Способ дезактивации почвы

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Брестский политехнический институт(73) Патентообладатель Брестский политехнический институт(57) 1. Способ дезактивации почвы, включающий перепахивание зараженной радиоактивными веществами территории тракторным плугом на глубину до 20 см, отличающийся тем, что предварительно наносят на зараженную радиоактивными веществами поверхность почвы измельченное порошковое битумосодержащее сырье. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измельченное порошковое битумосодержащее сырье наносят в смеси с известковой мукой. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что после перепахивания поверхность почвы укрывают защитным слоем из порошкового битумосодержащего сырья. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измельченное порошковое битумосодержащее сырье наносят на зараженную радиоактивными веществами поверхность почвы распылением по воздуху авиационными средствами. 4021 1 Изобретение относится к снижению радиоактивности зараженных поверхностей, а конкретно - к дезактивации почвы, содержащей радиоактивный йод и изотопы стронция. Известны способы дезактивации почвы, заключающиеся в удалении радиоактивных веществ с зараженных поверхностей с помощью механических и физико-механических средств 1. Механический способ осуществляется с помощью землеройных механизмов, срезающих и удаляющих слой почвы с радиоактивными веществами с зараженных участков. Этот способ неэффективен, трудоемок,нарушает целостность окружающей среды, возникают проблемы с транспортировкой и захоронением удаленных объемов с радиоактивными веществами. Физико-механический способ дезактивации связан с использованием, например, нефтепродуктов (бензина, керосина и дизельного топлива), а также дезактивирующих растворов типа ОП-7 и ОП-10, разбавляемых только водой. Этот способ дезактивации применяется ограниченно из-за сложности его осуществления, дефицитности средств, невозможности распыления их с помощью авиационных средств по воздуху над большими территориями, зараженными радиоактивными веществами. Кроме того, активность дезактивирующих растворов и летучих нефтепродуктов кратковременная и они не создают условий для химических реакций как в почве, так и на ее поверхности, которые бы способствовали нейтрализации радиоактивных веществ. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ дезактивации почвы,заключающийся в перепахивании зараженной радиоактивными веществами территории тракторными плугами на глубину до 20 см 1, который принят в качестве прототипа. Недостатками известного способа дезактивации почвы являются то, что радиоактивный йод и изотопы стронция, представляющие большую опасность для здоровья и жизни, хотя и остаются под слоем почвы, но не нейтрализуются. Эти радиоактивные вещества могут оказаться на поверхности почвы и вместе с почвенной пылью переноситься ветром по воздуху, заражая большие площади соседних территорий. Кроме того,такие зараженные почвы длительное время не могут быть использованы в сельскохозяйственной деятельности. Территория Беларуси после чернобыльской катастрофы загрязнена радиоактивной пылью в виде смеси, в частности, из радиоактивных йода 2 и изотопов стронция. Распад этих радиоактивных веществ может продолжаться десятки лет. Радиоактивный йод и изотопы стронция сосредоточены не только на пахотных землях, но и в лесах, на донных участках водоемов и т.д. Причем в силу сложности характера и сложившегося направления господствующих сезонных ветров и рельефа местности концентрация радиоактивных веществ на зараженных участках территории может быть различна они больше накапливаются в зонах аэродинамических теней в складках рельефа с лесистой растительностью, в низинах, болотах, на донных участках озер и водоемов без проточной воды и т.п. То есть радиоактивные вещества переносятся с определенным постоянством по водным руслам и складкам рельефа водой и ветром. Поэтому необходимо использовать такое дезактивирующее вещество, которое бы по аналогичным путям перемещения могло быть доставлено водой и ветром в места скопления различных радиоактивных веществ, блокировать и нейтрализовать их. По существу на зараженных участках сосредоточены не разрозненные типы радиоактивных веществ, а их смеси с выброшенной из реактора пылью. Причем для каждого типа радиоактивного вещества необходимы только определенные виды дезактивирующих веществ и особенности среды, которые бы содействовали нейтрализации этих радиоактивных веществ, а это очень сложно реализовать на практике. Например, йодплохо растворяется в воде и хорошо - в органических растворителях 3.Поэтому частички йода, в том числе и радиоактивные, могут быть нейтрализованы нефтепродуктами. Стронцийотносится к щелочноземельным металлам 3. Частички стронция с радиоактивными изотопами 90 и 89 сообщают воде щелочную реакцию. Нефтяные битумы в щелочной среде способны эмульгировать и создавать при этом жидкопластичную фазу, которая будет содействовать растворению в ней частичек йода и одновременно поглощать их вместе с ионами стронция. Такая комплексная взаимозависимость позволяет использовать нефтяной битум как универсальное дезактивирующее вещество для нейтрализации радиоактивных йода и изотопов стронция. Традиционно нефтяные битумы применяются в различных отраслях строительства и промышленности только в жидкой фазе. Естественно, в таком виде битумы не могут быть применены как дезактивирующие вещества. Для этих целей может быть использовано только измельченное в порошок битумосодержащее сырье. Необходимые машины для измельчения битумосодержащего сырья (кровельные отходы, твердые сплавы некондиционных битумов и т.д.) имеются 4, 5, поэтому проблем для получения любого количества порошковых битумов не будет. Для нейтрализации радиоактивных йода и изотопов стронция и уменьшения их вредного воздействия на окружающую среду необходимо в зараженную радиоактивными веществами почву вносить измельченное в порошок битумосодержащее сырье. Предлагаемое изобретение позволяет в результате химической реакции и физико-механических воздействий нейтрализовать в почве радиоактивные частички йода и стронция и заключить их в битумную оболочку,обеспечив при этом обеззараживание от радиоактивных веществ окружающую природную среду. 4021 1 Задача, не решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы разработать способ, включающий предварительное нанесение на зараженную радиоактивными веществами поверхность почвы измельченного порошкового битумосодержащего сырья с последующим перепахиванием и боронованием этой почвы измельченное порошковое битумосодержащее сырье наносят в смеси с известковой мукой после перепахивания поверхность почвы укрывают защитным слоем из порошкового битумосодержащего сырья измельченное порошковое битумосодержащее сырье наносят на зараженную радиоактивными веществами поверхность почвы распылением по воздуху авиационными средствами. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображены мицелла битума в почве с радиоактивным йодом и изотопами стронция во взаимодействии друг с другом от физико-механических усилий и химической реакции на фиг. 2 изображена мицелла битума с поглощенными радиоактивными йодом и изотопами стронция на фиг. 3 изображена последовательность нанесения порошкового битумосодержащего сырья на зараженную радиоактивными веществами поверхность почвы на фиг. 4 изображен процесс механической обработки (перепахивание, боронование) слоя почвы с радиоактивными веществами вместе с порошковым битумосодержащем сырьем на фиг. 5 изображен слой почвы с радиоактивными веществами вместе с порошковым битумосодержащим сырьем, укрытого защитным слоем из этого же порошкового битумосодержащего сырья. Почва с радиоактивными веществами 1 содержит радиоактивные изотопы стронция 2 и йод 3. Наличие влаги в почве способствует возникновению химической реакции 4, которая вызывается частичками стронция. Частички битума представляют собой мицеллу 5 в виде оболочки из масел 6 с ядром из смол 7 и асфальтенов 8. При испарении водяных паров 9 из почвы создаются турбулентные потоки. Аналогичная турбулентность создается потоками проникающих атмосферных водных осадков 10 в слои почвы. Температурные деформации 11 в почве возникают при временных и сезонных колебаниях температуры наружного воздуха. Механическая обработка почвы приводит к возникновению волновых механических воздействий 12. Химическая реакция и физико-механические усилия создают условия для проникновения 13 радиоактивных йода и изотопов стронция в мицеллу битума. Порошковая битумосодержащая смесь 14 наносится на почву с радиоактивными веществами равномерным слоем. Обработка почвы с радиоактивными веществами осуществляется с помощью механических средств 15, которая затем укрывается защитным слоем 16 из порошкового битумосодержащего сырья. Способ дезактивации почвы осуществляется следующим образом. Измельченные в порошок твердые нефтяные битумы или битумосодержащие кровельные отходы механизированным способом разбрасываются на поверхность почвы с радиоактивными веществами (фиг. 3) из расчета 0,06-0,08 кг/м 2. После чего производится механическая обработка этой почвы пропашка, боронование и т.п. Измельчение битумосодержащего сырья и его разбрасывание на поверхность почвы с радиоактивными веществами целесообразно выполнять при температуре ниже 5 С. В этом случае исключается слипание измельченных битумных частичек между собой и они равномернее наносятся на обрабатываемую поверхность почвы. Глубина перепахивания почвы с радиоактивными веществами вместе с порошковым битумосодержащим сырьем должна быть не менее 20 см. Порошок из битумосодержащего сырья (из расчета 0,06-0,08 кг/м 2) может быть предварительно перемешан с известковой мукой и вместе с ней нанесен с помощью известных механизмов на поверхность обрабатываемой почвы с радиоактивными веществами. При этом технология обработки почвы с радиоактивными веществами не отличается от традиционной, связанной с процессом известкования. И в этом случае глубина перепахивания почвы с радиоактивными веществами должна быть не менее 20 см. Известь, смешанная с порошковым битумосодержащим сырьем, меньше будет пылить при ее нанесении на почву, а битум в виде окатышей с прилипшей к нему известью не будет слеживаться. Такую смесь можно использовать всесезонно. При сильном заражении почвы радиоактивными веществами прибегают к локальной срезке и удалению этой почвы с участков. Работа эта весьма сложная, а главное - обезображивается окружающая среда, которая может быть потом необратимой. Кроме того, на обнаженной поверхности грунта от зараженной почвы все равно могут оставаться радиоактивные вещества. Этот способ дезактивации почвы с большим содержанием радиоактивных веществ можно упростить без ущерба окружающей среды. Предварительно локально на поверхность почвы с большим содержанием радиоактивных веществ разбрасывается порошковое битумосодержащее сырье из расчета 1,0-1,2 кг/м 2. После чего эта почва перепахивается на глубину до 20 см и боронуется. При этом порошковое битумосодержащее сырье равномерно распределяется во взрыхленном слое почвы с радиоактивными веществами. Затем эта почва укрывается защитным слоем толщиной 5-8 см из порошкового битумосодержащего сырья (фиг. 5). Со временем из этого слоя сформируется прочная монолитная защитная корка из битумного сырья, которая обеспечит надежную изоляцию радиоактивных веществ от выветривания и переноса их поверхностной водой на соседние чистые участки. 4021 1 Порошковое битумосодержащее сырье из расчета 0,03-0,06 кг/м 2 может быть распылено над зараженными радиоактивными веществами массивами леса, низкими болотистыми местами, водоемами, сложными складчатыми рельефами и т.п. по воздуху с помощью авиации. Небольшая плотность нефтяных битумов(1,0-1,4 т/м 3) позволяет рационально загрузить ими грузовые отсеки авиационных средств и за один рейс разбросать битумосодержащие порошковые смеси над большой площадью территории с радиоактивными веществами. Причем эти операции целесообразно выполнять зимой. При низких температурах битумный порошок лучше распыляется по воздуху и равномернее рассредотачивается на обрабатываемой поверхности почвы. Отсутствие листвы на деревьях и кустарниках обеспечивает хороший доступ порошкового битумосодержащего сырья к почве с радиоактивными веществами. А весной паводковые воды доставят этот дезактивирующий порошок в места наибольших скоплений радиоактивных веществ. В качестве исходного сырья для получения битумных порошковых смесей необходимо использовать битумосодержащие кровельные отходу образующиеся, например, при ремонте рубероидных кровель на совмещенных крышах. Так, в Беларуси во всех городах ежегодно ремонтируется более 1,1 млн.м 2 совмещенных крыш с полным удалением с них старых кровельных ковров и заменой новыми кровлями. При средней толщине удаляемых с крыш слоев кровли 3-6 см годовой объем битумосодержащих отходов составляет (1,1 млн.м 2 х 0,04) 44-45 тыс.м 3. При объемной массе битумосодержащего сырья 1300 кг/м 3 ежегодно сжигается или выбрасывается в отвал более (44000 х 1300) 57-58 тыс.т (около 1000 вагонов) дефицитного битума и других наполняющих компонентов. Применяя только измельченные битумосодержащие кровельные отходы в качестве дезактивирующих добавок, можно будет обезвреживать почву от радиоактивных веществ на площади до 73 тыс.га ежегодно. Нефтяной битум рассматривается как коллоидная система мицеллярного строения с ядром из асфальтенов, стабилизированных смолами в масляной дисперсной среде 6. Структура битума представляет собой коагуляционную сетку-каркас из асфальтенов, находящихся в слабоструктуированной смолами дисперсной среде. Асфальтены, составляющие сетку ядра, взаимодействуют друг с другом полярными лиофобными участками через тонкие прослойки дисперсной среды. На лиофильной поверхности адсорбируются смолы 7. Содержание масел в битумах достигает 50-60 . Плотность этих масел меньше единицы, они представляют собой хорошую изолирующую среду, в оболочке которой заключены смолы и асфальтены с плотностью более единицы и могут являться хорошими растворителями частичек, в частности йода. Масла придают битумам упругопластичные свойства, которые могут сохраняться даже при отрицательных температурах. Например, твердые нефтяные битумы Полоцкого завода 7 сохраняют эти свойства до температуры -212 С. Благодаря этим качествам битума последний лучше эмульгируется, например в щелочной водной среде, поглощая в результате щелочной реакции своими мицеллами вещества, образующими эту щелочную среду, а также содержащиеся в ней другие вещества, растворяемые маслами нефтебитума. Причем активность эмульгирования битума в щелочной водной среде возрастает при механических волновых воздействиях на них или турбулентными потоками воды, или водяными парами 8, создающими условия периодического перемешивания (столкновения) частичек битума с частичками щелочных металлов и других примесей друг с другом. Кроме того, битум лучше поддается эмульгированию в водной щелочной среде, когда сам начинает насыщаться водой и набухать, переходя в жидкопластичную фазу. Битумы с годами сами по себе могут медленно набухать и поглощать в себя воду 8. А такая среда создается, например, в толще влажной почвы или грунта, находящихся в естественно-залегающем состоянии. Образующиеся битумнощелочные эмульсии-сгустки формируются в виде объединенных друг с другом битумных мицелл, внутри которых под масляными изолирующими оболочками сосредотачиваются более тяжелые асфальтены, смолы,щелочные металлы и другие тяжелые частички. Иными словами, в конкретном рассматриваемом случае взаимосвязь частичек стронция, создающих щелочную водную среду, битума, приобретающего в этой среде жидкопластичную фазу, и йода, растворяющегося в маслах этого нефтебитума, образуют единую коллоидную систему по типу золь-гель, обеспечивающих слипание частичек друг с другом в виде прочных сгустков. Во влажной почве 1 с радиоактивными веществами частички стронция 2 образуют щелочную реакцию 4,которая приводит к эмульгированию в щелочной среде битума представляющего собой коллоидную систему из мицелл 5. Образующееся в результате щелочной реакции жидкопластичное состояние масляной оболочки 6 мицеллы битума способствует растворению в ней частичек йода 3, которые вместе с ионами стронция проникают 13 в мицеллу битума и устремляются к его ядру, состоящему из смол 7 и асфальтенов 8 (фиг. 1). Причем активность химической реакции и соответственно внедрения частичек стронция и йода в мицеллы битума могут возрастать в результате побочных физико-механических воздействий на среду взаимодействия этой коллоидной системы. Это может происходить при механических воздействиях 12, связанных с механической обработкой (перепахивание, боронование и т.п.) почвы с радиоактивными веществами при температурных деформациях 11 слоев почвы, возникающих при смене температур в течение суток и сезонов года при испарении водяных паров 9 и проникающих в слои почвы атмосферных водных осадков 10, создающих в совокупности турбулентные потоки. Таким образом, различные механические воздействия совместно со щелочной реакцией вызывают постоянные колебания коллоидной системы, способствуя столкновениям и 4 4021 1 внедрению частичек стронция с их радиоактивными изотопами 90 и 89 и радиоактивного йода в масляную дисперсную среду мицелл нефтебитума. Внутри мицелл частички стронция и йода адсорбируются на лиофильных поверхностях асфальтенов в ядре мицелл (фиг. 2). Со временем частички стронция и йода могут быть закупорены в ячейках асфальтеновых каркасов адсорбирующимися смолами, находящимися в этой же дисперсной масляной среде битумной мицеллы, которые создадут надежную изолирующую оболочку над радиоактивными изотопами стронция и йода. Эти смеси битумов с минеральными веществами (в том числе радиоактивными) сформируют долговечные и прочные асфальтены, способные изолировать на тысячелетия 8 радиоактивные изотопы стронция и йода от воздействия их на окружающую среду. При дезактивации пахотной почвы с радиоактивными веществами дезактивирующим порошковым битумосодержащим сырьем 14 и механической обработке этой почвы тракторными плугами и боронами 15 (или другим землеобрабатывающим навесным оборудованием) происходит равномерное рассредоточение мелких битумных частичек в почве с радиоактивными веществами (фиг. 3 и 4). Поскольку в количественном отношении содержание битумных частичек на 1 м 2 дезактивируемой поверхности почвы с радиоактивными веществами (даже при минимальном расходе порошкового битума - 0,03-0,06 кг/м 2) намного превосходит содержание радиоактивных стронция и йода, то контакты дезактивирующих частичек с этими радиоактивными веществами неизбежны. Тем более, что вокруг частичек стронция во влажной почве будут создаваться гораздо большие по объему водно-щелочные сферы-оболочки (чем сами частички стронция), которые обязательно встретятся с частичками битума и будут вызывать химическую реакцию, способствующую взаимодействию стронция-битума-йода с образованием из них прочных сгустков с нейтрализованными и блокированными в них радиоактивных веществ. Такие почвы с нейтрализованными в них радиоактивными веществами могут обрабатываться в обычном сельскохозяйственном режиме севооборота. На участках почвы с большой концентрацией радиоактивных веществ предварительно локально на поверхности наносится несколько большее количество порошкового битумосодержащего сырья (1,0-1,2 кг/м 2). После перепахивания и боронования почвы с радиоактивными веществами и порошковым битумом частички последнего своей массой будут способны поглотить радиоактивные изотопы стронция и йода и незамедлительно вступать с ними в химическую реакцию во влажной среде почвы. А защитный слой 16 из этого же дезактивирующего порошкового битумосодержащего сырья (фиг. 5) толщиной 5-8 см со временем сформирует над зараженными радиоактивными веществами участками прочную корку (от солнечной тепловой энергии порошковый битум постепенно пластифицируется и превратится в монолит), которая защитит эти участки от выветривания и распространения радиоактивных веществ на чистые соседние участки. Причем частички битума защитного слоя также вступят в поверхностную реакцию с частичками стронция и йода сосредоточенными на поверхности укрываемой почвы с радиоактивными веществами, нейтрализуют и блокируют их. Устройство защитного слоя 16 из порошкового битумосодержащего сырья технологично, позволяет использовать известные механизмы и не требует капитальных затрат. Кроме того, при этом не нарушается целостность окружающей природной среды. Процесс нейтрализации и блокирования радиоактивных веществ в битуме будет происходить при непрерывной и нарастающей химической реакции. Уровень снижения радиоактивного фона надзараженными участками должен периодически контролироваться дозиметрами. Распыление порошкового битумосодержащего сырья с помощью авиации над труднодоступными местами позволит нейтрализовать и блокировать радиоактивные вещества в местах их максимального скопления. При воздушном распылении дезактивирующих битумных порошков расход их может составлять 0,03-0,06 кг/м 2. В силу природных факторов (господствующее направление ветра, рельеф местности, определенное направление стоков воды и т.п.) наибольшее скопление радиоактивных веществ в результате их направленного переноса наблюдается в низинах, в складках рельефа, густой растительности, на донных участках водоемов, озер, болот и т.п. В этих местах (с постоянно высокой влажностью) щелочи стронция создают в водном растворе большую концентрацию ионов, которые в результате химической реакции будут поглощаться вместе с частичками йода мицеллами битума, превращаясь в сгустки, а затем в прочные и долговечные асфальты. Активность химической реакции (а это в основном поверхностная реакция, протекающая на почве или донных участках с радиоактивными веществами) возрастает при физико-механических воздействиях температурные деформации, воздушные перемещения, турбулентность водо-паров и т.п. И в этом случае дезактивирующее порошковое битумосодержащее сырье количественно будет превышать содержание радиоактивных веществ в местах их скопления и своей массой поглотят их, превращаясь в асфальты. Воздушное распыление дезактивирующих порошковых битумов над загрязненными радиоактивными веществами лесами, лугами, водоемами и т.п. позволит в короткое время возвратить их в традиционный оборот жизнедеятельности людей. Битумы человечество в своем быту применяет тысячелетиями 8, они безвредны для здоровья и использование их в качестве дезактивирующего средства не нанесет урона окружающей среде, а позволит ее в короткие сроки, с минимальными затратами оздоровить и вернуть людям. Причем для производства дезактивирующего порошкового битумосодержащего сырья можно обойтись только рубероидными кровельными отходами или некондиционными битумами, которых всегда в избытке на предприятиях (заводы по переработке нефте 5 4021 1 продуктов, заводы по выпуску рубероида и др.). Если ориентироваться только на все эти отходы, которые образуются в стране, то ежегодно в Беларуси можно будет обезвреживать от радиоактивных веществ более 300-500 тыс.га земли. Попутно применяются и сами битумные отходы, что также будет сказываться на улучшении экологии. Предлагаемый способ дезактивации почвы не требует капитальных затрат, ориентирован на доступные и дешевые дезактивирующие битумные материалы и может быть применен по существу немедленно, что позволит получить большой экономический эффект, связанный с оздоровлением окружающей среды, земельных угодий с включением их в нормальную хозяйственную деятельность. Главный же эффект - снижается смертоносное воздействие радиоактивных веществ на здоровье и жизнь людей. Источники информации 1. Атаманюк В.Г., Ширшев Л.Г. и др. Гражданская оборона. - М. Высшая школа, 1980. С. 161 (прототип). 2. 3 еленкевич И. Мой главный принцип - не навредить // Советская Белоруссия. -60 от 2.04.1997. - С. 1-2. 3. Советский энциклопедический словарь. - М. Советская энциклопедия, 1989. - С. 505, 1293. 4. Заявка 950045 от 31.01.95. Барабанный измельчитель-смеситель. Белгоспатент. 5. Дулинец Л. Для ремонта рулонной кровли // Строительная газета (Россия). -43 от 25.10.96. 6. Козловская А.А. Полимерные и полимербитумные материалы для защиты трубопроводов от коррозии.- М. Стройизд., 1971. - С. 10, рис. 1. 7. Кисина А.М., Куценко В.И. Полимербитумные кровельные и гидроизоляционные материалы. - Л. Стройизд., 1983. - С. 10-14, табл. 4. 8. Попченко С.Н. Справочник по гидроизоляции сооружений.Л. Стройиздат, 197. - С. 21, с. 6. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.