preferida, o recipiente não tem qualquer lado. De preferência, o tabuleiro compreende um fundo tendo orifícios, de tal modo que o fundo do tabuleiro seja capaz de suportar as matrizes e ainda permitir que o ar passe na direcção ascendente através dos orifícios e das matrizes. 0 fundo pode ser, por exemplo, uma tela ou pode ser entalhado. 0 aparelho pode variar nas suas dimensões, dependendo de factores tais como a quantidade de matrizes a serem tratadas, a localização do local de tratamento ou se a unidade é concebida para ser fixa num local ou ser móvel, numa forma de realização, o tabuleiro é de um tamanho, dimensão e capacidade tais que pode ser removido e carregado no recipiente com um empilhador. Tipicamente, para operações em larga escala, o tabuleiro é concebido para ser carregado com matrizes a partir de cima e tem uma capacidade de carga de pelo menos cerca de 2,5 jardas cúbicas (1,9113875 m3) . 0 tabuleiro também pode compreender um portão articulado numa extremidade oposta às fendas do empilhador para descarregar a matriz tratada. Numa outra forma de realização, o aparelho é adaptado para utilização em pequena escala, em que o tabuleiro tem uma capacidade de, por exemplo, cerca de 1 pé cúbico (28,3168 dm3).

De acordo com uma forma de realização, o aparelho compreende ainda um meio para agitar as matrizes mecanicamente. 0 aparelho pode compreender ainda um meio para a introdução de aditivos de tratamento químico.

Numa outra forma de realização, a superfície inferior do topo do colector compreende uma junta de silício de alta 9 temperatura ou outra junta resistente ao calor para vedar o tabuleiro ao topo ou colector, de modo que o ar seja dirigido através dos tabuleiros e matrizes contidas no tabuleiro e não à volta do tabuleiro. De acordo com uma forma de realização, o topo pode ser movido verticalmente. Noutra forma de realização, o colector, opcionalmente, contém um meio de filtragem seco de 1 a 100 mícrones que separa, fisicamente, as partículas da matriz entranhadas na corrente de ar do gás de purga. O aparelho também pode conter ainda um meio para monitorizar remotamente o funcionamento do referido aparato utilizando um sistema de controlo e transdutores para transmitir a informação a um computador. A presente invenção proporciona também a separação dos constituintes do lixo perigoso e não perigoso, orgânico e inorgânico de matrizes compreendendo: colocar as matrizes num recipiente; aquecer as matrizes; criar uma pressão subatmosférica no interior das matrizes estabelecendo um vácuo acima das matrizes; e remover os constituintes gasosos das matrizes. As matrizes são seleccionadas de materiais radioactivos, correntes de detritos do processo industrial, solos, sedimentos, carvão activado, catalisadores, agregados, biomassa, detritos, sorventes, lama de perfuração, aparas de perfuração e outros. Os pontos de ebulição dos constituintes podem variar, por exemplo, de cerca de 30 graus Fahrenheit (1,111°C) a cerca de 1600 graus Fahrenheit (871,111°C). Exemplos de constituintes que podem ser removidos incluem amoníaco, mercúrio, compostos de mercúrio, cianeto, compostos de cianeto, arsénico, compostos de arsénico, selénio, compostos de selénio e outros metais e seus sais. 10

De acordo com uma forma de realização, os constituintes não são destruídos termicamente ou queimados durante a separação dos constituintes das matrizes. Pode haver mudança reversível de fase dos constituintes separados da matriz pela condensação ou filtração física ou adsorção de constituintes. Numa forma de realização, os constituintes são retidos nas matrizes durante menos de 0,5 segundos depois da temperatura de dessorção dos constituintes ter sido atingida. A invenção também pode proporcionar o aquecimento das matrizes de uma maneira indirecta por meio da exposição à energia luminosa com um espectro de emissão entre 0,2 e 14 mícrones. Numa forma de realização, a superfície das matrizes expostas à energia infravermelha torna-se um emissor secundário e o ar de purga transfere o calor, de forma convectiva, para a superfície da matriz do tabuleiro carregado. Numa outra forma de realização, a superfície das matrizes expostas à energia luminosa torna-se um emissor e transfere o calor de forma convectiva para as camadas da matriz acima das superfícies expostas à energia luminosa. A invenção pode ainda envolver o aquecimento das matrizes por meio convectivo, de modo que o calor seja conduzido até às camadas da matriz acima da superfície inferior da matriz.

Numa forma de realização em particular, os químicos orgânicos são separados das matrizes contendo radionúclidos e constituintes metálicos inorgânicos. Os constituintes podem ser recuperados e refinados com a finalidade de reciclagem. A invenção pode compreender ainda um meio para purgar os vapores de gás e constituintes a serem condensados e recolhidos. Numa outra forma de realização, a corrente de ar de descarga é recirculada abaixo dos 11 tabuleiros para formar um sistema de circuito substancialmente fechado.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 é uma vista lateral do aparelho da invenção. A Figura 2 ilustra vistas laterais e de topo e fundo de um tabuleiro agitador. A Figura 3 ilustra várias vistas de um tabuleiro estático ou removível utilizado na prática da invenção.

Descrição Pormenorizada da Invenção A presente invenção relaciona-se com um aparelho para a separação de constituintes perigosos e não perigosos, orgânicos e inorgânicos de várias matrizes. Mais particularmente, a invenção refere-se à separação destes vários constituintes de matrizes utilizando um ou mais dos seguintes princípios: dessorção térmica de baixa temperatura, energia radiante, aquecimento por convecção, aquecimento por condução, "air stripping", destilação a vácuo, volatilização a pressão reduzida e volatilização química através da adição de aditivos químicos e outros. Mais especificamente, a invenção relaciona-se à recuperação de várias matrizes, enquanto um resultado primordial do processo é proporcionar um benefício de minimização de resíduo e reciclagem de recursos. De preferência, a invenção relaciona-se à recuperação das seguintes áreas de corrente de resíduos: (1) separação de constituintes químicos perigosos e não perigosos, orgânicos e inorgânicos de matrizes contaminadas com radionúclido sem disseminar ou 12 desestabilizar a separação de contaminados de radionúclido de matérias primas e constituintes químicos perigosos e não perigosos, orgânicos e inorgânicos de uma corrente de resíduos de processo industrial; e (2) a separação de constituintes químicos perigosos e não perigosos, orgânicos e inorgânicos de várias matrizes, incluindo, mas não limitado a sedimentos, solos, carbono activado, catalisadores, agregados, biomassa, detritos e outros. 0 Separador de Constituinte de Matriz (MCS) proporciona uma distribuição controlada de fluxo de ar, que não havia no estado da técnica anterior. 0 Separador de Constituinte de Matriz permite uma distribuição uniforme do fluxo de ar e calor extraído através das matrizes contidos seja no tabuleiro estático seja no tabuleiro agitador para assegurar a dessorção completa dos constituintes contidos no interior de todo o volume da matriz. Para a dessorção de químicos voláteis e semi-voláteis orgânicos e voláteis inorgânicos, a ausência de partes móveis na câmara de tratamento permite uma baixa manutenção e, deste modo, proporciona uma produção aumentada e os benefícios económicos associados.

Este processo faculta a completa dessorção, separação e recolha, se desejado, dos constituintes químicos perigosos e não perigosos, orgânicos e inorgânicos de uma matriz contaminada com radioactividade sem disseminar ou desestabilizar os radionúclidos entranhados. 0 Separador de Constituinte de Matriz proporciona a separação eficaz e económica para a recuperação dos constituintes químicos perigosos e não perigosos, orgânicos e inorgânicos e matrizes para reciclagem, reutilização, 13 eliminação económica ou tratamento adicional dos constituintes perigosos, devido à significativa redução de volume na quantidade de resíduos que necessita de manipulação adicional. 0 desenho do presente aparelho de tratamento maximiza dos benefícios económicos e a utilização dos combustíveis utilizados no sistema para gerar energia radiante. 0 processo é também eficaz, uma vez que não utiliza quaisquer combustíveis auxiliares para a dessorção dos químicos das matrizes durante o processo de tratamento ou para condensar e recolher os constituintes vaporizados depois da dessorção das matrizes. 0 processo como um todo alcança uma redução significativa e desejável de volume e massa na corrente de resíduo que pode, então, ser reciclada, reutilizada com um benefício económico, eliminada ou tratada adicionalmente a custos significativamente mais baixos. 0 volume de contaminantes químicos que são emitidos para a atmosfera ou postos em aterros são substancialmente reduzidos pelo método da invenção, porque o mesmo proporciona um meio para separar, reabilitar, recolher, purificar e recuperar produtos comerciais a partir de matrizes contaminadas incluindo as próprias matrizes.

Os métodos do estado da técnica anterior envolvem o aquecimento do material a partir da parte superior e força o ar no sentido descendente através do material. Esta acção contradiz as leis da física e retarda o processo de tratamento. No estado da técnica anterior, o calor convectivo não é capturado dos queimadores à medida que o ar é sugado no sentido descendente através do sistema. A 14 maior parte do calor convectivo pode ser observado a subir para fora e para distante a partir do topo do processo. 0 MCS aquece o solo a partir do fundo e o calor de escape e o ar aquecido saem do sistema através da matriz. Este processo é eficaz e, uma vez que o calor sobe naturalmente, não requer forças opostas para dirigir o ar através da matriz. 0 movimento ascendente do ar não comprime ou compacta a matriz possibilitando o fluxo de ar livre através da matriz. 0 estado da técnica anterior provocava a compactação da matriz, o que retarda o fluxo de ar através do sistema e a eficácia do tratamento. 0 MCS é, de preferência, portátil, uma vez que o custo para transportar a unidade ao local a ser tratado é muito menor do que o custo de levar as matrizes até o local de tratamento e de volta ao lugar onde as matrizes eram para ser utilizadas como materiais de aterro ou para outra reutilização ou eliminação. 0 aparelho proporciona o carregamento das matrizes em tabuleiros com fundo de tela que são mecanicamente colocados numa estrutura de aquecimento tendo um fundo reflectivo e três lados verticais e aberta para a atmosfera na parte superior, estabelecendo um vácuo, ou pelo menos um vácuo parcial, através da parte superior do recipiente para estabelecer uma corrente de ar ascendente através das matrizes geralmente embaladas de forma frouxa, aquecer as matrizes a partir da parte inferior e expelir os gases quentes para cima por detrás ou misturados com os gases, libertando os vapores poluentes das matrizes e os removendo dos tabuleiros e da estrutura do colector e recolhendo os poluentes no sistema de controlo de emissão do ar, se desejado. Finalmente, os tabuleiros contendo as matrizes 15 tratadas são removidos da estrutura de aquecimento e deixados a arrefecer de uma maneira controlada, enquanto outro conjunto de tabuleiros é tratado. Uma vez que as matrizes tratadas contidas no interior dos tabuleiros arrefeceram, as mesmas são reidratadas no interior dos tabuleiros de uma maneira controlada. As matrizes são, então, removidas dos tabuleiros de modo que a emissão fugitiva ou o pó sejam minimizados. 0 ar é extraído através da base aberta do sistema até um ponto mais distante da fonte de calor. Este fluxo de ar desempenha duas funções: (1) extrair o calor por convecção através da fonte para aquecer as matrizes não liquidas não expostas à energia luminosa; e (2) reduzir a pressão do vapor no interior da câmara de tratamento. Segundo, o abaixamento da pressão diminui o ponto de ebulição dos poluentes sendo libertados das matrizes tratadas. A relação da pressão do vapor/ponto de ebulição é expressa pela bem conhecida equação empírica a seguir para substâncias específicas para as quais os valores a e b são conhecidos, em que p = pressão em mm de mercúrio; T = temperatura em graus Kelvin; a e b são constante dadas (entre outros lugares) no CRC Handbook of Chemist and Physics, 69th edition, (1988), a começar da página D-212.

Log lOp = 0,05223a a dividir por T mais b

Isto permite a remoção dos poluentes com pontos de ebulição mais altos a temperaturas mais baixas. A energia necessária para aquecer o sistema é de apenas um quarto da energia exigida por outros sistemas térmicos de tratamento.

Ao extrair e saturar fisicamente as matrizes tratadas com ar, o ar aquecido deslocará os outros gases presentes e os 16 varrerá para fora dos tabuleiros de tratamento, o que acrescenta à eficácia do sistema.

Na presente invenção, várias matrizes de resíduos são colocadas em tabuleiros e carregadas sobre a base do aquecedor, uma ventoinha suga o ar através do sistema actuando sobre as matrizes por todo o fundo de tela do tabuleiro. Os aquecedores são activados, aquecendo as matrizes de uma maneira uniforme e completa até uma profundidade entre a gama de menos de uma polegada até mais de um pé. Tipicamente, as matrizes são aquecidas até uma profundidade na gama entre 4 polegadas (10,16 cm) e 18 polegadas (45,72 cm). A profundidade eficaz de aquecimento pode ser prontamente determinada por um especialista na técnica e será afectada por factores tais como a fonte de aquecimento, as características físicas da matriz e outras. O ar ambiental que entra no processo em todos os locais abaixo das matrizes é também aquecido e empurrado para cima através da matrizes que levam o calor para as matrizes da camada superior. A combinação de calor e pressão reduzida remove os poluentes das matrizes e o fluxo de ar extrai os poluentes removidos para fora do processo de tratamento através de um sistema de controlo de emissão ou recolha. As matrizes podem ser agitadas e o tratamento pode ser não térmico em natureza, se desejado. O sistema é um processo descontínuo de tratamento utilizado para separar constituintes perigosos e não perigosos, orgânicos e inorgânicos de várias matrizes sólidas e semi-sólidas. Estas matrizes incluem, mas não se limitam a matrizes contaminadas com material radioactivo, correntes de detritos do processo industrial, sedimentos, solos, carvão activado, catalisadores, agregados, biomassa, 17 detritos e outros. Os constituintes químicos são separados das matrizes aquecendo as matrizes num tabuleiro enquanto são purgados grandes volumes de ar ou outros gases através da matriz. A corrente de gás de purga flui por uma série de componentes de controlo de emissões destrutivas que removem os constituintes químicos da corrente de ar por separação física, condensação e absorção. Na forma de realização preferida, a presente invenção compreende, mas não se limita aos seguintes componentes:

Filtro Seco de Partículas Sistema de Condensação Filtros HEPA Absorção de Carbono Depuradores de Líquido Osmose Inversa Precipitação Química Separação de Fase Física Filtros Coalescentes O aparelho da presente invenção pode ser referido por referência às seguintes figuras:

Figura 2: 1. Viga de suporte do eixo que abriga o rolamento e o eixo que está conectado às aletas de mistura da matriz. 2. Fundo fendido de tela do tabuleiro que contém as matrizes contaminadas durante o processamento. 18 3. A aleta de mistura que se move pela matriz contida no tabuleiro para facilitar a mistura das matrizes durante o processamento. 4. Motor hidráulico que acciona as aletas de mistura. 5. 6. Roda dentada secundária que reduz as necessidades de força e acciona as aletas. 7. Corrente de accionamento que liga a roda secundária à roda de accionamento. 8. Roda de accionamento que é acoplado ao motor hidráulico para accionar as aletas de mistura. 9. Invólucro protector para proteger o motor hidráulico contra ambientes hostis. 10. Motor hidráulico que acciona as aletas de mistura. 11. Roda de accionamento que é acoplada ao motor hidráulico para accionar as aletas de mistura. 12. Corrente de accionamento que liga a roda dentada secundária à roda de accionamento. 13. Roda secundária que reduz as necessidades de força e acciona as aletas. 19 14. Fundo fendido de tela do tabuleiro que contém as matrizes contaminadas durante o processamento. 15. Tabuleiro agitador utilizado para processar as matrizes antes, durante e depois da introdução de aditivos químicos para permitir o tratamento de certos contaminantes inorgânicos. 16. Aleta de mistura que se move pela matriz contida no tabuleiro para facilitar a mistura das matrizes durante o processamento. 17. Mancai de suporte de alta temperatura que permite que o eixo escravo se mova. 18. Eixo de accionamento central ao qual as aletas estão ligadas.

Figura 3 19. Fundo fendido de tela do tabuleiro que contém as matrizes contaminadas durante o processamento. 20. Dobradiça para o portão de despejo para a remoção da matriz a seguir ao tratamento. 21. Porta do portão de despejo que se abre por articulação para despejar as matrizes.

Tranca do portão de despejo que impede que o portão se abra durante o tratamento. 22. 20 23. Fenda de recolha do empilhador que permite que o empilhador se mova, carregue, descarregue e despeje os tabuleiros. 24. Tranca do portão de despejo que impede que o portão se abra durante o tratamento. 25. Dobradiça para o portão de despejo para a remoção da matriz a seguir ao tratamento. 26. Fenda de recolha do empilhador que permite que o empilhador se mova, carregue, descarregue e despeje os tabuleiros. 27. Fundo fendido de tela do tabuleiro que contém as matrizes contaminadas durante o processamento. 28. Suporte da tela de fundo para suportar o peso da matriz carregada nos tabuleiros. 29. Fenda de recolha do empilhador que permite que o empilhador se mova, carregue, descarregue e despeje os tabuleiros. 28a. Fenda de recolha do empilhador que permite que o empilhador se mova, carregue, descarregue e despeje os tabuleiros

Figura 1: 30. Queimador do processo 31. Emissor de tubo radiante 21 32. Condutas de ventilação de escape de combustão 33. Montagem do Aquecedor de Base 34. Material de junta de silicio de alta temperatura que veda o escape do colector em relação à borda superior do tabuleiro. 35. Meio filtrante de 1 a 100 micrones e estrutura de suporte que actua como uma barreira física para impedir que as partículas saiam do sistema na corrente de ar. 36. Colector de escape de ar 37. Cilindro hidráulico para elevar o colector de escape 38. Saída do gás de escape 39. Tabuleiro de tratamento de solo.

Os químicos podem ser recuperados para a regeneração, tratamento adicional, eliminação ou reciclagem destes vários componentes sem destruir os constituintes químicos. A corrente de ar de descarga resultante é livre de constituintes químicos ou contém concentrações mínimas. Este processo pode ser utilizado para separar os constituintes químicos dos sólidos contaminados com material radioactivo sem misturar os radionúclidos com os constituintes químicos.

Na forma de realização preferida, a presente invenção compreende uma base contendo uma multiplicidade de 22 aquecedores, de preferências aquecedores infravermelhos, que ficam posicionados sob as matrizes e colocados no interior de uma estrutura de aquecedor portátil, com os aquecedores directamente voltados para cima contra as superfícies inferiores das matrizes. 0 aparelho também faculta que a base de aquecedores possa ficar permanentemente montada à moldura do colector para a maior parte das aplicações. Um soprador de extracção ou bomba de vácuo proporciona o impulso para o movimento ascendente dos contaminantes através da matriz, que sai pelo soprador de extracção ou bomba de vácuo, ou pode ser recolhido um sistema de controlo de emissão de ar, se desejado. Ligado à base por meio de dois cilindros hidráulicos está o colector de vácuo ou escape. A superfície inferior do colector é vedada com um material de junta resistente à temperatura. 0 colector é elevado hidraulicamente para possibilitar o carregamento e o descarregamento dos tabuleiros de matriz de fundo de tela sobre a base do aquecedor. Uma vez carregado, o colector superior é abaixado e vedado em relação à borda do tabuleiros de topo. Isto permite que o ar seja sugado na direcção ascendente através da matriz e do tabuleiro e não à sua volta. 0 aparelho preferido consiste em cinco componentes principais: o colector; os tabuleiros de processo; a base de aquecedor; a ventoinha de purga de ar; e o sistema de controlo de emissão. Na forma de realização preferida, os tabuleiros são dimensionados, tipicamente, em aproximadamente, 8' x 8' x 17" (2, 4384 m x 2, 4384 m x 0,431) e contêm uma tela de aço inoxidável plana, fendida. A matriz de resíduo é carregada no tabuleiro de tela e o tabuleiro é colocado sobre a base do aquecedor. 23 A base do aquecedor consiste, tipicamente, em 1 a 4 ou mais receptáculos de tabuleiros e tem uma cremalheira de aquecedores montados na mesma com espaço suficiente entre a base do aquecedor e o colector para inserir o tabuleiro. 0 tabuleiro pode ser elevado e abaixado para auxiliar no processo de carga e remoção do tabuleiro. Uma vez que o tabuleiro está carregado e o colector é abaixado, as ventoinhas de extracção forçam o ar de purga através da matriz enquanto os aquecedores iluminam os solos. A superfície da matriz é aquecida e a corrente de gás de purga move-se através da matriz de forma convectiva, transferindo o calor da camada da superfície da matriz que é exposta à energia luminosa e aos materiais da matriz localizados mais profundamente no tabuleiro. A transferência de calor conductivo ocorre no tabuleiro quando as partículas da matriz tocam aquelas partículas expostas à energia luminosa, bem como aquelas partículas que foram aquecidas de forma convectiva. A corrente de gás de purga cria um deslocamento de equilíbrio em que um estado de vapor é intensificado. Os químicos nos materiais existem como sólidos, líquidos e vapores num estado de equilíbrio. 0 calor desloca o equilíbrio e gera mais vapor. À medida que este vapor e deslocado e transportado para fora do sistema pela geração de vapor de ar de purga, o mesmo é mais intensificado à medida que o sistema tenta se acomodar num estado de equilíbrio. 0 Separador de Constituinte de Matriz possibilita o carregamento dos tabuleiros na área de empilhamento e os tabuleiros, que contêm totalmente, tanto a matriz como os contaminantes, podem ser transportados de uma maneira controlada para a unidade de processamento sem disseminar 24 os contaminantes ou libertar emissões fugitivas. Este novo processo também elimina a necessidade dos trabalhadores entrarem na unidade de processamento e limpar as matrizes, os meios filtrantes de cascalho e os tubos de vácuo. Isto minimiza, de forma significativa, as preocupações de saúde e segurança em relação à exposição a vapores contaminantes, tensão térmica, queimaduras e problemas de coluna vertebral provenientes do trabalho em ambiente extremamente quente com materiais pesados. 0 processo MCS permite que os tabuleiros de fundo de tela sejam carregados numa estrutura eliminando o entupimento da tela, os problemas dos meio filtrantes entranhados na porta e o tempo associado de parada para manutenção. 0 processo MCS consiste em virtualmente nenhum tempo de parada para este fim. Se for necessária alguma manutenção à tela de um tabuleiro em particular, isto pode ser realizado enquanto os outros tabuleiros estão a ser submetidos a tratamento. Com o estado da técnica anterior, a manutenção do processador resulta em perda de produção. A área de superfície do leito estático no processador MCS é colocada inteiramente sobre uma tela resultando em 100% de cobertura. O processo MCS elimina o carregamento das portas e promove fluxos de ar regulares através da matriz e tratamento uniforme. A necessidade de meios filtrantes dispendiosos foi eliminada, baixando o custo do processo e minimizando o lixo residual para eliminação. No processo MCS todos estes problemas foram eliminados porque as matrizes não estão em contacto com o equipamento de processamento. 25

No processo MCS, uma barreira física de 5 a 100 mícrones impede o entranhamento e a migração dos contaminantes e partículas para dentro dos componentes de controlo de emissão. Isto contribui para uma descontaminação fácil e eficaz. O processo MCS pode ser equipado com agitadores mecânicos de modo que as matrizes possam ser tratadas quimicamente por meio de mistura e através da adição de compostos químicos utilizados para volatilizar ou gaseificar os contaminantes que são retirados dos tabuleiros e recolhidos no sistema de controlo de emissão. O processo MCS possibilita a reidratação controlada do lixo tratado para controlar a poeira e para preparar a matriz para reutilização. Isto não é prático no estado da técnica anterior. A produção não é afectada uma vez que a reidratação dos tabuleiros pode ocorrer enquanto os outros tabuleiros estão a ser submetidos a tratamento. Com o estado da técnica anterior, a reidratação teria de ocorrer na câmara de tratamento, de modo que a produção adicional não é possível. Do mesmo modo, a reidratação na câmara resulta numa acumulação de água na câmara que terá forte efeito (aumento) sobre o tempo de tratamento do lote seguinte, afectando a produção. O processo MCS é configurado de modo que seja prático monitorar as temperaturas da matriz, os fluxos de ar, as pressões e os componentes do controlo de emissão do processo utilizando transdutores e termo-pares. Isto permite que os operadores controlem o processo de tratamento de forma precisa. O estado da técnica anterior não tem estes controlos e não poderia ser utilizado de 26 forma prática no recipiente de contenção da matriz. A utilização de controlos de processo também limitará o número de trabalhadores necessários para fazer funcionar o sistema, limitando, deste modo, a potencial exposição a riscos de saúde e segurança. Ambas estas vantagens tornarão o sistema mais competitivo do ponto de vista de custos. O processo MCS é um meio mais económico e eficiente de tratamento do que o estado da técnica anterior. O método de carregamento e descarregamento do processador do estado da técnica anterior requer um tempo de parada significativo entre lotes, o que afecta directamente a eficiência de produção e os benefícios económicos desta técnica. A concepção do processo do método MCS executa substanciais eficiências de produção e benefícios económicos em relação ao estado da técnica anterior, que resulta em parte da melhora em tempo de parada entre lotes devido ao carregamento e descarregamento das câmaras de tratamento com as matrizes.

No presente sistema todos os constituintes serão convertidos em vapor e transportados pneumaticamente pela corrente de ar para um sistema de controlo de emissão. Pelo facto dos volumes de ar de purga serem excessivos, pode-se utilizar um meio que separa fisicamente as partículas que entranharam na corrente de gás de purga. Um filtro para partículas secas com espaços de poros que variam, tipicamente, de 1 a 100 mícrones é incorporado no colector, imediatamente acima das juntas dos tabuleiros. Esta barreira física detém estas partículas e as separa dos vapores constituintes. Os vapores viajam por um condensador onde são condensados para formar um líquido. A partir deste 27 estágio no processo, os vapores e o ar do gás de purga passam através de um filtro HEPA, tipicamente concebido para filtrar partículas de até 0,1 micron. O ar de purga viaja pelo carbono para o purificar adicionalmente. O ar é finalmente descarregado na atmosfera ou reintroduzido no processo como ar de purga. Depuradores, condensação em estágios e outros também podem ser utilizados para conseguir a remoção do vapor de gás de purga.

As matrizes nos tabuleiros podem ser agitadas mecanicamente e aditivos químicos podem ser introduzidos nas matrizes para intensificar o processo ou converter os constituintes numa forma mais volátil para separação. Isto é conseguido utilizando um agitador com aletas que gira dentro dos tabuleiros misturando as matrizes. Pode também ser conseguido utilizando uma barra de suporte.

Tipicamente, a ventoinha de extracção é a única parte mecânica que acciona o sistema. O sistema também pode ser modificado numa forma de realização em particular em que são utilizados tabuleiros agitadores para o tratamento de certos constituintes químicos. Os fundos destes tabuleiros podem ser revestidos para atingirem vácuos que variam de cerca de 0" (0 mm) a cerca de 29" (736,6 mm) de mercúrio. Isto pode intensificar adicionalmente o deslocamento do equilíbrio. Os resultados são que os constituintes químicos são separados das matrizes e recolhidos no sistema de controlo de emissão sem serem destruídos.

Os constituintes orgânicos e certos constituintes inorgânicos podem ser separados pelo sistema em combinação com a utilização de um agitador de tabuleiros e/ou adição de químicos. Alguns destes processos podem ser conseguidos 28 de forma não térmica. Por exemplo, uma matriz contaminada com sais de cianeto ou cianetos ligados organicamente pode ser colocada dentro de um tabuleiro estático, se a matriz for homogénea em composição e permeabilidade, ou num tabuleiro agitador se não for. A adição de ácido sulfúrico, nítrico, hidroclórico ou outros ácidos produzirá o gás cianeto de hidrogénio que é retirado da matriz e passado por um depurador cáustico para criar o cianeto de sódio que pode, então, ser recolhido e reciclado. A matriz pode, então, ser neutralizada com cáustico e tornada adequada para a possível reutilização.

Mercúrio, arsénico, selénio e outros elementos de transição podem ser libertados da matriz, primeiro acidificando a matriz, depois a oxidando para obter os metais no seu estado fundamental. A adição de cloreto estanoso ou sulfato fará com que se forme o gás hidreto do composto, libertando os compostos de referência que são recolhidos e passados por um depurador de ácido. 0 amónio pode ser removido de uma matriz elevando o pH com cáustico e recolhendo os vapores em ácido bórico. 0 agitador mecânico consiste num processo accionado hidraulicamente que pode ser accionado por corrente por baixo do fundo do tabuleiro. A superfície do tabuleiro contém duas aletas que passam pelo fundo da tela. A aleta sobe no centro cerca de 2 polegadas, o que sulca através da matriz levantando o material e o misturando. As aletas são ligadas a um eixo que se projecta para baixo da tela do tabuleiro. Abaixo do fundo da tela o eixo tem uma roda ligada ao mesmo. Este eixo fica localizado, tipicamente no centro do tabuleiro. 0 eixo do motor hidráulico também se 29 estende pelo fundo de tela do tabuleiro. Há também uma roda ligada a este eixo. Uma corrente de accionamento em C liga as duas rodas. Quando o eixo do motor gira, o eixo escravo gira empurrando as aletas através da matriz. A base do aquecedor, tipicamente, contém 8 a 12 aquecedores radiantes que estão voltados para cima em direcção à matriz. 0 estado da técnica anterior tem uma série de câmaras reentrantes em que telas tubulares são inseridas e ligadas a um colector numa extremidade. 0 solo a ser tratado repousa no fundo da câmara e sobre as telas. A área reentrante e as telas ficam entupidas rapidamente. Isto provoca o aquecimento irregular dos solos, o que resulta num tratamento deficiente e irregular. 0 solo que entope as telas tem de ser removido manualmente, provocando parada do processo e inquietações de saúde e segurança para os trabalhadores. 0 presente processo não utiliza uma série de câmaras reentrantes com telas no interior em que a matriz repousa durante o tratamento. A câmara do processo é separada dos tabuleiros de tratamento. A câmara é equipada com uma estrutura na qual é colocado um tabuleiro contendo a matriz. 0 tabuleiro tem um fundo de tela de auto-limpeza que se livra de quaisquer entupimentos que possam ocorrer durante o processo de descarga. 0 ponto de ebulição de um liquido é a temperatura na qual a pressão parcial de uma substância é igual à sua pressão de vapor. Há uma relação directa entre a temperatura do tratamento final e a pressão de 30 funcionamento do sistema. À medida que o sistema está a funcionar, a pressão é reduzida e a temperatura de tratamento necessária para a remoção dos compostos por volatilização é diminuída. O MCS utiliza este princípio de redução do ponto de ebulição para reduzir a pressão do sistema. A pressão do sistema é reduzida de cerca de 0" (0 mm) de mercúrio a aproximadamente 1" a 30" (25,4 mm - 762 mm) de mercúrio. A Figura 1 ilustra exemplos desta relação para água, acetona, TCE e PCE.

Figura 1

Pontos de Ebulição Aproximados de Compostos a Pressão Reduzida

Composto Pto. de ebulição a 0" Hg (0 mm Hg) (°F) [°C] Pto. de ebulição a 25" Hg (635 mm Hg) (°F) [°C] Água 212 [100] 72 [222,222] Acetona 133 [56,111] 44 [6,667] Tricloroetileno 189 [87,222] 65 [18,333] Tetracloroetileno 250 [121,111] 86 [30] O vácuo é expresso em termos de vácuo total em polegadas (milímetros) de mercúrio.

Com referência à Figura 1, vê-se imediatamente que a relação entre o ponto de ebulição e a pressão do sistema, embora directa, não é linear. Esta não linearidade é descrita pela equação de Clausius-Clapyron:

Equação 1: p = p* x exp-C com C = (delta Hvap) x (1-1) R TT* onde: p* é a pressão do vapor (atm.) à temperatura T* (*R); 31 p é a pressão do vapor (atm.) à temperatura T (*a) ; R é a constante de gás universal (BTU/mol-*R); e Delta Hvap é o calor da vaporização (BTU/lb) São feitas três suposições para que a equação acima seja verdadeira: 1) a alteração no volume molar é igual ao volume molar do gás; 2) o gás comporta-se como um gás ideal; e 3) a entalpia da vaporização (delta Hvap) é independente da temperatura. A Tabela 1 compara o ponto de ebulição dos dados da tabela com o ponto de ebulição calculado com a equação de Clausius-Clapyron para vários quimicos a uma pressão de, aproximadamente, 25" (635 mm) de mercúrio.

Outro parâmetro importante relacionado ao fluxo do ar é o arrastamento por ar. 0 arrastamento por ar é o processo de utilização do gás transportador, o ar, para remover os contaminantes dos materiais não líquidos. A velocidade em que um contaminante é arrastado do solo depende da sua pressão do vapor e estabilidade em água. Este processo pode ser descrito pela Lei de Henry que é representada pela seguinte equação:

Equação 2: Pa = Xa x k(T) onde:

Pa é a pressão parcial do componente a k é a constante da Lei de Henry para o componente a à temperatura T

Xa é a fracção molar de a em solução (X a é pequeno) 32

Deste modo, a dessorção de cada contaminante tem lugar por todo o processo, não apenas quando é atingido o ponto de ebulição de cada um dos compostos. A volatilização quimica consiste numa reacção química de dois passos que está apresentada a seguir.

Equação 3: C(l)à T0 Calor C(l) à Tpe

Delta Ht

Equação 4: C(l)à Tpe Calor C(g) à Tpe

Delta Hv onde: C é o químico específico (e puro) com um ponto de ebulição definido (Tpe)

C (1) é o químico acima na fase líquida e a alguma temperatura, T

C(g) é o químico acima na fase gasosa e a alguma temperatura, T T0 é a temperatura ambiente

Tpe é a temperatura do ponto de ebulição

Na primeira reacção, a temperatura do contaminante (ou químico) é aumentada até que seja atingido o ponto de ebulição. A quantidade de energia necessária para elevar a temperatura a partir da temperatura inicial até o ponto de ebulição depende da capacidade de calor (para a fase líquida) e da quantidade do contaminante. Por exemplo, a água na fase líquida necessita de 1 BTU (1055,06 J) de energia para elevar a temperatura de 1 lb (0, 4536 kg), 1 grau Fahrenheit (0,5556°C). A segunda reacção mostra que depois que o contaminante atinge o seu ponto de ebulição a temperatura permanece constante enquanto o líquido 33 vaporiza. 0 calor da vaporização é a quantidade de energia necessária para produzir uma mudança de fase, da fase liquida para a fase gasosa. Para a água, o calor da vaporização é de 950 BTU/lb (2209, 7 kj/kg) (a 212 graus Fahrenheit, 100 °C). O calor total necessário é a soma das entalpias das reacções individuais ou delta Ht mais delta Hv. Há três componentes principias na matriz: 1) os contaminantes; 2) a água; e 3) a própria matriz. Os contaminantes e a água são submetidos à reacção quimica de dois passos de volatilização, enquanto a matriz só é aquecida. Os contaminantes estão presentes em concentrações de partes por milhão (ppm), a água em concentrações que variam de 10-20% e os restantes 80-90% são a matriz.

Os dois accionadores principais para a entrada de energia são a água e a matriz, uma vez que os contaminantes estão presentes em concentrações relativamente baixas. Conforme explicado acima, a energia é utilizada para aquecer a água até o seu ponto de ebulição e é adicionada, continuamente, para vaporizar a água e aquecer o sistema até a temperatura alvo de tratamento final. Deste modo, ao determinar a quantidade total de energia necessária para atingir uma temperatura alvo de tratamento, as quantidades relativas de matriz e água (e as suas capacidades correspondentes de calor) têm de ser levadas em consideração, bem como a temperatura alvo de tratamento final que é dependente no ponto de ebulição mais alto dos contaminantes.

Lisboa, 16 de Abril de 2007

Claims (14)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Aparelho (7) para a separação de constituintes residuais de matrizes, caracterizado por compreender: (i) um recipiente (8) compreendendo uma estrutura para receber um ou mais tabuleiros removíveis (2); (ii) um ou mais tabuleiros removíveis (2) adaptados para serem inseridos na referida estrutura, os referidos um ou mais tabuleiros removíveis compreendendo uma parte do fundo e paredes laterais periféricas que se estendem a partir da mesma, sendo a referida parte do fundo capaz de suportar as referidas matrizes e sendo estruturadas de modo a definir orifícios no referido fundo; (iii) um colector (35) para a remoção dos gases que emergem das referidas matrizes, sendo o referido colector posicionado em cima do referido recipiente; e (iv) um aquecedor (32) sendo o referido aquecedor posicionado de uma maneira a permitir que o calor entre no referido recipiente numa posição abaixo dos referidos um ou mais tabuleiros removíveis quando inseridos na referia estrutura, em que, depois da inserção dos referidos um ou mais tabuleiros removíveis no referido recipiente, as referidas paredes laterais dos referidos um ou mais tabuleiros removíveis formem, efectivamente, os lados do referido recipiente. 2

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o mesmo compreende ainda um meio para gerar um vácuo para remover os referidos gases através do referido colector, sendo o referido meio para gerar um vácuo ligado ao referido colector.

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que a referida parte do fundo é uma tela.

4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que a referida parte do fundo é fendida.

5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que um ou mais tabuleiros removíveis têm fendas de empilhador.

6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que um ou mais tabuleiros removíveis têm uma capacidade de carga de pelo menos cerca de 1,9113875 m3 (2,5 jardas cúbicas) .

7. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, que compreende ainda um meio para agitar as matrizes de forma mecânica, sendo o referido meio posicionado no referido interior e ligado ao referido recipiente.

8. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o referido colector compreende uma junta resistente ao calor em contacto com o referido recipiente.

9. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o referido colector contém um filtro seco de 1 a 10 mícrones. 3

10. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, compreendendo entre 1 e 4 dos referidos tabuleiros removíveis.

11. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o referido aparelho é montado permanentemente.

12. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o referido colector não é ligado ao referido recipiente.

13. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o referido aparelho é móvel.

14. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o referido aparelho compreende um sistema hidráulico, sendo o referido sistema hidráulico posicionado sob o referido colector e sendo capaz de levantar o referido colector do referido recipiente. Lisboa, 16 de Abril de 2007