Метод фиксации и заключения отходов в капсулы

Фиксацией отходов называется метод ограничения подвижности загрязнителей в отходах в результате уменьшения их растворимости или ограничения поверхности контакта с растворителями (например, водой). Заключение в капсу­лы представляет собой обволакивание отдельных блоков отходов непроницаемыми мембранами для ограничения контакта с растворителями. Понятия фиксация и отверждение отходов взаимозаменяемы, хотя отверждение предполагает превращение жидких отходов в твердые. При этом улучшаются физические характеристики отходов, что важно для упрощения обращения с отходами и их транспортировки. Если фиксация обеспечивает уменьшение подвижности загрязнителей в такой степени, что исключается серьезная опасность для окружающей среды, такие отходы могут рассматриваться как неопасные и размещаться на обычных свалках.

Фиксация с помощью цемента. Использование цемента для фиксации отходов является в настоящее время наиболее распространенным методом. Эта технология хорошо отработана, материал доступен и недорог. Фиксация с помощью цемента применяется для отходов, содержащих воду, которая необходима для реакции цементирования. При правильном приготовлении твердые продукты обладают относительно низкой проницаемостью и высоким сопротивлением сжатия, хотя и не в такой мере, как бетон. Недостатком фиксации с помощью цемента является увеличение объема отходов и возможная коррозия цемента при низких значениях рН.

Этот метод используется преимущественно для неоргани­ческих отходов, особенно тяжелых металлов. Он широко применяется для фиксации радиоактивных отходов, осадков сточных вод предприятий финишной обработки и плакирования металлов, отходов электронной промышленности и ила, получаемого в процессе очистки сернистых газов. При ха­рактерно высоких для цементных смесей значениях рН (от 9 до 11) тяжелые металлы осаждаются в виде гидроксидных, карбонатных или силикатных соединений. Минимум растворимости для многих гидроксидов металлов, таких как: гидроксиды кадмия, меди, свинца, никеля и цинка, - наблюдается при рН от 9 до 11. Процесс фиксации с помощью цемента обычно мало за­висит от химических характеристик материалов. Цемент обычно позволяет уменьшить растворимость веществ, но не ограничивает контакт с водой, по­скольку пористость может быть достаточно большой (> 35%). Загрязнители, которые не уменьшают своей растворимости при фиксации в цементе, могут легко вымываться.

Для повышения степени фиксации тяжелых металлов в цемент часто добавляют растворимые силикаты. Для увеличения рН может быть также добавлен известняк. В Японии для фиксации отходов производства соды, которые содержат ртуть, весьма успешно используется портландцемент. При этом в цемент добавляется сульфид натрия.

Фиксация с помощью извести и известковых смесей. При этом известь реагирует с мелко раздробленным кремнеземом и водой при температуре окружающей среды. Источником кремнезема могут служить вулканическая зола, обожженная глина, гранулированный металлургический шлак и кремнеземистые грунты. Процессы фиксации с помощью извести особенно эффективны для неорганических отходов, в частности для тяжелых металлов. Фиксированные продукты ведут себя аналогично продуктам фиксации с помощью портландцемента. При типично высоких значениях рН таких ма­териалов тяжелые металлы осаждаются в виде гидроксидных или карбонатных соединений и фиксируются в отвердев­ших блоках.

Фиксацию в термопластические материалы можно рассматривать как технику заключения отдельных частиц отходов в непроницаемые оболочки, такие как асфальт или полимерные материалы (например, полиэтилен). Процесс фиксации заключается в перемешивании сухих отходов с расплавленным пластическим материалом, после чего смесь охлаждается и затвердевает. Пластический материал не только обволакивает отдельные частицы отходов, но и заполняет пустоты между ними, что предотвращает проникновение растворителей в продукт фиксации. Один из вариантов технологии фиксации заключается в перемешивании влажного ила с асфальтовой эмульсией и последующим нагреванием для испарения воды. В окончательном продукте обычно содержится 25 – 50% отходов (сухого вещества), остальное - материал фиксации.

Термопластическая фиксацияобычно представляет собой механическую изоляцию загрязнителей, а не их химическое связывание. Она является весьма эффективным средством уменьшения подвижности широкого ряда загрязнителей. Растворители, обезвоженные соли, сильные окислители и термически неустойчивые отходы не могут фиксироваться таким образом.

Достоинствами техники термопластической фиксации являются: значительное уменьшение скорости вымывания легко растворимых компонентов, возможное уменьшение объема, уменьшение поверхности вымывания, поскольку вода не может проникнуть внутрь фиксированного объема. Недостатки связаны с высокими затратами, необходимостью использовать более сложное оборудование, чем при фиксации в цемент или известняк, опасностью пожара и потребностью в больших количествах энергии для подсушивания влажных отхо­дов, а также выделением при нагревании токсичных газов.

Для фиксации с использованием мономеров высокомолекулярных соединений (ВМС) готовится смесь отходов с соответствующими смолами или мономерами, затем вводится катализатор, кото­рый обеспечивает полимеризацию и создание объема фиксированного материала. Отходы обычно химически не связываются с полимером. Происходит обволакивание частиц отходов, как в случае применения термопластических материалов. Для обработки отходов обычно используются формальдегидные, виниловые и полиэфирные соединения. Этот процесс может применяться для влажных и жидких отходов, но тогда необходимо использовать эмульгированную полиэфирную смолу и пероксидный катализатор для получения твердого монолита, состоящего из капель отходов, заключенных в полиэфирные оболочки. Сообщается, что монолит обладает сопротивлением на сжатие на уровне бетона.

Достоинства метода фиксации отходов с помощью полимерных органических материалов обусловлены относительно высоким отношением количества отходов к количеству фиксирующего материала, меньшим, чем при использовании цемента, удельным весом и низкой температурой процесса. К недостаткам отно­сятся также возможность появления ядовитых паров в про­цессе полимеризации и необходимость использования специ­альных покрытий для емкости перемешивания в связи с кор­розионной активностью катализаторов.

Использование формальдегидных смол требует малых значений рН, что обычно приводит к увеличению растворимости тяжелых металлов. Такие смолы дают усадку при старении и выделяют свободную воду.

Техника поверхностного обволакивания связана с заключением монолитного объема отходов в термопластический материал, например полиэтилен, исключающий контакт отходов с вымывающими растворителями. Эта технология менее трудоемка, чем технология перемешивания отходов с термопластическим материалом, однако появление трещин в покрытии приводит к быстрому вымыванию загрязнителей.

Фиксация в стекле первоначально была разработана для радиоактивных отходов, для которых стремились по­лучить очень малые скорости вымывания. Водные растворы, содержащие ионы радиоактивных металлов, обычно высушиваются, кальцинируются, перемешиваются со стеклообразующими материалами, такими как кремнезем и бура, а затем обжигаются при высокой температуре для образования стекла. Такие стеклообразные массы обеспечивают скорости вы­мывания на несколько порядков меньше, чем смеси отходов с термопластическими материалами. Недостаток фиксации в стекле связан с большими затратами на организацию и про­ведение процесса.