СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОЧВЫ И ГРУНТА ОТ РАДИОНУКЛИДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G21F9/34 B28B21/18 

Изобретение относится к способам очистки загрязненных радионуклидами почвы и грунта.

В результате Чернобыльской катастрофы были загрязнены радионуклидами громадные площади культурных земель.

В связи с этим была изобретена масса способов очистки почвы и грунта от радионуклидов.

Предложенные разными авторами способы очистки земель от радионуклидов можно условно разделить на четыре следующие группы:
1. Способы биологической очистки с помощью биологических объектов - растений, бактерий и т.д. с последующим сбором и утилизацией биологических веществ (а.с. N 1771534, кл. G 21 F 9/8, патент РФ N 2010366, кл. 5 G 21 F 9/18 и т.д.);
2. Способы химической очистки, путем внесения в почву или грунт различных химических веществ, которые нейтрализуют и связывают радионуклиды (см. а. с. N 1780426, кл. 5 G 21 F 9/24, заявку на патент РФ N 9201471 8/25 и т.д.);
3. Механические способы очистки, путем механического удаления загрязненной почвы или грунта, а также установкой различного рода барьеров (см. патент РФ N 2008734, кл. 5 G 21 F 9/34, патент РФ N 1806411, кл. G 21 F 9/24);
4. Способы локализации радионуклидов в почвах и грунтах с помощью распыленных сорбирующих веществ, с последующим их извлечением и утилизацией (см. а. с. N 1581084, кл. 5 G 21 F 9/34, патент РФ N 2025801, кл. 5 G 21 F 9/12).

Однако известные способы очистки почвы и грунта от радионуклидов не лишены недостатков.

Недостатками биологических способов очистки почвы и грунта от радионуклидов являются:
1. Невозможность осуществления на громадных территориях из-за различия видов почвы и грунтов (болота, пески и т.д.) и разных климатических условий;
2. Трудности со сбором биологических объектов и их утилизацией;
3. Дороговизна.

Недостатками химических способов очистки почвы и грунта от радионуклидов являются:
1. Вторичное загрязнение химическими веществами почв и грунтов;
2. Дороговизна;
3. Трудности с утилизацией использованных химических веществ, особенно в лесистых и болотистых участках земли.

Недостатками механических способов очистки загрязненных радионуклидами земель являются:
1. Невозможность удалить все загрязненные земли;
2. Дороговизна;
Недостатками способов очистки с помощью сорбирующих веществ являются:
1. Вторичное загрязнение почвы и грунта;
2. Трудности со сбором и утилизацией сорбирующих распыленных веществ, особенно в лесистых и болотистых участках земли;
3. Дороговизна.

Общеизвестно, что основным веществом, перемещающим радионуклиды в почвах и грунтах, является вода, путем их частичного растворения и под напором воды - чисто механически (см. Чернобыльская катастрофа: причины и последствия (экспертные заключения), часть 4. "Последствия катастрофы на Чернобыльской АЭС для Украины и России", глава 4 "Геохимия техногенных радионуклидов (горячих частиц) ЧАЭС и их экологическое влияние", под ред. В.Б Нестеренко и др. Минск: Тест, 1993 г., с. 40, 57, 66 - 75.

Известны полые, пористые фильтры, содержащие поры в виде капилляров, очищающие воду от растворенных в ней радионуклидов за счет ионного обмена на молекулярном уровне с материалом фильтра и за счет механической задержки частиц радионуклидов при фильтрации (см. патент RU N 2060950 C1 6 C 02 F 1/18, 1996 г.).

Известен также и способ отведения почвенных и грунтовых вод по закопанным в земле дренажным трубам (см. В.Г.Ясинецкий, Н.К.Фенин. "Организация и технология гидромелиоративных работ". - М.: Колос, 1975 г., с. 346 - 365. Н. С.Ерхов и др. "Мелиорация земель". - М.: Агропромиздат, 1991 г., с. 206 - 222).

Кроме того, известно и устройство для изготовления трубчатых изделий из порошковых материалов, содержащее конусную обойму, эластичную матрицу, формообразующий сердечник, основание, вкладыш, элементы, фиксирующие упругую матрицу, загрузочное устройство, рамную конструкцию, с установленным на ней нагружающим устройством и подвижной траверсой с опорным элементом, опорную раму с упором, вибратор и механизмы вращения и вертикального перемещения сердечника (см. патент СССР N 1790493, кл. B 28 B 3/02, 1992 г.).

Используя указанные знания, автор предлагает новый способ очистки почвы и грунта от радионуклидов.

Наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту является способ очистки почвы и грунта при помощи растений (биологических объектов), которые своими корнями (капиллярно-пористыми системами) поглощают воду из почвы и грунта, а вместе с ней и радионуклиды и тем самым очищают почву и грунт (см. а.с. N 1771534, кл. G 21 F 9/18).

Кроме указанных выше недостатков биологического способа очистки, очистка с помощью растений обладает еще одним существенным недостатком. Это избирательность в поглощении радионуклидов. Например, одни растения поглощают радионуклиды стронция и не поглощают радионуклиды цезия и наоборот.

Задачей изобретения является создание способа очистки почвы и грунта от радионуклидов, отличающегося простотой извлечения и утилизации радионуклидов, относительной дешевизной, возможностью применения на различных видах местности (болтах, лесах и т.д.) и на громадных участках загрязненных земель, т.е. в глобальном масштабе, ускоренным процессом очистки.

Указанная задача решается тем, что почву и грунт очищают дренажными системами из трубофильтров, сорбирующих радионуклиды, и колодцами-ловушками, стенки которых также обладают способностью сорбировать радионуклиды, для чего используют порошок глины с размером частиц от 0,14 до 1,25 мм, влажностью 3 - 5% и формируют из него на установке формования трубчатых изделий пористые трубы с раструбом (трубофильтры), а затем трубофильтры обжигают, сортируют, испытывают, упаковывают и транспортируют на загрязненные радионуклидами участки почвы и грунта, на загрязненных участках определяют глубину залегания радионуклидов, делают геодезическую разметку, копают траншеи, выравнивают их и укладывают в траншеи трубофильтры в виде закрытой дренажной системы, ниже уровня залегания радионуклидов в почве и грунте, соединяют дренажную систему с колодцами - ловушками радионуклидов, которые в свою очередь соединяют с каналами, отводящими очищенную воду в естественные русла, и засыпают траншеи, а после этого, по истечении некоторого времени, определяемым количеством осадков, выпавших на очищаемый участок и сорбирующей способностью трубофильтров и материала стенок колодцев-ловушек, извлекают трубофильтры из траншей, а из колодцев-ловушек материал стенок и утилизируют их, а далее при необходимости цикл повторяют заново, до полной очистки загрязненных участков почвы и грунта.

Колодцы-ловушки устаивают диаметром 1 - 2 м, а их стенки выполняют из внутренней и наружной металлических сеток, между которыми располагают сыпучий материал, способный сорбировать радионуклиды и пропускать большое количество воды. В установке для формования трубчатых изделий на формообразующем сердечнике выполняют выступ, оформляющий внутреннюю поверхность раструба, а упругую матрицу выполняют с выемкой, оформляющей наружную поверхность раструба, при этом установку выполняют без механизма вращения формообразующего сердечника, на который нанесено упругое покрытие.

Пример исполнения.

На фиг. 1 показан трубофильтр, на фиг. 2 показана установка для формования трубофильтров, на фиг. 3 показан фрагмент дренажной сети в плане, на фиг. 4 показан фрагмент разреза дренажной сети по вертикали.

Показанный на фиг. 1 трубофильтр состоит из двух конструктивных элементов - трубы 1 и раструба 2.

Трубофильтры изготавливают в диапазоне размеров:
длина, мм - 330 - 1500
внутренний диаметр, м. - 50 - 500
Раструб выполняют стандартным по образцу керамических канализационных труб.

Размер пор трубофильтров выполняют в пределах 5 - 10, 10 - 20, 20 - 50, 50 - 100, 100 - 200, 200 - 500 мкм. В качестве сырья, сорбирующего радионуклиды, используют порошок глины, известный из патента RU N 2060950 C1 6 C 02 F 1/18, 1996 г., с размером частиц от 0,14 до 1,25 мм, влажностью - 3 - 5%.

Формование трубофильтров осуществляют на установке фиг. 2, известной из патента СССР N 1790493, кл. B 28 B 3/02, 1992 г., содержащей конусную обойму, эластичную матрицу, формообразующий сердечник, основание, вкладыш, элементы, фиксирующие упругую матрицу, загрузочное устройство, рамную конструкцию, с установленным на ней нагружающим устройством и подвижной траверсой с опорным элементом, опорную раму с упором, вибратор и механизмы вращения и вертикального перемещения сердечника (на фиг. 2 не обозначены).

Отличительной особенностью установки (фиг. 2), используемой для формования трубофильтров, от известной является то, что на формообразующем сердечнике выполнен выступ 3, оформляющий внутреннюю поверхность раструба, а упругая матрица выполнена с выемкой 4, оформляющей наружную поверхность раструба. Кроме этого на формообразующий сердечник установки нанесено упругое покрытие 5, при этом указанная установка выполнена без механизма вращения формообразующего сердечника.

Нанесение упругого покрытия 5 на формообразующий сердечник установки необходимо для устранения расплющивания частиц "мягких" порошков на твердой поверхности сердечника, а в конечном итоге для улучшения проницаемости трубофильтра.

Выполнение установки без механизма вращения, формообразующего глины сердечника вызвано отсутствием в порошке глины армирующих волокон.

После формования трубофильтры подвергают обжигу при температуре 1000 - 1350^o C с выдержкой 1 - 2 часа. Затем трубофильтры сортируют (разбраковывают и испытывают по особой методике), маркируют и упаковывают. Далее трубофильтры транспортируют к месту укладки - на местность, загрязненную радионуклидами. На указанной местности определяют глубину залегания радионуклидов и делают геодезическую разметку траншей. Глубину залегания радионуклидов в почве и грунте определяют путем многократного бурения ям, исследованием вынимаемого из ям грунта и почвы. Далее роют траншеи известными машинами, к примеру, КДГ-55, КДГ-80, производят выравнивание полосы и последовательно, вкладывая в раструб одного трубофильтра конец трубы второго трубофильтра, выкладывают дренажную сеть (фиг. 3). Дренажную сеть укладывают ниже уровня залегания радионуклидов в почве или грунте (фиг. 4). Размер глубины траншеи от уровня залегания радионуклидов равен диаметру трубофильтров.

В процессе укладки дренажную сеть соединяют с колодцами-ловушками 6 (фиг. 3), которые в свою очередь соединяют с каналами 7, отводящими очищенную воду в естественные русла. Колодцы-ловушки 6 устраивают диаметром 1-2 м, стенки выполняют из внутренней и наружной металлических сеток, между которыми располагают сыпучий материал, способный сорбировать радионуклиды и пропускать большое количество воды, например, кремнийсодержащий адсорбент.

После закладки дренажной сети, устройства колодцев-ловушек 6 (фиг. 3) и отводящих каналов 7, засыпают траншеи 8 (фиг. 4), и, таким образом, система очистки готова к эксплуатации.

Предлагаемая дренажная система очистки почвы и грунта от радиоактивных загрязнений работает следующим образом.

Принцип работы показан на фиг. 4, где позицией 9 показаны загрязненные почва или грунт, позицией 1 показан трубофильтр, позицией 10 показан чистый грунт или почва, стрелками показано движение воды и радионуклидов к трубофильтрам 1, прерывистой линией показан уровень залеганий радионуклидов.

Вода в виде дождя или талых вод, попадая в грунт или почву, частично растворяя, частично захватывая в виде частиц радионуклиды, по пути наименьшего сопротивления достигает трубофильтров. Фильтруясь через стенки трубофильтров, воды очищается от радионуклидов и по каналам, составленным из трубофильтров 1 достигает колодцев-ловушек 6 (фиг. 3). В колодцах-ловушках 6 вода, повторно фильтруясь через стенки, дополнительно очищается от радионуклидов и, собираясь в отводящем канале 7 (фиг. 3), сбрасывается в естественные русла (на фиг. не показано).

По прохождении некоторого времени, год-два с момента закладки дренажной сети, определяемого в зависимости от количества осадков, выпавших в данной местности, и сорбирующей способностью трубофильтров и стенок колодцев-ловушек, извлекают из почвы или грунта выработавшие свой ресурс трубофильтры, извлекают сорбирующий материал стенок колодцев-ловушек и измеряют степень загрязненности почвы и грунта.

Если степень загрязненности почвы и грунта участка земли после очистки описанным выше способом удовлетворяет санитарным нормам, то очищенный от радионуклидов участок земли передается землепользователю.

Если же почва и грунт после первого цикла очистки не отвечает санитарным нормам по уровню загрязненности радионуклидами, то описанный выше цикл очистки почвы и грунта повторяют заново.

Выработавшие свой ресурс, загрязненные радионуклидами трубофильтры и материал стенок колодцев-ловушек транспортируют к месту их утилизации.

Предлагаемый способ, как и мелиорирование почвы, можно применять на различного рода почвах и грунтах (болота, пески и т.д.), т.е. в сравнении с известным биологическим способом (очистка растительным миром) расширяются возможности его применения в глобальном масштабе, соизмеримом с участками земли, загрязненными в результате катастрофы на Чернобыльской АЭС.

Кроме того, применение предлагаемого способа по сравнению с известным биологическим снижает затраты на очистку почв и грунтов, т.к. не требует затрат на его эксплуатацию.

Следует также отметить универсальность предлагаемого способа в сравнении с известным биологическим, т. к. растения поглощают радионуклиды избирательно, например, поглощают радионуклиды стронция и не поглощают радионуклиды цезия, а предлагаемые трубофильтры предлагаемого способа задерживают практически все виды радионуклидов.

Далее, предлагаемый способ очистки почв и грунтов от радионуклидов в сравнении с известным биологическим ускоряет процесс очистки, т.к. позволяет пропускать через трубофильтры и колодцы-ловушки большое количество загрязненных грунтовых и почвенных вод.

Следовательно, новые признаки, а именно: - очистка почвы и грунта путем очистки загрязненных почвенных и грунтовых вод с помощью дренажных систем из трубофильтров и колодцев-ловушек, создание новой конструкции фильтров (трубофильтров с раструбом), использование и доработка известного устройства по новому назначению - изготовление трубофильтров, замена традиционной дренажной трубки в мелиоративных работах на трубофильтры, новый способ укладки дренажной сети, разработка конструкции колодцев-ловушек и предложения по устройству отводящих каналов, создают положительный эффект и, таким образом, являются существенными.

Изобретение относится к области очистки почвы и грунта от радионуклидов. Задачей изобретения является создание способа очистки почвы и грунта от радионуклидов, отличающегося простотой извлечения и утилизации радионуклидов, относительной дешевизной, возможностью применения в различных видах местности. Способ заключается в том, что из порошка глины, способной сорбировать радионуклиды, формуют пористые трубы с раструбом - трубофильтры. Затем трубофильтры обжигают, сортируют, испытывают, упаковывают и транспортируют на загрязненные радионуклидами участки почвы и грунта. На загрязненных участках определяют глубину залегания радионуклидов, делают геодезическую разметку, копают траншеи, выравнивают их и укладывают в траншеи трубофильтры в виде закрытой дренажной системы, ниже уровня залегания радионуклидов в почве и грунте. Соединяют дренажную систему с колодцами-ловушками радионуклидов, которые, в свою очередь, соединяют с каналами, отводящими очищенную воду в естественные русла, и засыпают траншеи. По истечении некоторого времени, определяемого количеством осадков выпавших на очищаемый участок, и сорбирующей способностью трубофильтров, извлекают трубофильтры из траншей и утилизируют их. При необходимости цикл повторяют заново, до полной очистки загрязненных участков почвы и грунта. Колодцы-ловушки устраивают диаметром 1-2 м. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ очистки почвы и грунта от радионуклидов путем очистки грунтовых вод, растворяющих и перемещающих радионуклиды в почве и грунте, отличающийся тем, что почву и грунт очищают дренажными системами из трубофильтров, сорбирующих радионуклиды, и колодцами-ловушками, стенки которых также обладают способностью сорбировать радионуклиды, для чего используют порошок глины с размером частиц от 0,14 до 1,25 мм, влажностью 3 - 5% и формуют из него на установке формования трубчатых изделий пористые трубы с раструбом - трубофильтры, а затем трубофильтры обжигают, сортируют, испытывают, упаковывают и транспортируют на загрязненные радионуклидами участки почвы и грунта, на загрязненных участках определяют глубину залегания радионуклидов, делают геодезическую разметку, копают траншеи, выравнивают их и укладывают в траншеи трубофильтры в виде закрытой дренажной системы ниже уровня залегания радионуклидов в почве и грунте, соединяют дренажную систему с колодцами-ловушками радионуклидов, которые, в свою очередь, соединяют с каналами, отводящими очищенную воду в естественные русла, и засыпают траншеи, а после этого по истечении некоторого времени, определяемого количеством осадков, выпавших на очищаемый участок, и сорбирующей способностью трубофильтров и материала стенок колодцев-ловушек, извлекают трубофильтры из траншей, а из колодцев-ловушек материал стенок и утилизируют их, а далее при необходимости цикл повторяют заново до полной очистки загрязнения участков почвы и грунта. 2. Способ очистки по п.1, отличающийся тем, что колодцы-ловушки устраивают диаметром 1 - 2 м, а их стенки выполняют из внутренней и наружной металлических сеток, между которыми располагают сыпучий материал, способный сорбировать радионуклиды и пропускать большое количество воды. 3. Установка для формования трубчатых изделий, содержащая конусную обойму, эластичную матрицу, формообразующий сердечник, основание, вкладыш, элементы, фиксирующие упругую матрицу, загрузочное устройство, рамную конструкцию с установленным на ней нагружающим устройством и подвижной траверсой с опорным элементом, опорную раму с упором, вибратор, механизм вертикального перемещения сердечника, отличающаяся тем, что на формообразующем сердечнике нанесено упругое покрытие и выполнен выступ, оформляющий внутреннюю поверхность раструба, а упругая матрица выполнена с выемкой, оформляющей наружную поверхность раструба.