一种放射性核素137Cs污染土壤快速修复装置及方法

本发明涉及环境保护中核安全，具体涉及一种基于微波加速固化的手持式快速修复放射性核素137cs(铯-137)污染土壤的装置及方法。

背景技术：

1、随着核能的发展和广泛应用，放射性污染土壤的问题逐渐引起人们的关注。这些土壤主要来源于核废料处理和储存设施，以及放射性矿物(铀矿，稀土伴生矿)的开采。由于放射性物质的半衰期长达数十年甚至上千年，这种污染对环境和人类健康构成长期威胁。然而，传统处理放射性污染土壤的方法包括化学、生物和物理处理，这些方法虽可降低土壤中的放射性物质，但存在局限性。例如化学修复中的土壤淋洗技术，虽然其处理效果好，但工程量较大，成本较高，难以实现大规模应用；生物修复中的动植物和微生物修复技术对外部环境条件要求较为严格，且修复时间较长；物理修复中的换土/焚烧法，成本和耗能较高，且容易破坏土壤生态结构并造成二次污染；因此，开发一种快速、有效且环保的放射性污染土壤修复装置和方法具有重要意义。

2、近年来，微波技术在环保领域的应用逐渐受到重视。因为微波技术具备高效且均匀加热物质的能力；其次，分子在微波的作用下快速振动，这种振动致使化学键断裂，从而显著加速化学反应的进行；以及微波技术能快速加热，在短时间内达到预设温度，因此大幅度减少能源消耗等诸多优势而独树一帜；此外，在固化技术方面，微波的加入也显著提高了固化效率和效果；一方面，微波加热可以快速均匀地加热材料，避免换土/焚烧法中成本和耗能较高的问题；另一方面，微波技术可以加速化学反应，提高固化效率。而当微波与固化技术相结合时，可以解决土壤淋洗技术中难以大规模应用，以及生物修复技术中对外部环境条件要求严格和修复时间长的问题；因此，微波技术凭借其快速、均匀加热的特性以及提高化学反应效率、环保节能、对土壤中微生物影响较小等优点，在污染土壤修复领域的应用具有广阔的前景和深远的意义。

技术实现思路

1、本技术针对现有技术的上述不足，提供一种可以微波和固化技术相互结合，从而实现对含有放射性核素137cs的土壤进行修复的放射性核素137cs污染土壤快速修复装置。

2、为了解决上述技术问题，本技术采用的技术方案为：一种放射性核素137cs污染土壤快速修复装置，该装置包括激发剂和原料添加口、电源、微波装置、辅助挤压杆、含有喷射头的压力板和实心压力板(两个板之间不需要连接，只是单纯的将实心压力板安排在上方)；所述的实心压力板位于所述的含有喷射头的压力板的上部，所述的电源和微波装置置于所述的实心压力板的上方，所述的含有喷射头的压力板上设置有喷射头，所述的辅助挤压杆穿过所述的实心压力板进入至所述的喷射头内、用于对喷射头进行挤压；所述的喷射头内用于容置激发剂和原料，所述的辅助挤压杆用于推动所述的激发剂和原料进入至土壤内。

3、采用上述方案，本技术这种装置集合了微波装置和辅助挤压杆以及喷射头，通过辅助挤压杆和喷射头将激发剂和原料输送至土壤内，从而与土壤中的放射性核素137cs(铯-137)进行反应，生成稳定的地质聚合物；最后，利用微波快速均匀加热和低熔点添加剂的特性(快速烧结)，在短时间(0.5h-1h内)促使生成的含137cs地质聚合物快速固化成型；本技术的这种装置可以实现快速养护和固化结合，能够快速处置放射性核素137cs污染土壤，实现137cs快速固化，极大提升了核素137cs污染土壤应急处置的效率，降低了核素扩散进入环境的风险，保障了环境和生命财产安全。

4、进一步的，所述的电源为锂电池，用于对所述的微波装置供电；采用该结构，可以方便实现微波装置的功能，不需要外置电源线。

5、进一步的，所述的喷射头凸出于所述的含有喷射头的压力板的下底面，采用该结构，方便激发剂和原料进入到土壤内部。

6、进一步的，所述的实心压力板的侧壁设置有组配结构，所述的组配结构用于相邻实心压力板的组装；采用该结构，当大面积的进行土壤处理时，可以扩张本技术装置的面积，提高处理效率。

7、进一步的，所述的微波装置设置有四个，分设于所述的实心压力板靠四角位置；采用该结构，可以更加均匀的进行加热，使得土壤受热均衡，更利于土壤的固化。

8、进一步的，所述的含有喷射头的压力板每隔10cmx10cm的面积内配置一个喷射头；可以更加均衡的实现对土壤的修复。

9、本技术还提供一种利用上述放射性核素137cs污染土壤快速修复装置进行土壤修复的方法，具体的步骤包括：

10、(1)首先将该装置放射性核素137cs污染土壤快速修复装置置于待处理的土壤上部；然后将低熔点添加剂和活性硅铝质原料倒入实心压力板和喷头板之间的空间；然后利用辅助挤压杆，将配备喷射头的压力板(上方压力板不动，先将含喷射头压力板的喷射头下压至土壤中；实心压力板在侧壁设置滑轨，相对的一侧设置滑槽，滑轨滑动装配滑槽内，实现多个实心压力板的组合；当然在另一对侧壁上也可以设置相应的滑轨和滑槽结构，实现实心压力板各个侧面的延展；采用该结构，当大面积的进行土壤处理时，可以扩张本技术装置的面积，提高处理效率)下压至土壤中；

11、(2)接着，利用辅助挤压杆将低熔点添加剂和活性硅铝质原料挤压至土壤5cm深处；

12、(3)随后，将三元复合激发剂倒入实心压力板和喷头之间的空间，并再次利用辅助挤压杆将三元复合激发剂挤至土壤下方5厘米处；激发剂与活性硅铝质原料和137cs污染土壤发生化学反应后生成稳定的地质聚合物；

13、(4)最后，启动微波装置快速均匀加热和低熔点添加剂的特性(快速烧结)，促使生成的含137cs地质聚合物快速固化成型。

14、进一步的，所述的低熔点添加剂为磷酸玻璃粉，所述的活性硅铝质原料为高铝矿渣。

15、进一步的，所述的三元复合激发剂为氢氧化钠、氢氧化钙和碳酸钠，三者的重量比为1：1.5-3：0.5-1.5。

16、进一步的，所述的活性硅铝质原料、三元复合激发剂和低熔点添加剂的重量比为20-30：18-22：1。

17、更进一步的，所述的活性硅铝质原料、三元复合激发剂和低熔点添加剂的重量比为25：20：1。

18、进一步的，本方法适用于含137cs大于1.48x10-2bq/g的土壤的修复处理。

19、进一步的，启动微波装置快速均匀加热的加热时间为0.5h-1h。

20、本技术的优点和有益效果：

21、1.与传统的修复方法相比，本技术引入活性硅铝质原料(高铝矿渣)、三元复合激发剂(氢氧化钠、氢氧化钙和碳酸钠)和低熔点添加剂(磷酸玻璃粉)作为固化放射性核素137cs污染土壤的原材料，在此基础上采用微波快速养护和固化工艺结合的方法和装置能够快速处置放射性核素137cs污染土壤，实现137cs快速固化；该方法和装置极大提升了核素137cs污染土壤应急处置的效率，降低了核素进入环境的风险，保障了环境和生命财产安全。

22、2.本技术的方案采用的活性硅铝质原料主要选用高铝矿渣，它提供了生成地质聚合物所需的硅、铝元素，并通过地质聚合反应生成地质聚合物水化产物的特殊三维网络结构；原料的种类、组成和性质直接影响地质聚合物的性能，如力学强度、化学稳定性和热稳定性；而上述活性硅铝质原料的选用可以提高本技术获得的地质聚合物力学强度、化学稳定性和热稳定性。

23、3.本技术在制备过程，采用低熔点添加剂的主要作用是降低地质聚合物的生成温度，从而有效节约能源和经济成本；而活性硅铝质原料和三元复合激发剂则通过地质聚合反应产生地质聚合物胶凝材料，地质聚合物胶凝材料能够有效固定放射性污染土壤中的放射性核素；而且本技术利用辅助挤压杆将配备喷射头的压力板下压至土壤中，同时避免污染土处置人员和土壤的直接接触，减少放射性危害发生的概率；在考虑到土壤的密实度以及装置的内部容量后，将压力板下压至土壤5cm深处是最佳的选择。

24、4.本技术在制备过程，利用辅助挤压杆将低熔点添加剂(磷酸玻璃粉)和活性硅铝质原料(高铝矿渣)依靠空气挤压至土壤5cm深处；随后，将三元复合激发剂溶液(氢氧化钠：氢氧化钙：碳酸钠＝1：2：1)倒入实心压力板和喷头之间的空间，并再次利用辅助挤压杆扣住把手，将三元复合激发剂挤至土壤下方5厘米处；这里要注意不能同时添加低熔点添加剂、硅铝质原料和三元复合激发剂溶液，因为低熔点添加剂和活性硅铝质原料为粉末状，三元复合激发剂溶液为液体，同时添加会发生化学反应，导致混合物流动性降低，从而难以进行有效挤压；这些激发剂与活性硅铝质原料和137cs污染土壤发生化学反应后生成稳定的地质聚合物；最后，利用微波快速均匀加热和低熔点添加剂的特性(快速烧结)，在短时间(0.5h-1h内)促使生成的含137cs地质聚合物快速固化成型。

25、5.本技术首次将微波、活性硅铝质原料、三元复合激发剂以及低熔点添加剂进行有效的组合，首先通过特定组分的低熔点添加剂(磷酸玻璃粉)和活性硅铝质原料(高铝矿渣)降低地质聚合物的生成温度，从而有效节约能源，降低处置成本；然后采用特定组分的三元复合激发剂(氢氧化钠、氢氧化钙和碳酸钠)和活性硅铝质原料以及137cs污染土壤发生化学反应后生成稳定的地质聚合物，地质聚合物能够有效地固定放射性污染土壤中的放射性核素；最后，利用微波快速均匀加热和低熔点添加剂的特性(快速烧结)，在短时间(0.5h-1h内)促使生成的含137cs地质聚合物快速固化成型。