化学反应剂及废料处理方法

专利名称:化学反应剂及废料处理方法
本发明是关于含有化学废物及低、中量核废物的有机废料或无机废料的处理，尤其是关于利用微囊法或固化法对废料进行处理。更详细地说，本发明涉及利用化学反应剂及凝硬材料与废料反应以形成适于安全贮藏或处理的固体颗粒的废料处理。化学反应剂包括阻滞剂，例如甘油或其他粘性改变剂或含有它们的混合物，还包括加速剂。
当今，工业界所面临的最大问题之一是，各种工业已经产生的和正在产生的废料处理。以前曾提出几种解决该问题的方法。一种方法包括将废料运到埋藏地进行处理。这种方法的缺点在于它要求将废料从很远的地方运到埋藏地，这样就使得这种处理不经济，而且对运输通过的居民地也是危险的。这种方法的另一个缺点是，在埋藏处理过程中废料仅仅是被覆盖，并不是被永久地封闭。这样，这个问题就又留给了未来的下代人。用埋藏方法处理的废料可能渗过地层进入地下水流，并能通过天然水流返回居民区。环境保护机构已颁布条例，禁止用以前的埋藏处理液态废料的习惯做法，限制可进行埋藏的固态废料及固化废料的种类。该条例使许多先前的做法已不能使用。
以往另一种废料处理方法是化学处理。这种处理的一个缺点是，由于存在于废料，尤其是有害废料中的大多数化合物不与其他化合物反应而转变成无危险的化合物，因此这种方法并不是有效的。进一步说，即使可以转变成无害化合物，这种方法也是不经济的。
以前也曾将焚烧作为处理废料的方法。然而在大多数情况下焚烧并不是有效的。而且其焚烧过程可导致生成其他不希望的、散发到环境中去的化学灰尘或气体。再者，焚烧也是一个十分昂贵的方法，需要高度复杂的焚烧设备并要求将废料运至专门进行焚烧的地点。
以往另一种废料处理方法是，通过废料与锯末、各种凝硬材料及聚合物混合进行固化。该方法的缺点之一是不能充分固化液态废料或泥渣型废料。另一个缺点是，过去所用的几种凝硬材料由于其自身的物理或化学性质没有显示出显著效果。例如以前曾企图用卜特兰水泥来固化废料，形成一种高渗透性的、多孔的、易浸出和机械强度不高的固体产物。使用其他具有更好物理性质的凝硬材料以促进各种化合物，如飘尘之间的相互作用也是无效的，因为这样的材料具有不希望的性质，例如在废料尚未均匀散布到该材料中之前便快速凝固。尽管聚合物被用作键合剂，但它并未成功地键合大多数废料。再者，使用促进固化的聚合物也是不希望的，因为许多聚合物是有毒的，而且化学侵蚀，如硫蚀可由这些聚合物引起。还有，当使用聚合物时产生的废料化合物会随时间推移而变质，因此这种处理常常不是永久性的。
本发明通过提供一种独特的化学反应剂和一种独特的方法克服了上述方法之不足。其中这种化学反应剂与废料及高活性凝硬材料混合在一起，以产生一种固态产物，该产物无毒，安全、坚实，体积亦比以前所用的固化方法所产生的废料产物体积小，易于运输，易于在埋藏地或容易获得的天然处理地(例如盐丘等等)进行处理。本发明还公开了一种化学反应剂和一种利用这种反应剂的方法，其中凝硬材料可有效地处理其他废料，故可同时处理两种废料。该化学反应剂的生产及使用是非常简便而经济的。
本发明的这些和其他优点及目的可从以下的描述中明显地表现出来。
含有化学废物及中、低量核废料的有机和无机废料可通过将其与化学反应剂和凝硬材料混合进行固化。该化学反应剂包括阻滞剂，它可以是甘油或其他粘性改变剂，以及加速剂，即氯化钙。该阻滞剂防止凝硬材料的瞬时固化并减慢固化过程。另一方面，加速剂却增进固化活性。阻滞剂还可作为润滑剂而改善粘滞性。该凝硬材料不仅可以是为凝结作用专门制造的凝硬材料，例如卜特兰水泥，而且可以是不同工业生产中产生的废料，例如飘尘、窑尘及钢或铅集尘室的灰尘。所形成的固态废料随后可被贮藏或在天然贮藏地处理，而对环境没有影响或危害。
根据本发明，可以生产一种具有独特性能的化学反应剂，用来固化有机和无机废料，例如化学废料，低、中量核废料，并安全处理这些废料。将化学反应剂与废料及凝硬材料混合，以形成固态废料。有一点是重要的，即混合及有关步骤应同时进行或以一个特定的顺序进行，以获得所需要的结果，这将在下面描述。
该化学反应剂主要由阻滞剂和加速剂化合物的水溶液组成。在本发明中，阻滞剂是甘油，一种市场上易于购到的公知化合物，或另外一种粘性改变剂。阻滞剂还可是甘油与其他帖性改变剂相结合。其它的阻滞剂可单独使用，亦可结合使用，这取决于它们的可得性，经济性及废料的性质。按照本发明甘油是一种合适的阻滞剂并可单独使用或与其他阻滞剂在多种不同的成分比条件下结合使用，但在大多数情况下优先选用甘油，因为它具有高阻滞性及润滑性。当阻滞剂与水和废料混合后，它能防止瞬时凝固并减慢凝硬材料的凝固及固化过程。可以确信，阻滞剂包覆废料颗粒而减慢了固化过程。固化的延迟提供了充足的时间，使凝硬材料和废料均匀混合，以获得最终废料产物中的废料键合。再者，缓慢的凝固时间可增加最终废料产物的机械强度。阻滞剂还可作为润滑剂，作为润滑剂它提供了低粘度，因而降低摩擦性，使化学反应剂、废料及凝硬材料以后面所述的方式混合。优先选用的加速剂化合物是氯化钙(CaCl2)，它促进凝硬材料的凝固过程。化学反应剂还可以含有在所述的过程中保持中性的其他溶剂。
所述的化学反应剂是借助公知的混合技术，将氯化钙水溶液与阻滞剂混合而成。在作为化学反应剂初始材料的水溶液中的氯化钙含量从15%(按重量)到饱和变化。化学反应剂中的阻滞剂量取决于所需要的延迟及粘滞性，以及所处理的废料性质。例如，若需要较长的凝固时间，则阻滞剂的量就增加，由此形成的废料产物就比较坚硬。在一典型的实施例中阻滞剂的含量范围为每100份未稀释的化学反应剂对应0.01～15份阻滞剂。不言而喻的是，本领域的技术人员能够视实际应用的需要来改变阻滞剂的量。该化学反应剂是一种无毒、均匀液体。它能够长期保持自身的均匀和稳定。该反应剂易于在-40～35℃和更高温度贮存。因为该阻滞剂化合物及加速剂化合物便宜，而且混合操作简单，所以该化学反应剂也是便宜的。
许多不同的凝硬材料可被使用，包括燃煤发电厂所产生的飘尘、含有高钙的C级型飘尘、含有高硅、铝氧化物的F级飘尘、水泥窑灰含高钙的石灰窑尘、钢或铅集尘室的灰尘、来自耐火材料工业的二氧化硅烟尘、石膏及卜特兰水泥。上述凝硬材料中，大多数都被认为是废料。利用这些废弃的凝硬材料是本发明的独到之处，即利用凝硬材料处理其他废料，包括下面将描述的化学废料及低、中量核废料。用于实施本发明的凝硬材料的选择取决于在特定场合下该材料的可获性、它的价格、产生废料单位的需要以及管理机构的准则。例如在美国的某些地方可获得大量飘尘，因此就可采用飘尘作为凝硬材料。在特定的情况下，待处理的废料性质也可能需要用含高量钙的凝硬材料，例如用卜特兰水泥或石灰窑尘对其进行硬化处理。
本发明所述化学反应剂的利用使人们能够使用具有大活性表面的凝硬材料，因此凝硬材料可更容易地与废料反应而形成具有高密度、低气孔率的最终废料产物。优先考虑使用的凝硬材料应是小尺寸的、均匀的细粉状颗粒，组份中含有高量钙及其他硬化元素，例如飘尘就是一种由非常小的球形均匀颗粒构成的凝硬材料。因此，飘尘就具有良好吸收废料的有害组分并与其反应或浮获废料有害组份的能力。然而当飘尘与水及废料混合后，它会迅速凝结，因此如果没有本发明的化学反应剂参与，它的使用是不实际的。而且飘尘中钙含量相对较少而钙又恰是对最终产物的机械强度及结合力有贡献的物质。因此，单独使用飘尘是不能形成具有高机械强度的含废料固态化合物。本发明所述的化学反应剂的使用弥补了这些不足，通过提供钙而增加最终产物的机械强度;提供阻滞剂以防止飘尘与水及废料混合物的瞬时凝结。
本发明所公开的方法的一个非常重要的方面是，它要求混合、合成及有关步骤同时进行或以一个特定顺序进行，以获得最佳结果。步骤的顺序依赖于被处理废料(不管是有机的或无机的)是液态还是固态废料。这里应指出的是，在此特定情况下及权利要求
中所用的“固态废料”是指含有少于15%游离液体的废料;而且这里所用的“液态废料”是指含有大于15%游离液体的废料。如果废料是液态的，则该废料应在适合进行上述混合的普通混合器中首先与化学反应剂混合一足够长的时间，以使化学反应剂均匀分布于液态废料中，随后将含有液态废料和均匀分布化学反应剂的混合物与凝硬材料粉末掺和或混合一足够长的时间，以达到完全均匀的混合。在上述混合之后，可使混合物固化，以形成废料固体颗粒。为了彻底处理，需把混合物倒进铸容器或模型中，以形成具有规定形状，例如块状的废料固体颗粒。
优先选用在连续混合器中进行液态废料处理。通过利用公知的混合和掺合设备可进行连续成型。例如，液态废料与化学反应剂的混合可在混合机中或管道掺合机中进行，所得混合物与飘尘的混合可在螺旋或螺条混合器中进行。尽管对液态废料优先选用连续成型，但也可采用分批成型，特别是当需要固化的废料量较少时，这种处理可以在主间歇式混合器(Central batch-type mixer)中进行。
假如待处理废料是如上定义的固态废料，则首先将其与粉末状凝硬材料混合，直至得到均匀混合物。在一个分隔的混合槽中，把水加到化学反应剂中使其有一最佳水含量，该最佳水含量是处理上述固态废料所需要的。尽管依据废料类型及处理过程可以有多种坍落指标(Slump rating)，但一般情况下宁愿在固态废料中添加足够的水，使所得化合物在其固化前可倒出来。然后将反应剂添加到含有固态废料和凝硬材料的均匀混合物中，再进行足够长时间的混合，以获得均匀混合物。随后使所得的混合物固化成废料固体颗粒。为了固化也希望将该混合物送入铸容器中，在此形成成型固体。通过同时进行上述步骤也能有效进行固态废料处理，也可利用类似于上述液态废料固化所用的公知装置分批地或连续地处理固态废料。
在废料与化学反应剂及凝硬材料混合之前，常常要采取一定的予备步骤处理废料，以增加化合物的交互反应活性，并获得较好的最终固态废料产物。一个予备步骤是中和废料，无论废料是酸性的还是碱性的，利用例如钠、石灰等这些公知中和剂处理废料，以便获得一最佳pH值。另一个予备步骤是磨碎废料中的固态组分，以增加废料中所含固体颗粒的表面积并减小废料中的固态物料尺寸，借此达到更好地与凝硬材料混合，这一步骤尤其适用于固态废料和有固体颗粒的液态废料。再一个予备步骤包括在固态废料与化学反应剂及凝硬材料混合之前对废料进行干燥处理，这一步骤适合含有液体的固态废料处理。废料的干燥和磨碎可在例如回转干燥炉和旋转研磨机这一类公知装置中进行。
本发明的方法可用于处理很多种有机和无机废料，包括化学废料及低、中量的核废料，这些废料是由工业生产和其他应用产生的。其他应用包括(但不仅仅限于)芳族重油和焦油，杂酚油淤渣焦油(Creosote Sludges tars)，槽底;石油重油，焦油和油渣;石油化学重油和焦油及所有副产品以及含聚合物的罐渣;含多氯联苯的卤代有机残渣，二噁英(dioxin)及构成槽底的其他氯化溶剂;含砷农药/除莠剂残渣;有机和无机淤渣以及含有含铅槽底垃圾的废料;无机残渣，电镀及金属抛光淤渣及废料，铬锌等;被污染的土壤，多氯联苯和二噁英(dioxin)污染的油，被污染的渣垢和灰尘;被吸收或滞留在固态颗粒里或吸收在液体里的废气，以及焚化炉灰。利用本发明的方法处理焚化炉灰是非常有意义的，因为目前正在显露出对它的需要，而且以前从未进行过固态形式的废料处理或焚化。
至于利用本发明所述的方法固化或处理低、中量核废料所用的步骤与固化液态废料的步骤相同。然而，应优先考虑使用含有高量铅的钢或铅集尘室的灰作为凝硬材料，以便对核废料的辐射传播提供铅屏蔽。
处理各种废料所需要的化学反应剂及凝硬材料的量取决于待处理废料的种类及过程特殊要求。在典型的实施例中，化学反应剂用量范围为每千克被处理废料需16.3～130.5毫升，凝硬材料用量范围为每千克废料需24克到2千克。在含有固体颗粒的液态废料处理中，所需要的凝硬材料的量随悬浮在液态废料中的固体颗粒量增加而减少。最好在废料处理之前用特定废料进行实验室试验，以确定所需要的凝硬材料和化学反应剂的最佳量。
在本发明所述的方法中，化学反应剂、凝硬材料及废料通过固化过程而交联并键合，这一固化过程改变了废料的物理和化学性质。该过程减小了废料的渗透系数及废料基体塑性指数，而增加其内在机械强度，在固化时使之成为承受重量的载体。该方法提供了一种使基体中未参与化学反应结合的部分被包覆和封闭的微囊法，从而被封闭的部分在由凝硬材料颗粒构成的间隙中微囊化并且实际上成为不渗透的和基本上无渗出。各组分之间的反应充分地发生在废料的全部颗粒表面上。某些废料在这一过程中具有活性作用，主动地起化学反应剂的作用，对物理硬化及减少渗透性和渗出性作出进一步贡献。所得最终废料产物的体积小于用上述现有技术固化处理所得最终产物的体积。
可安全地运送用本方法所形成的固体颗粒并贮藏在各个地方，例如埋藏地。一种贮藏这种废料固体颗粒的特殊地方是遍及美国的盐洞。这种贮藏可通过直接将固体颗粒放入处理位置中来完成，或在固化前先将废料浆泵入盐洞，在此经长期存贮而固化。
下述实施例对本发明作进一步的解释，但并不构成对本文所述方法范围的限定。
实施例 1将100克含7.5%(重量)固体颗粒的酸残渣废料与10克含0.125克甘油、0.125克聚乙二醇和9.7克的39%氯化钙水溶液，即大约3.8克的氯化钙和5.9克的水相混合。然后将100克石灰尘掺入上述混合物中。将所得的混合物倒入模中，固化时间大约为5小时，最终固化时间为10小时。
实施例 2将100克集尘室钢尘与15克卜特兰水泥混合。在一个分隔的容器中，将7份水(12.85克)与1份(2.65克)含0.03克甘油、0.03克聚乙二醇和2.59克的39%氯化钙水溶液的化学反应剂混合成15.5克的稀释化学反应剂。然后将化学反应剂加到独立形成的集尘室钢尘和卜特兰水泥混合物中并使最终混合物固化。
实施例 3重复实施例2的步骤，用50克C级飘尘代替15克卜特兰水泥。
实施例 4将100克干土与50克C级飘尘相混合。在一个分隔的容器中将5份水(13.5克)与1份(4.0克)含0.05克甘油、0.05克聚乙二醇和3.9克的39%氯化钙水溶液的化学反应剂混合成17.5克的稀释化学反应剂。随后将这种稀释化学反应剂加入土/飘尘混合物中并使之固化。
实施例 5将2份水(9.5克)加入1份(8.0克)含0.11克甘油、0.11克聚乙二醇和7.78克的39%氯化钙水溶液的化学反应剂中形成17.5克的稀释化学反应剂。随后将这种稀释化学反应剂与100克湿土相混合，再将所得混合物与50克C级飘尘掺和并使所得混合物固化。
实施例 6将100克来自油分离器的含40%(重量)固体颗粒的残渣废料与2.5克含0.05克甘油、0.05克聚乙二醇和2.4克的39%氯化钙水溶液的化学反应剂混合。随后将100克C级飘尘加入该混合物中与其混合。
实施例 7使用5克相同化学反应剂重复实施例6的步骤。
实施例 8将100克来自油分离器的含60%(重量)固体颗粒残渣与2.5克实施例6中所用的相同化学反应剂混合。随后加入60克C级飘尘与该混合物混合。
实施例 9使用5克相同化学反应剂重复实施例8的步骤。
实施例 10将100克含7.5%(重量)固体颗粒的镀铬废料与2.5克实施例9所用的相同化学反应剂混合。随后将7.5克C级飘尘与该混合物混合并使所得混合物固化。
实施例 11使用含15%(重量)固体颗粒的相同废料重复实施例10的步骤。
实施例 12使用5克相同化学反应剂重复实施例10的步骤。
实施例 13使用5克相同化学反应剂重复实施例11的步骤尽管是根据特定的实施例和改型描述了本发明，但除在下述权利要求
中所指明的范围外，其细节不被视作对本发明的限定。
权利要求
1.一种处理危险废料的方法，包括下列步骤将阻滞剂与加速剂混合成化学反应剂；将化学反应剂与废料及凝硬材料混合。
2.根据权利要求
1的方法，其中阻滞剂是甘油。
3.根据权利要求
1的方法，其中阻滞剂是粘性改变剂。
4.根据权利要求
1的方法，其中加速剂是氯化钙。
5.根据权利要求
1的方法，还包括使化学反应剂、废料和凝硬材料混合物发生固化的步骤。
6.根据权利要求
1的方法，其中混合步骤包括同时混合化学反应剂、废料和凝硬材料。
7.根据权利要求
1的方法，其中废料是液态废料。
8.根据权利要求
7的方法，其中混合步骤包括先将化学反应剂与废料混合;以及然后使所得的化学反应剂和废料的混合物与凝硬材料混合交互反应。
9.根据权利要求
8的方法，其中第一个混合步骤包括将反应剂均均匀分布于整个废料中。
10.根据权利要求
9的方法，其中交互反应过程包括均匀混合化学反应剂、废料及凝硬材料。
11.根据权利要求
1的方法，其中废料是固态废料。
12.根据权利要求
1的方法，其中混合步骤包括先将废料与凝硬材料混合;以及随后使化学反应剂与废料和凝硬材料混合物进行交至互作用而形成混合料。
13.根据权利要求
12的方法，包括在化学反应剂与废料和凝硬材料混合物发生交互作用前，向化学反应剂中加水步骤。
14.根据权利要求
13的方法，还包括使化学反应剂、废料及凝硬材料混合物固化步骤。
15.根据权利要求
1的方法，其中废料是核废料。
16.根据权利要求
15的方法，其中废料是低量核废料。
17.根据权利要求
15的方法，其中废料是中量核废料。
18.根据权利要求
1的方法，其中阻滞剂的用量为围为每100份稀释化学反应剂用0.01～15份阻滞剂。
19.根据权利要求
1的方法，其中凝硬材料的用量范围为每千克废料用94克至2千克凝硬材料。
20.根据权利要求
1的方法，其中化学反应剂的用量为每千克废料用16.3～130.5毫升。
21.根据权利要求
11的方法，还包括在固态废料与化学反应剂及凝硬材料混合之前干燥固态废料步骤。
22.根据权利要求
1的方法，还包括在废料与化学反应剂及凝硬材料混合之前中和废料步骤。
23.根据权利要求
1的方法，还包括在形成化学反应剂及化学反应剂与废料混合之前分析废料步骤。
24.一种用于处理废料的化学反应剂包括一种阻滞剂和一种加速剂。
25.根据权利要求
24的化学反应剂，其中阻滞剂是粘性改变剂。
26.根据权利要求
25的化学反应剂，其中阻滞剂是甘油。
27.根据权利要求
24的化学反应剂，其中加速剂是氯化钙。
28.一种用于处理废料的组合物包括一种凝硬材料，以及一种含有阻滞剂和加速剂的化学反应剂。
专利摘要
一种通过将废料与化学反应剂及凝硬材料混合处理废料的方法。化学反应剂包括粘性改变剂，即阻滞剂和加速剂。
文档编号G21F9/16GK87105717SQ87105717
公开日1988年6月22日 申请日期1987年7月8日
发明者罗宾·布鲁斯·索默维利, 利安格·森格·芬 申请人:尤里技术公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan