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Dokumentenidentifikation DE69228194T2 02.09.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0612273
Titel REINIGUNG VON KONTAMINIERTEM ERDREICH DURCH ERWAERMUNG
Anmelder Battelle Memorial Institute, Richland, Wash., US
Erfinder HEATH, William, Richland, WA 99352, US;
RICHARDSON, Richard, West Richland, WA 99352, US;
GOHEEN, Steven, Richland, WA 99352, US
Vertreter Müller-Boré & Partner, Patentanwälte, European Patent Attorneys, 81671 München
DE-Aktenzeichen 69228194
Vertragsstaaten CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.11.1992
EP-Aktenzeichen 929251775
WO-Anmeldetag 12.11.1992
PCT-Aktenzeichen US9209764
WO-Veröffentlichungsnummer 9309888
WO-Veröffentlichungsdatum 27.05.1993
EP-Offenlegungsdatum 31.08.1994
EP date of grant 13.01.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.09.1999
IPC-Hauptklasse B09B 3/00
IPC-Nebenklasse H05B 3/00   A62D 3/00   E02D 3/11   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich.

Hintergrund der Erfindung

Die Entsorgung von kontaminiertem Material wurde ein zunehmend bedeutenderes Problem. Derzeit wird kontaminiertes Material, wie beispielsweise industrielle oder nukleare Abfälle, im Untergrund in speziell konstruierten Speicherbehältern vergraben. Diese im Boden vergrabenen Schmutzstoffe bzw. Verunreinigungen beinhalten typischerweise flüchtige, halb- flüchtige und nicht-flüchtige, organische Verunreinigungen. Ungünstigerweise macht ein derartiges Vergraben der Kontaminationen diese nicht unschädlich für die Umgebung. Die Speicherbehälter können die Schmutzstoffe in den Boden freisetzen, wodurch der Boden verunreinigt wird. Die Kontaminationen können auch in das Grundwasser eintreten und die Wasserversorgung für bewohnte Gebiete kontaminieren. Bodenkontaminationen können auch aus Oberflächenabfällen resultieren, welche in den Boden einsickern.

Ein Weg zur Detoxifizierung von mit organischem Material kontaminierten Böden wurde durch Buelt et al. im US-Patent Nr. 4 957 393, welches auf Battelle Memorial Institute übertragen wurde, vorgeschlagen. Buelt et al. schlugen vor, eine Matrix von Elektroden in einen kontaminierten Bodenbereich einzubringen und sehr hohe Gleichspannungen oder einphasige Wechselspannung an die Elektroden anzulegen. Die Spannungen erzeugten Stromwege zwischen den Elektroden, welche wirkungsvoll den kontaminierten Boden auf Temperaturen im Bereich von 100ºC bis 1200ºC aufheizten.

Die US-A 4 376 598 offenbart ein Verfahren zum Verglasen von Boden bzw. Erdreich. Das Verfahren verwendet zwei oder mehr leitfähige Elektroden, welche in den Boden zum Erwärmen bzw. Erhitzen der Bodenmasse zwischen diesen auf eine Temperatur über seiner Schmelztemperatur eingeführt werden. Eine zweiphasige Spannung von 4000 V wird als Anfangsspannung angelegt, wobei ein Anlauf- bzw. Startweg aus Graphit oder Glasmasse zwischen den Elektroden vorgesehen ist.

Die US-A 5 024 556 offenbart eine Vorrichtung für eine in- situ-Verglasung umfassend eine Vielzahl von Elektroden. Die Vorrichtung wird elektrisch durch eine transportable Netzstation versorgt, welche eine dreiphasige Leistung an Transformatoren in einer Scott'schen Verbindung bzw. Schaltung zuführt, um einen zweiphasigen Strom den Elektroden zur Verfügung zu stellen. Die Separatoren erfordern auch einen Anlauf- bzw. Startweg aus Graphit oder Glasmasse zwischen den Elektroden.

Die vorliegende Erfindung stammt aus einem Bedürfnis, ein energieeffizienteres und weniger kostspieliges System zur Behandlung von kontaminierten Böden zur Verfügung zu stellen. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Behandlung von kontaminiertem Boden zur Verfügung, welches ein einheitliches Erwärmen bzw. Erhitzen des Bodens bei relativ geringen Energiekosten ermöglicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind unten unter Bezugnahme auf die folgenden, beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Draufsicht einer hexagonalen Elektrodenanordnung, welche fähig ist, sechs Phasen von Spannungen in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zuzuführen.

Fig. 2 illustriert eine Ausbildung von zwischen sechs Elektroden, welche hexangonal angeordnet sind, ausgebildeten Stromwegen.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Systems zur Behandlung von festem Erdreich bzw. Erdmaterial in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 illustriert auch eine Ausführungsform zum Belüften bzw. Ausbringen von Schmutzstoffen aus festem Erdreich.

Fig. 4 ist eine Draufsicht, welche eine Anordnung von zwölf Elektroden in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 5 ist eine Draufsicht, welche eine Anordnung von zwölf Elektroden in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 6 illustriert schematisch einen Eingangs- bzw. Anfangsschritt für ein chemisches Verändern der in dem festen Erdreich enthaltenen Kontaminationen bzw. Verunreinigungen.

Fig. 7 illustriert schematisch eine Bildung und Ausweitung eines trockenen Bereichs, welcher zu einem Zeitpunkt nachfolgend auf den in Fig. 6 gezeigten Schritt gebildet wird.

Fig. 8 illustriert schematisch einen Bereich des Erdreichs zu einer Zeit nachfolgend auf den in Fig. 7 gezeigten Schritt.

Fig. 9 ist eine Draufsicht auf die Elektroden, welche die Ausbildung von trockenen Bereichen in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung illustriert.

Fig. 10 illustriert schematisch eine alternative Ausführungsform zum Belüften bzw. Ausbringen von Kontaminationen aus festem Erdreich.

Fig. 11 illustriert schematisch ein System zur Behandlung von festem Erdreich in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung. Fig. 11 illustriert auch ein Rezyklieren von Abgas in einen Bereich des festen Erdreichs für eine weitere Behandlung.

Fig. 12 illustriert schematisch eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgas in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung.

Fig. 13 illustriert schematisch ein Verfahren zur Bildung von verglasenden Bodenfragmenten in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich die Schritte eines:

a) Einbringens einer Mehrzahl von Elektroden in einen Bereich des zu behandelnden, festen Erdreichs; und

b) Anlegens von wenigstens sechs Phasen von Spannungen an entsprechenden Elektroden, um Stromwege zwischen Elektrodenpaaren und durch den Bereich des Materials zu erzeugen.

"Festes Erdreich", wie es in dieser Beschreibung verwendet wird, bedeutes stückiges Material, welches einen Teil der Oberfläche der Erdkugel ausbildet. Der Ausdruck "festes Erdreich" beinhaltet feine, dicht gepackte Teilchen mit zwischen den Teilchen verteilter Feuchtigkeit, Erdboden, Schmutz, Sand, Dung, Schlamm, Aufschlämmungen, Schlick, Ton, in-situ- Material und Material, welches extrahiert und von dem ursprünglichen Platz entfernt wurde, oder dgl.

Das obige Verfahren kann weiters umfassen:

(a) Anordnen der Mehrzahl von Elektroden in einer geometrischen Konfiguration, welche einander gegenüberliegende Paare von Elektroden aufweist, wobei die Paare erste und zweite Elektroden definieren; und

(b) Anlegen von ersten und zweiten Phasen von Spannungen an die entsprechenden ersten und zweiten Elektroden der entsprechenden Paare von Elektroden, wobei die ersten und zweiten Phasen von Spannungen Spannungsamplituden aufweisen, welche im wesentlichen gleich sind, wobei die ersten und zweiten Phasen um etwa 180º relativ zueinander außer Phase sind.

Die sechs Elektroden können in dem festen Erdreich bzw. Erdmaterial positioniert werden und die sechs Phasen von Spannungen können an die Elektroden auf eine Weise angelegt werden, um zur Erzeugung eines im wesentlichen konstanten Spannung-zu-Abstand-Verhältnisses für alle Stromwege zwischen Elektrodenpaaren wirksam zu sein. Das Spannungs-zu-Abstand- Verhältnis für ein vorgegebenes Paar von Elektroden wird berechnet, indem die Spannung, welche zwischen dem gegebenen Elektrodenpaar gemessen wird, durch den Abstand zwischen dem gegebenen Elektrodenpaar dividiert wird.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich die Schritte eines:

(a) Einführens einer Vielzahl von Elektroden in einen Bereich des zu behandelnden, festen Erdreichs;

(b) Anlegens von wenigstens sechs Phasen von Spannungen an entsprechende der Elektroden, um Stromwege zwischen Elektrodenpaaren und durch den Materialbereich zu erzeugen; und

(c) Erwärmens des Materialbereichs auf eine Temperatur unter einer Schmelztemperatur des festen Erdreichs, wobei eine von etwa 0ºC bis 100ºC reichende Temperatur bevorzugt ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich die Schritte eines:

(a) Einführens einer Vielzahl von Umfangselektroden in festes Erdreich, wobei die Umfangselektroden in einer gewählten, geometrischen Begrenzung bzw. einem Umfang angeordnet sind, welcher einen inneren Bereich des zu behandelnden Materials definiert;

(b) Einführens von wenigstens einer elektrisch neutralen Elektrode in den Bereich des zu behandelnden Materials; und

(c) Anlegens von mehrfachen Phasen von Spannungen an entsprechende der Umfangselektroden, um Stromwege zwischen (1) Paaren von Umfangselektroden und (2) den Umfangselektroden und der neutralen Elektrode zu erzeugen, wobei die Stromwege durch den Bereich des Materials durchtreten und diesen im wesentlichen gleichförmig erwärmen.

Die Umfangselektroden können an den Scheiteln eines im wesentlichen gleichseitigen Polygons mit wenigstens sechs Seiten angeordnet sein. Die neutrale Elektrode würde dann vorzugsweise im wesentlichen im Durchmessermittelpunkt des Bereichs des Materials positioniert.

Die neutrale Elektrode kann mit einem Durchtritt ausgebildet sein, welcher mit dem festen Erdreich und einer Position außerhalb des festen Erdreichs in Verbindung steht. Auf diese Weise können Gase aus dem Bereich des Materials durch den Durchtritt in der neutralen Elektrode entfernt werden.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich die Schritte eines:

(a) Einbringens von ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Elektroden in das feste Erdreich;

(b) Anlegens einer ersten Phase der Spannung an die erste Elektrode;

(c) Anlegens einer zweiten Phase der Spannung an die zweite Elektrode;

(d) Anlegens einer dritten Phase der Spannung an die dritte Elektrode;

(e) Anlegens einer vierten Phase der Spannung an die vierte Elektrode;

(f) Anlegens einer fünften Phase der Spannung an die fünfte Elektrode;

(g) Anlegens einer sechsten Phase der Spannung an die sechste Elektrode;

(h) wobei die an die ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Elektroden angelegten Spannungen ausreichend sind, um Stromwege zwischen Elektrodenpaaren durch das Material zu erzeugen, wobei die Stromwege das Material erhitzen bzw. erwärmen.

Die ersten bis sechsten Elektroden können an den Scheiteln eines im wesentlichen gleichseitigen Hexagons angeordnet sein.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich, welches flüchtige, halb-flüchtige und nicht-flüchtige Kontaminationen enthält, die Schritte eines:

(a) Einbringens von mehreren Elektroden in festes Erdreich;

(b) Anlegens von mehreren Phasen von Spannungen an entsprechende der Elektroden;

(c) Einstellens der Spannungen innerhalb eines ersten ausgewählten Bereichs von Spannungen, um das Material auf eine Temperatur zu erwärmen bzw. zu erhitzen, welche ausreichend ist, um im wesentlichen flüchtige und halbflüchtige Kontaminationen aus dem Material zu entfernen; und

(d) Erhöhens der Spannungen durch einen zweiten ausgewählten Bereich von Spannungen, welcher wirksam ist, um eine Coronafront zu erzeugen, welche die nicht-flüchtigen Kontaminationen zersetzt.

Der erste ausgewählte Bereich von Spannungen ist vorzugsweise geringer als der zweite ausgewählte Bereich von Spannungen. Darüberhinaus ist die Temperatur, welche ausreichend ist, um im wesentlichen flüchtige und halb-flüchtige Kontaminationen zu entfernen, geringer als eine Schmelztemperatur des festen Erdreichs bzw. Erdmaterials.

Gemäß wiederum einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich, welches flüchtige, halb-flüchtige und nichtflüchtige Kontaminationen enthält, die Schritte eines:

(a) Einbringens bzw. Einsetzens von mehreren Elektroden in festes Erdreich, wobei die Elektroden einen Bereich von zu behandelndem Material definieren;

(b) Anlegens von mehreren Phasen von Spannungen an entsprechende der Elektroden;

(c) Einstellens der Spannungen innerhalb eines ersten ausgewählten Bereichs von Spannungen, um das Material auf eine Temperatur aufzuheizen, welche ausreichend ist, um flüchtige und halb-flüchtige Kontaminationen aus dem Materialbereich im wesentlichen zu entfernen;

(d) Erzeugens von trockenen Materialbereichen um einzelne Elektroden beim Erwärmen bzw. Aufheizen des Materials, wobei die trockenen Bereiche bzw. Regionen einen Umfang aufweisen, welcher eine Grenze zwischen den trockenen Bereichen des Materials und von Erdreich außerhalb der trockenen Bereiche definiert;

(e) Erhöhens der Spannungen auf einen zweiten Spannungsbereich, um eine Corona an der Grenze zwischen den trockenen Bereichen des Materials und dem Erdreich außerhalb der trockenen Bereiche zu erzeugen;

(f) Bewegens der Grenze der trockenen Bereiche radial nach außen von den einzelnen Elektroden durch den Bereich des Materials, wobei die Corona mit der Grenze der trockenen Bereiche bewegt wird; und

(g) Zersetzens der nicht-flüchtigen Kontaminationen, indem die die Corona tragende Grenze sich über die nichtflüchtigen Kontaminationen bewegt.

Gemäß einer wiederum anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich, welches flüchtige, halb-flüchtige und nicht-flüchtige Kontaminationen bzw. Verunreinigungen in der Anwesenheit von mikrobiellen Organismen aufweist, die Schritte eines:

(a) Einbringens einer Vielzahl von Elektroden in festes Erdreich, wobei die Elektroden in einem vorgewählten geometrischen Umfang angeordnet sind, welcher einen Bereich des zu behandelnden Materials definiert;

(b) Anlegens von wenigstens sechs Phasen von Spannungen an entsprechende der Elektroden;

(c) Einstellens der Spannungen innerhalb eines ersten ausgewählten Bereichs von Spannungen, um das Material im wesentlichen einheitlich durch den Bereich auf eine Temperatur zu erwärmen, welche ausreichend ist, um eine Aktivität der mikrobiellen Organismen, flüchtige, halb- flüchtige und nicht-flüchtige Kontaminationen aus dem Bereich des Materials aufzunehmen, auszulösen; und

(d) Steuerns der Spannungen zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Materials für eine Zeit, welche für die mikrobiellen Organismen ausreichend ist, um die flüchtigen, halb-flüchtigen und nicht-flüchtigen Kontaminationen aus dem Bereich des Materials im wesentlichen zu entfernen.

Verschiedene Aspekte der Erfindung sind vollständiger unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Figuren beschrieben. Insbesondere illustriert Fig. 1 eine Elektrodenanordnung und Spannungskonfiguration, welche für eine Behandlung von festem Erdreich bzw. Erdmaterial in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Sechs Elektroden 20 - 25 werden in ein zu behandelndes, festes Erdreich 30 eingebracht bzw. eingeführt. Die Elektroden 20 - 25 können aus Aluminium, Kohlenstoffstahl oder jeder anderen Art von leitfähigem Mate rial gebildet sein. Die Elektroden 20 - 25 sind vorzugsweise zylindrisch und können hohl oder massiv ausgebildet sein.

Sechs Phasen von Wechselspannungen werden an entsprechende Elektroden 20 - 25 angelegt. Vorzugsweise weist jede Elektrode eine Spannungsphase auf, welche 60º außer Phase zu den Spannungen von benachbarten Elektroden ist. Beispielsweise weist die Elektrode 20 eine Spannungsphase auf, welche um 60º von der an die Elektrode 21 angelegten Spannungsphase versetzt ist. Um weiter die unterschiedlichen, an die Elektroden 20 - 25 angelegten Spannungen zu illustrieren, sind beispielhafte Wellenformen unterschiedlicher Phasen neben den einzelnen Elektroden 20 - 25 gezeigt. Die Elektrode 20 weist eine Spannung Vsin(ωt) auf; die Elektrode 21 weist eine Spannung Vsin(ωt+60) auf; die Elektrode 22 weist eine Spannung Vsin(ωt+120) auf; die Elektrode 23 weist eine Spannung Vsin(ωt+180) auf; die Elektrode 24 weist eine Spannung Vsin(ωt+240) auf; und die Elektrode 25 weist eine Spannung Vsin(ωt+300) auf.

Die Elektroden 20 - 25 sind vorzugsweise in einer geometrischen Konfiguration angeordnet, in welcher Paare von Elektroden einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Die Elektroden 20, 21 und 22 sind diametral gegenüberliegend den Elektroden 23, 24 bzw. 25. Die Elektroden 20 - 25 sind am meisten bevorzugt an den Scheiteln eines im wesentlichen gleichseitigen Sechsecks angeordnet ist, wie dies gezeigt ist.

Die an einander diametral gegenüberliegenden Paaren von Elektroden angelegten Spannungen weisen vorzugsweise Spannungsamplituden auf, welche im wesentlichen gleich sind, wie dies durch die Spannungsamplitude V angezeigt ist. Zusätzlich sind die an diametral gegenüberliegenden Elektroden angelegten Spannungen vorzugsweise um etwa 180º relativ zueinander außer Phase. Beispielsweise ist die an die Elektrode 20 angelegte Spannung um 180º außer Phase zu der an die Elektrode 23 angelegten Spannung. In ähnlicher Weise ist die an die Elektrode 21 angelegte Spannung um etwa 180º außer Phase mit der an die Elektrode 24 angelegten Spannung.

Die sechs Phasen von Spannungen, welche an die Elektroden 20 - 25 angelegt werden, können mit jeder Frequenz angelegt werden. Die Spannungen sind bevorzugt mit Leistungsfrequenzen bzw. Netzfrequenzen von weniger als 500 Hz und bevorzugter mit einer Frequenz von ungefähr 60 Hz angelegt. Auf diese Weise können Spannungen, welche von Standardnetzleitungen geführt werden, verwendet werden, um die sechs Phasen von an die Elektroden 20 - 25 angelegten Spannungen anzutreiben. Eine Verwendung von 60 Hz sechsphasiger Spannung ergibt einen beträchtlichen Vorteil dahingehend, daß der den Elektroden 20 - 25 zugeführte Strom in Phase mit den Antriebs- bzw. Wirkspannungen der Netzleitungen ist. Dies resultiert in einer signifikanten Reduktion an Übertragungs- bzw. Transformationsverlusten.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Positionierung einer elektrisch neutralen Elektrode 34 im Zentrum in einem Bereich 32 des festen Erdmaterials 30. Der Bereich 32 liegt innerhalb eines von den Elektroden 20 - 25 definierten Umfangs bzw. Randes. Die neutrale Elektrode 34 ist vorzugsweise in einem im wesentlichen im Durchmesser liegenden Zentrum des durch die Elektroden 20 - 25 gebildeten Hexagons angeordnet. Wenn die vielfachen Phasen von Spannungen (vorzugsweise sechs Phasen) an die Elektroden 20 - 25 angelegt werden, werden Stromwege zwischen den Umfangselektroden 20 - 25 und der neutralen Elektrode 34 erzeugt, wie dies durch die Stromwege 36, 38 und 40 dargestellt ist. Zusätzlich werden Stromwege zwischen Paaren von Umfangselektroden 20 - 25 erzeugt, wie dies durch den Stromweg 42 zwischen einem Paar von Elektroden 21 und 22 und den Stromweg 44 zwischen einem Paar von Umfangselektroden 22 und 23 dargestellt ist.

Die zwischen Paaren von Umfangselektroden 20 - 25 (d. h. Stromwege 42 und 44) und zwischen Elektroden 20 - 25 und der neutralen Elektrode 34 (d. h. die Stromwege 36, 38 und 40) erzeugten Stromwege dringen durch den Bereich bzw. die Region 32 des festen Erdreichs 30 und wärmen diesen im wesentlichen gleichförmig auf. Der Bereich 32 wird vorzugsweise auf eine Temperatur unter einer Schmelztemperatur des festen Erdreichs 30 erhitzt bzw. erwärmt. Noch weiter bevorzugt wird der Bereich 32 auf eine Temperatur im Bereich von etwa 0ºC bis 100 ºC erwärmt. Wenn eine Verwendung erfolgt, um einen Bioabbau durch Einsatz von Mikroorganismen zu unterstützen, wird der Bereich 32 auf eine Temperatur im Bereich von etwa 20ºC bis etwa 40ºC und vorzugsweise auf etwa 30ºC erwärmt.

Mit der hexagonalen Anordnung können mehrfache Phasen von Spannungen an die Umfangselektroden 20 - 25 auf eine Weise angelegt werden, welche wirksam ist, um ein im wesentlichen konstantes Spannungs-zu-Abstands-Verhältnis für alle Stromwege zwischen den Umfangselektroden 20 - 25 (d. h. Stromwege 42 und 44) und zwischen Umfangselektroden 20 - 25 und der neutralen Elektrode 34 (d. h. die Stromwege 36, 38 und 40) zu erzeugen. Das Spannungs-zu-Abstand-Verhältnis zwischen jedem vorgegebenen Paar von Elektroden (beispielsweise der Stromweg 44 zwischen einem Paar von Umfangselektroden 22 und 23 oder der Stromweg 38 zwischen einem Paar aus Umfangselektrode 21 und der neutralen Elektrode 34) wird berechnet, indem die zwischen dem vorgegebenen Paar von Elektroden gemessene Spannung durch den Abstand des vorgegebenen Paars von Elektroden dividiert wird.

Fig. 2 zeigt eine alternative Stromwegbildung, welcher zwischen Paaren von Elektroden 20 - 25 erzeugt wird, wenn die neutrale Elektrode 34 aus dem Bereich 32 entfernt wird. Fünfzehn Stromwege 1 - 15 sind durch den Bereich 32 gebildet, wenn sechs Phasen von Spannungen an die Elektroden 20 - 25 angelegt werden. Vorzugsweise wird ein Stromweg zwischen jeder Elektrode und jeder anderen Elektrode in dem Hexagon ausgebildet. Die Stromwege 1 - 15 sind im wesentlichen gleichförmig durch den Bereich 32 verteilt, wobei dies in einem im wesentlichen gleichförmigen Erwärmen des Bereichs 32 resultiert. Die Anzahl von zwischen Paaren von Elektroden erzeugten Stromwegen hängt von der Anzahl von Phasen von an die Elektroden angelegten Spannungen ab. Die folgende Gleichung definiert eine minimale Anzahl von Stromwegen zwischen Elektrodenpaaren:

Anzahl der Stromwege = (Qn(Qn - 1)]/2

worin Qn der Gesamtanzahl von angelegten Phasen von Spannungen entspricht. In der bevorzugten Ausführungsform werden sechs Phasen von Spannungen an die Elektroden 20 - 25 angelegt. Unter Verwendung der obigen Gleichung resultiert das Anlegen von sechs Phasen von Spannungen in einer minimalen Anzahl von 15 Stromwegen (d. h. [6(6 - 1)]/2 = 15).

Eine Anordnung von sechs Elektroden an den Scheiteln eines im wesentlichen gleichseitigen Hexagons und ein Anlegen von sechs Phasen von Spannungen an die entsprechenden Elektroden weist mehrere beträchtliche Vorteile auf. Zuerst erwärmen die zwischen den Elektroden 20 - 25 erzeugten Stromwege im wesentlichen gleichförmig den Bereich 32 während der Behandlung des festen Erdreichs 30. Ein gleichmäßiges Erwärmen wird ohne Zusatz eines fremden, leitfähigen Mediums, wie beispielsweise Salzwasser erzielt. Ein gleichförmiges Erwärmen bzw. Erhitzen unterstützt eine vollständige Entfernung von flüchtigen und halb-flüchtigen Kontaminationen bzw. Verunreinigungen, welche in dem festen Erdreich 30 enthalten sind.

Ein weiterer beträchtlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß relativ geringe Spannungen an das Erdreich angelegt werden können, um ein geeignetes Erwärmen bzw. Erhitzen zu erzielen. Aufgrund der hexagonalen Anordnung verlaufen viele der Stromwege parallel zueinander. In Fig. 2 beinhalten parallele Stromwege die Wege 7 und 11; die Wege 8 und 13; die Wege 10 und 12; die Wege 1, 4 und 9; die Wege 3, 6 und 14; und die Wege 2, 5 und 15. Daraus resultierend sind die Widerstände dieser Wege auch parallel geschaltet. Parallele Widerstände reduzieren den Gesamtwiderstand des Erdreichs innerhalb des Bereichs 32. Da der Gesamtwiderstand verringert wird, können die an die Elektroden 20 - 25 angelegten Spannungen reduziert werden können. Dies resultiert in einer signifikanten Reduktion der Kosten der Ausstattung und der Leistungsversorgung zur Behandlung des festen Erdreichs 30.

Ein weiterer Vorteil des oben beschriebenen Aspekts der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der den Elektroden zugeführte Strom in Phase mit der dem Behandlungsort durch einen Stromversorger zugeführten Leistung liegt. Es wird daher der Leistungsfaktor Eins (worin der Leistungsfaktor der Cosinus des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom ist) erreicht. Ein Leistungsfaktor Eins ist die effizienteste Nutzung an Energie.

Fig. 3 illustriert schematisch ein System 45 zur Behandlung von Erdreich in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Elektroden 20 - 25 werden in einen Bereich 32 des zu behandelnden, festen Erdreichs 30 in einer Anordnung eingebracht, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde. Nur vier Umfangs- bzw. Randelektroden 20, 21, 22- und 23 und die neutrale Elektrode 34 sind aus Zwecken der Klarheit gezeigt. Die Umfangselektroden 20 - 23 und die neutrale Elektrode 34 werden in das feste Erdreich 30 in einer im wesentlichen parallelen Anordnung eingebracht. Die Elektroden 21 - 23 und 34 werden bis zu einer Tiefe eingeführt, welche ausreichend ist, um sicherzustellen, daß die meisten Kontaminationen 46 innerhalb des Bereichs 32 und oberhalb der distalen Enden der Elektroden 20 - 25 liegen, wie dies durch die distalen Enden 50, 52 und 54 dargestellt ist.

Das System 45 beinhaltet einen sechsphasigen Wechselstromgenerator 56 und eine Abgasbehandlungseinrichtung 62. Der sechsphasige Wechselstromgenerator 56 ist mit den Umfangselektroden 20 - 25 gekoppelt. Sechs Leiter 58 verbinden elektrisch den Generator 56 mit den entsprechenden Umfangselektroden 20 - 25. Eine unterschiedliche Phase der Spannung wird an die einzelnen Leiter 58 angelegt. Eine Spannung mit der Phase Φ&sub1; wird an die Elektrode 20 angelegt. Eine Spannung mit der Phase Φ&sub2; wird an die Elektrode 21 angelegt. In ähnlicher Weise werden Spannungen mit den Phasen Φ&sub3; - Φ&sub6; an die entsprechenden Elektroden 22 - 25 angelegt. Wie oben erörtert, sind die Phasen Φ&sub1; - Φ&sub6; vorzugsweise um 60º gegeneinander verschoben.

Eine Abgasbehandlungseinrichtung 62 ist in Fluidverbindung an die neutrale Elektrode 34 durch eine Leitung 60 angeschlossen. Die neutrale Elektrode 34 ist vorzugsweise mit einem hohlen Durchtritt 64 ausgebildet, welcher sich axial hindurch erstreckt. Der Durchtritt 64 steht in Verbindung mit dem festen Erdreich 30 und einer Position außerhalb des festen Erdreichs 30 am Ende 66 der neutralen Elektrode 34. Die neutrale Elektrode 34 kann perforiert sein, um eine Fluidverbindung zwischen dem Durchtritt 64 und dem festen Erdreich 30 zu erleichtern. Wenn die Spannungen an die Elektroden 20 - 25 angelegt werden, um den Bereich 32 zu erwärmen bzw. aufzuheizen, werden flüchtige und halb-flüchtige Kontaminationen aus dem festen Erdreich 30 über den Durchtritt 64 entfernt. Die Kontaminationen werden durch die Leitung 60 zu der Abgasbehandlungseinrichtung 62 abgezogen. Vorzugsweise weist die Abgasbehandlungseinrichtung 62 ein Vakuum auf, um die Kontaminationen aus dem festen Erdreich 30 durch die neutrale Elektrode 34 und die Leitung 60 abzuziehen. Ein Vorteil der Verwendung einer elektrisch neutralen Elektrode 34 ist, daß die Leitung 60 der Abgasbehandlungseinrichtung 62 ohne Gefahr eines elektrischen Schlags mit der Elektrode 34 verbunden werden kann. Die Abgasbehandlungseinrichtung 62 behandelt die flüchtigen und halb-flüchtigen Kontaminationen chemisch, um diese Kontaminationen bzw. Verunreinigungen unschädlich zu machen. Alternativ können die Gase für wirtschaftliche Zwecke verarbeitet werden.

Fig. 10 zeigt eine alternative Ausführungsform zum Ablassen oder Entfernen von flüchtigen und halb-flüchtigen Kontaminationen aus dem festen Erdreich 30 während des Erwärmungs- bzw. Heizvorganges. Eine Abgashaube 68 ist über den Elektroden 20-25 angeordnet und umgibt diese. Die Abgashaube 68 kontaktiert eine Oberfläche 70 des festen Erdreichs 30, um das Entweichen von Verunreinigungen in die Atmosphäre zu minimieren. Die Abgashaube 68 sammelt Gase während des Heizvorganges und leitet diese Gase an eine Abgasbehandlungseinrichtung. Es weist die Abgasbehandlungseinrichtung wiederum vorzugsweise ein Vakuumsystem auf, um die Entfernung der Gase zu erleichtern. In dieser Ausführungsform ist eine Belüftung der neutralen Elektrode nicht notwendig und wird daher in dieser Figur weggelassen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen alternative Elektrodenanordnungen, welche mehr als sechs Elektroden verwenden, in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 zeigt zwölf Umfangselektroden 70 - 81, welche in einem sternenförmigen Polygon angeordnet sind. Vorzugsweise ist das durch die Elektroden 70 - 81 definierte Polygon im wesentlichen gleichseitig, wie dies gezeigt ist. Fig. 5 zeigt zwölf Elektroden 84 - 95, welche an den Scheiteln eines gleichseitigen Polygons angeordnet sind, welches zwölf Seiten aufweist. Die Scheitel liegen auch am Umfang eines Kreises.

Es können auch andere Anzahlen von Elektroden anstelle von sechs oder zwölf Elektroden verwendet werden. Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung unter Verwendung von sechsphasigen Wechselspannungen beschrieben, obwohl andere mehrfache Phasen von Spannungen mit einer Anordnung von sechs oder mehr Elektroden verwendet werden können.

Die Fig. 6 bis 9 erläutern schematisch ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Festes Erdreich 30 weist flüchtige, halb- flüchtige und nicht-flüchtige Verunreinigungen darin auf. Die nicht-flüchtigen Kontaminationen sind allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Mehrere Elektroden werden in das feste Erdreich 30 eingeführt. Vorzugsweise sind sechs Umfangselektroden und eine neutrale Elektrode in einer in Fig. 1 gezeigten Anordnung positioniert, wobei jedoch nur die Elektroden 20 und 23 zu Erläuterungszwecken gezeigt sind. Mehrere Phasen von Spannungen werden an die Elektroden vorzugsweise auf eine oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebene Weise angelegt. Die neutrale Elektrode 34 ist mit einer Abgasbehandlungseinrichtung verbunden, wie dies oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde.

Mehrere Phasen von Spannungen werden an die Umfangselektroden 20 - 25 angelegt, um ein Erwärmen des Erdreichs bzw. Erdmaterials 30 zu beginnen (Fig. 6). Das geeignete Spannungsniveau hängt von vielen Faktoren, umfassend die Mineralart und den Feuchtigkeitsgehalt des Erdreichs 30, den Durchmesser der Elektroden 20 - 25, den Abstand zwischen den Elektroden 20 - 25 und die Länge der Elektroden ab. Die Spannungen steigen mit zunehmenden Abstand zwischen den Elektroden 20 - 25 an. Zusätzlich verringern sich die Spannungen mit zunehmendem Wassergehalt, Elektrodendurchmesser und Elektrodenlänge. Die Spannungen werden innerhalb eines ersten Bereichs von Spannungen eingestellt, um das feste Erdreich 30 auf eine Temperatur zu erwärmen, welche ausreichend ist, um flüchtige und halb-flüchtige Verunreinigungen aus dem Material im wesentlichen zu entfernen. Eine typische Ausgangsspannung für einen Feldbetrieb beträgt ungefähr 1000 bis 2000 V (Wechselspannung). Eine typische zugeführte Leistung in das Erdreich 30 beträgt ungefähr 1000 W/m³.

Ein Vorteil der Anordnung mit sechs Elektroden und der Anwendung von mehreren Phasen von Spannungen liegt darin, daß kein fremdes Medium zwischen den Elektroden erforderlich ist, um eine Leitfähigkeit während allen Phasen einer Trocknung aufrechtzuerhalten. In vielen Verfahren gemäß dem Stand der Technik mußte leitfähiges Material, wie Salzwasser (Sole) oder NaOH, in dem Bereich vorhanden sein, um die Leitfähigkeit während des Trocknens aufrechtzuerhalten. Salzwasser und NaOH sind jedoch auch Verunreinigungen. Die vorliegende Erfindung eliminiert die Notwendigkeit eines Zusatzes einer fremden Verunreinigungen, um einfach die Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten.

Festes Erdreich 30 wird bei einer im wesentlichen gleichbleibenden Rate, wie beispielsweise 1ºC/h, erwärmt. Beim Erwärmen des Erdreiches 30 wird es zunehmend leitfähig. Die angelegten Spannungen werden daher abgesenkt, um eine konstante Erwärmungsrate aufrechtzuerhalten. Schließlich werden die Spannungen auf etwa die Hälfte des Ausgangswertes reduziert.

Wenn eine Soll- bzw. Zieltemperatur erreicht ist, wie beispielsweise für einen Bioabbau bzw. eine Biobehandlung, werden die Spannungen verändert, falls dies erforderlich ist, um eine Gleichgewichtstemperatur des Erdreichs 30 aufrechtzuerhalten.

Wenn gewünscht wird, das Erdreich durch Trocknen und elektrische Entladung zu behandeln bzw. zu reinigen, wird das Erwärmen fortgesetzt, bis die in dem Material 30 enthaltene Feuchtigkeit zu sieden beginnt. Ein Sieden tritt zuerst um die Umfangselektroden 20 - 25 auf. Danach beginnt die Feuchtigkeit einwärts der Elektroden nahe der neutralen Elektrode 34 zu sieden. Zusätzlich wird einige Feuchtigkeit außerhalb des durch die Umfangselektroden 20 - 25 definierten Umfanges bzw. Randes zu sieden beginnen. Die Feuchtigkeit nahe der Oberfläche 70 des Erdreichs 30 beginnt vor der Feuchtigkeit nahe den distalen Enden der Elektroden 20 - 25 weiter unterhalb der Oberfläche zu sieden. Die Feuchtigkeit nahe dem Boden der Elektroden 20 - 25 beginnt als letztes zu sieden, da das Erdreich unterhalb der distalen Enden der Elektroden 20 - 25 als eine Wärmesenke agiert, um Wärme aus dem Bodenbereich des Bereichs 32 abzuziehen.

Die siedende Feuchtigkeit oder das siedende Wasser bildet Dampf, welcher wirkungsvoll flüchtige und halb-flüchtige, organische Verbindungen aus dem Erdreich 30 entfernt. Einige nicht-flüchtige, organische Verunreinigungen wurden auch mit dem Dampf entfernt. Der Dampf wird durch den Durchtritt 64, welcher in der neutralen Elektrode 34 vorgesehen ist, abgezogen und einer Abgasbehandlungseinrichtung zugeführt. Alternativ kann der entweichende Dampf durch die Abgashaube 68 gesammelt werden, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.

Da Wasser und Dampf aus dem Bereich bzw. der Region 32 abgezogen werden, beginnt das Erdreich 30 zu trocknen. Die Temperatur des Bereichs 32 während dieses Trocknungsvorganges ist geringer als die Schmelztemperatur des festen Erdreichs 30. Das Erdreich 30 wird nicht verglast. Vorzugsweise beträgt die Temperatur des Bereichs 32 ungefähr 0ºC bis 100ºC.

Der Widerstand des festen Erdreichs 30 hängt stark vom Feuchtigkeitsgehalt desselben ab. Beim Trocknen des Bereichs 32 nimmt der Widerstand zu. Daher werden die angelegten Spannungen bis zu einem gewissen Punkt erhöht, um eine ungefähr konstante Aufheizrate aufrechtzuerhalten. Es wird jedoch die dem Erdreich 30 zugeführte Leistung vorzugsweise auf einem ungefähr gleichen Niveau während des Trocknungsvorganges gehalten.

Wenn der Feuchtigkeitsgehalt unter 10 Gew.-% (und genauer auf zwischen 4 bis 7 Gew.-%) fällt, müssen die an die Umfangselektroden angelegten Spannungen auf einen zweiten Bereich von Spannungen erhöht werden. Der zweite Bereich von Spannungen ist größer als der erste ausgewählte Bereich von Spannungen. Vorzugsweise beträgt der zweite Bereich von Spannungen ungefähr 2000 bis 6000 V (Wechselspannung).

Es beginnen sich trockene Bereiche bzw. Regionen 102 - 107 (Fig. 7 und 9) um die entsprechenden Elektroden 20 - 25 auszubilden, während der Bereich 32 trocknet und die angelegten Spannungen vergrößert werden. Die trockenen Bereiche 102 - 107 haben Umfänge bzw. Ränder, welche entsprechende Grenzen 110 - 115 zwischen trockenen Regionen 102 - 107 und Erdmaterial außerhalb der trockenen Bereiche definieren. Die Grenzen 110 - 115 sind Feucht-Trocken-Grenzflächen zwischen Trockenbereichen 102 - 107 und "feuchten" Bereichen außerhalb der Trockenbereiche. Die Grenzen 110 - 115 sind sehr schmal und haben eine Dicke von ungefähr weniger als 2,54 cm (1 Zoll).

Wenn die Spannungen auf den zweiten Bereich von Spannungen vergrößert werden, wird eine Coronaentladung an den Grenzen 110 - 115 erzeugt. Eine Coronaentladung stellt eine intensive, oxidierende Umgebung zur Verfügung, welche Elektronen, molekulare Ionen, Radikale, Ionenradikale, Ozon, Peroxide und UV-Licht erzeugt. Eine Corona kann verwendet werden, um viele organische Materialien, wie beispielsweise Stadtgas (eine komplexe Mischung, bestehend aus Benzol, Toluol, Benz-A-pyren (BAP), Xylol und Naphthalin), Trichlorethylen und Tetrachlorkohlenstoff, zu oxidieren. Eine Corona oxidiert auch Metall, wie beispielsweise Blei, Gold, Zink, Arsen, Chrom, Uran, Plutonium und Cadmium. Zusätzlich kann eine Corona radioaktiven Abfall, wie beispielsweise radioaktive Salze, umfassend radioaktives Nitrat, oxidieren.

Das Erdreich 30 ist zu diesem Zeitpunkt sehr trocken und agiert im wesentlichen wie ein Dielektrikum. Dieses Dielektrikum ermöglicht, daß die Corona aufrechterhalten wird. Die Corona bewirkt die Bildung eines chemisch hoch reaktiven Plasmas. Die Corona oder das Plasma ist auf einem Energieniveau, welches ausreichend ist, um die nicht-flüchtigen Verunreinigungen, welche in dem Bereich 32 des festen Erdreichs 30 verbleiben, chemisch zu verändern.

Die Effizienz der Plasmareaktion hängt von der durch die Corona freigesetzten Elektronenenergie ab. Die durch eine in- situ-Corona freigesetzten Elektronen sind um eine Größenordnung energiereicher als jene durch konventionelle, leitfähige (Metall-)Elektroden freigesetzten. Dies deshalb, da die in- situ-Corona an nicht-leitfähigen (dielektrischen) Erdteilchen auftritt, was bedeutend höhere Feldgradienten erfordert, um zu bewirken, daß ein Gas Elektronen emittiert. Feldemissionen an dielektrischen (d. h. nicht-leitfähigen) Erdpartikeln werden auto-elektronische Emissionen genannt, wobei dies unterschiedlich davon ist, was üblicherweise unter einer "Corona" verstanden wird.

Eine konventionelle "Corona", welche auf Metallelektroden in Umgebungsluft ausgebildet wird, weist eine Energie von weniger als 20 eV über ein sehr geringes Plasmavolumen, beispielsweise eine einige um dicke Hülle bzw. Umhüllung, auf. Durch die Hülle hindurchtretende Verunreinigungen wechselwirken direkt mit der Corona (dies erfordert ungefähr 5 eV). Zusätzlich bildet durch die Hülle hindurchtretende, feuchte Luft oxidierende Radikale, welche einiges von dem Rest der Verunreinigung fangen bzw. mit diesen reagieren, welche nicht durch die Hülle hindurchtreten. Ungefähr 10 eV sind erforderlich, um ein OH-Radikal zu erzeugen, und ungefähr 6 OH-Radikale sind erforderlich, um typische organische Verunreinigungen zu zersetzen. Mit diesen Ausbeuten tritt eine gute Zerstörungseffizienz nur in einem sehr geringen Maßstab auf. Die Umwandlung von Verunreinigungen in unschädliches CO/CO&sub2; kann lediglich einige wenige Prozent betragen.

Autoelektronen-Emissionen an dielektrischen Partikeln (wie Erdpartikeln) emittieren Elektronen bei Energien von einigen eV. Daraus resultierend wird ein sehr energetisches Plasma mit guten Oxidantienausbeuten gebildet (beispielsweise 20 bis 30 OH-Radikale pro Elektron). Darüberhinaus werden mehr Oxidantien pro Coulomb Elektrizität erzeugt. Der Überschuß an Oxidationsmitteln bewirkt eine nahezu 100%-ige Mineralisie rung der Verunreinigungen. Eine direkte Zerstörung von Verunreinigungen durch Elektronenbeschuß wird auch unterstützt und das Plasmavolumen kann direkt Verunreinigungen in einer sehr viel größeren Hülle (100 bis 1000 um) kontaktieren. In festem Erdreich erstreckt sich die ionisierte Hülle weiter als die Abmessungen zwischen den Partikeln.

Die Bildung von trockenen Bereichen 102 - 107 und die Bildung einer Corona an den Grenzen 110 - 115 tritt ungefähr gleichzeitig auf. Die trockenen Bereiche 102 - 107 beginnen bei den entsprechenden Elektroden 20 - 25 und bewegen sich dann radial nach außen relativ zu den einzelnen Elektroden, wenn die Spannungen erhöht werden. Die Corona wird durch die Feucht- Trocken-Grenzflächen oder -Grenzen 110 - 115 geführt. Material außerhalb der trockenen Bereiche 102 - 107 enthält weiterhin einen gewissen Feuchtigkeitsgehalt, welcher die Elektrizität durch den Bereich 32 leitet, welcher weiterhin außerhalb der trockenen Bereiche 102 - 107 liegt. Beispielsweise kann der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der trockenen Bereiche 102 - 107 0,5 Gew.-% betragen und der Feuchtigkeitsgehalt in den "feuchten" Bereichen außerhalb der trockenen Bereiche kann 4 bis 7 Gew.-% betragen. Deshalb wird ein Erwärmen und Trocknen durch den Bereich 32 fortgesetzt.

Die trockenen Bereiche 102 - 107 dehnen sich radial auswärts von den entsprechenden Elektroden 20 - 25 mit einer relativ geringen Rate aus. Die langsame Bewegung wird durch den Feuchtigkeitsgehalt-Gradienten über die Grenzen 110 - 115 bewirkt. Der relativ höhere Feuchtigkeitsgehalt außerhalb der trockenen Bereiche 102 - 107 verhindert ein Ausweiten der trockenen. Bereiche. Das langsame Ausweiten ist sehr vorteilhaft. Das geringe Wachstum der trockenen Bereiche 102 - 107 ermöglicht, daß sich die Coronagrenzen 110 - 115 langsam durch nicht-flüchtige Verunreinigungen und sorbierte oder andersartig gebundene Verunreinigungen bewegt. Daraus resultierend hat die Coronaentladung ausreichend Zeit, um die Kontaminationen zu zersetzen.

Die Spannungen werden langsam über den zweiten Bereich von Spannungen zu einem dritten Bereich von Spannungen erhöht. Der dritte Bereich von Spannungen kann sehr hoch bis zu 100 kV sein. Während die Spannungen langsam durch den dritten Bereich von Spannungen erhöht werden, setzen die trockenen Bereiche 102 - 107 ihre radiale Bewegung nach außen von den entsprechenden Elektroden 20 - 25 fort. Die gesamte dem Erdreich 30 zugeführte Leistung beginnt zu fallen, während jedoch die trockenen Bereiche expandieren und die Corona sich weiter ausbreitet.

Die Coronagrenzen 110 - 115 gelangen auf nicht-flüchtige Verunreinigungen und sorbierte oder andersartig gebundene Verunreinigungen, welche allgemein mit 100 bezeichnet sind, wenn die Grenzen sich durch den Bereich 32 bewegen (Fig. 7). Die Corona erzeugt Oxidationsmittel und Reduktionsmittel, welche die verbleibenden Kontaminationen 100 fangen und mit diesen reagieren. Die Reaktion bewirkt eine Zersetzung der nicht- flüchtigen Kontaminationen 100. Die Verunreinigungen 100 werden oft in flüchtige Fragmente zersetzt, welche dann durch den Durchtritt 64 der neutralen Elektrode 34 abgezogen und in der Abgasbehandlungseinrichtung behandelt werden können.

Schließlich bewegen sich die Coronagrenzen 110-115 im wesentlichen durch den Bereich 32 (Fig. 8). Daraus resultierend werden im wesentlichen sämtliche Verunreinigungen innerhalb des Bereiches 32 entfernt und/oder unschädlich gemacht. Wasser, feuchte Luft oder Dampf können dann dem Erdreich 30 zugesetzt werden, um das Erdreich wieder in seinen natürlichen Zustand rückzuführen.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Bereich 32 aufgrund der Anordnung der Umfangselektroden 20-25 und der Anwendung von sechs Phasen von Spannungen im wesentlichen gleichmäßig erwärmt bzw. erhitzt wird. Das einheitliche Erwärmen erfolgt bei einer Temperatur, welche geringer ist als eine Schmelztemperatur des festen Erdreichs 30. Festes Erdreich 30 wird während des Verfahrens nicht verglast. Als ein Resultat können im wesentlichen geringere Spannungen verwendet werden, um das kontaminierte bzw. verunreinigte Material zu behandeln. Darüberhinaus werden die zur Erzeugung des wirkungsvollen Erwärmens erforderlichen Spannungen weiter aufgrund der hexagonalen Anordnung der Elektroden 20 - 25 reduziert, wobei dies die Ausbildung von Parallelwiderständen erlaubt. Die Reduktion der Spannungen resultiert in einer signifikanten Reduktion der Ausstattung und der Verfahrenskosten. Weiters erhöht eine Reduktion der Spannungen die Sicherheit.

Der Trocknungsvorgang entfernt die meisten flüchtigen und halb-flüchtigen Verunreinigungen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Bildung einer Coronafront, welche jegliche nicht-flüchtigen Verunreinigungen zersetzt, welche nach dem Trocknungsvorgang verbleiben.

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung, welche ein System 300 zur Behandlung von Erdreich in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt. Sechs Elektroden sind in dem Bereich 32 aus zu behandelndem, festem Erdreich 30 vorzugsweise in einer oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen, hexagonalen Anordnung eingeführt. Nur vier Umfangselektroden (301, 302, 303 und 304) sind in dieser Ansicht gezeigt. Eine neutrale Elektrode 306 ist ungefähr in einem Durchmessermittelpunkt angeordnet. Die Umfangs- bzw. Randelektroden 301 - 304 und die neutrale Elektrode 306 sind in das feste Erdreich 30 in einer im wesentlichen parallelen Beziehung eingebracht. Die Elektroden 301 - 304 und 306 sind bis zu einer Tiefe eingeführt, welche ausreicht, um sicherzustellen, daß die meisten Kontaminationen 46 innerhalb des Bereichs 32 und oberhalb der distalen Enden der Elektroden 301 - 304 und 306, wie sie durch die distalen Enden 308, 310 und 312 dargestellt sind, liegen. Vorzugsweise sind die Um fangselektroden 301 - 304 und die neutrale Elektrode 306 im wesentlichen zylindrisch.

Die Umfangselektroden 301 - 304 und die neutrale Elektrode 306 weisen jeweils einen Durchtritt auf, welcher sich axial durch diese erstreckt, welcher mit dem festen Erdreich 30 und einer Stelle außerhalb des festen Erdreichs 30 in Verbindung steht. Beispielsweise weisen die Umfangselektroden 301 und 304 entsprechende Durchtritte 314 und 320 auf. Die neutrale Elektrode 306 weist einen Durchtritt 324 auf. Die Umfangselektroden 301 - 304 und die neutrale Elektrode 306 sind perforiert, um eine Fluidverbindung zwischen dem Erdreich 30 und den innerhalb der Elektroden angeordneten Durchtritten zu erlauben. Die Umfangselektroden 301 und 304 sind durch mehrere Durchtrittslöcher oder -Öffnungen 318 und 322 perforiert, um eine Fluidverbindung zwischen dem festen Erdreich 30 und den entsprechenden Durchtritten 314 und 320 zu erlauben. Ähnlich ist die neutrale Elektrode 306 mit mehreren Öffnungen 326 perforiert.

Das System 300 beinhaltet einen sechsphasigen Wechselstromgenerator 330, welcher mit den Umfangselektroden 301 - 304 gekoppelt ist. Sechs Leiter 332 verbinden elektrisch den Generator 330 mit den Umfangselektroden 301 - 304 (und den zwei nicht dargestellten Elektroden). Eine unterschiedliche Spannungsphase ist an jeden einzelnen Leiter 332 auf eine oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebene Weise angelegt. Die Spannungen sind ausreichend, um ein Trocknen und ein Ausbilden einer Coronaentladung zu erzielen.

Eine Abgasbehandlungseinrichtung 334 ist in Fluidverbindung mit der neutralen Elektrode 306 durch eine Leitung 336 angeschlossen. Die Abgasbehandlungseinrichtung 334 ist vorzugsweise mit einer Vakuumvorrichtung ausgebildet, um kontaminierte bzw. verunreinigte Gase aus dem festen Erdreich 30 durch die neutrale Elektrode 306 und die Leitung 336 abzuziehen.

Das System 300 weist eine Pumpeneinheit 340 auf, welche in Fluidverbindung mit den Umfangselektroden 301 - 304 durch eine Leitung 342 verbunden ist. Die Leitung 342 ist mit den Umfangselektroden 301 - 304 (und den zwei nicht dargestellten Elektroden) verbunden. Die Leitung 342 kann eine einzelne Leitung mit zu den einzelnen Umfangselektroden gehenden Verzweigungen sein oder sie kann von sechs getrennten Leitungen gebildet sein, welche mit entsprechenden der Umfangselektroden gekoppelt sind.

Ein Gasvorratsbehälter 344 ist in Fluidverbindung mit der Pumpeneinheit 340 über eine Leitung 346 gekoppelt. Der Gasvorratsbehälter 344 speichert und stellt Gase, wie beispielsweise Luft, Sauerstoff, Wasserstoff und Gase mit freien Elektronen (wie Edelgase und molekularen Stickstoff), zur Verfügung.

Das System 300 ist unterschiedlich von der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform dahingehend, daß Gase in das feste Erdreich 30 eingespritzt werden können, um die in dem Bereich 32 ablaufende Reaktion kontrollieren bzw. steuern zu helfen. Ein gewünschtes Gas wird aus dem Gasvorratsbehälter 344 durch die Leitung 346 in die Pumpeneinheit 340 zugeführt. Die Pumpeneinheit 340 pumpt das Gas durch die Leitung 342 in die Umfangselektroden 301 - 304. Das Gas strömt durch die Durchtritte (d. h. 314 und 320) der Umfangselektroden und wird durch die Öffnungen (d. h. 318 und 322) ausgepreßt, wie dies schematisch mit Pfeilen angedeutet ist. Die Gase werden dann durch den Bereich 32 zu der neutralen Elektrode 306 gezogen. Das in der Abgasbehandlungseinrichtung 334 zur Verfügung gestellte Vakuum stellt einen ausreichenden Saugdruck zur Verfügung, um die Gase durch den Bereich 32 zu ziehen. Die Gase werden dann durch die Öffnung 326 in den Durchtritt 324 der neutralen Elektrode 306 abgezogen, wie dies mit Pfeilen gezeigt ist. Die Gase werden dann durch die Leitung 336 zu der Abgasbehandlungseinrichtung 334 entfernt.

Eine beliebige Anzahl von Gasen kann in das feste Erdreich 30 eingespritzt werden. Sauerstoff kann in den Bereich 32 eingespritzt werden, um den Sauerstoffgehalt des Bereichs zu erhöhen. Der überschüssige Sauerstoff hilft, die Reaktionsgeschwindigkeit zu optimieren, wenn sich die Coronagrenze durch den Bereich 32 bewegt. Wasserstoff kann hinzugefügt werden, um eine chemische Reduktion zu erleichtern. Eine chemische Reduktion wird oft erwünscht, um hochchlorierte vu, wie beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff (CCl&sub4;) zu zersetzen.

Gase mit freien Elektronen (wie Edelgase und molekularer Stickstoff) können in den Bereich 32 eingespritzt werden, um die Spannungen verringern zu helfen, welche zur Aufrechterhaltung der Coronaentladung erforderlich sind. Gase mit freien Elektronen ersetzen freie Sauerstoffatome, welche Elektronenfänger sind. Ohne den Zusatz derartiger Gase mit freien Elektronen ist eine höhere Spannung erforderlich, um ein stärkeres Feld zu reduzieren, um der Tendenz der Elektronen, sich an den Sauerstoff zu binden, entgegenzuwirken. Ein Einspritzen von Gasen mit freien Elektronen in den Bereich 32 ersetzt einige dieser freien Atome des Sauerstoffs, wodurch eine Reduktion der Feldstärke ohne Verringerung der Coronaentladung ermöglicht wird. Daraus resultierend können die Spannungen reduziert werden.

Fig. 11 illustriert schematisch auch einen alternativen Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das System 300 kann mit einer Vakuumeinheit 350 adaptiert werden, welche in einer Rezyklierschleife vorgesehen ist, welche aus Leitungen 352 und 354 besteht. Die Leitung 352 würde in Fluidverbindung mit dem Durchtritt 324 der neutralen Elektrode 306 stehen. Die Vakuumeinheit 350 würde einen ausreichenden Saugdruck zur Verfügung stellen, um verunreinigte Gase aus dem Bereich 32 abzuziehen. Die verunreinigten Gase würden dann zu dem Bereich 32 durch die Leitung 354, die Pumpeneinheit 340, die Leitung 342 und die Umfangselektroden 301 - 304 rückgeführt.

In dieser Ausführungsform wird eine Abgasbehandlungseinrichtung 334 nicht verwendet.

Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die kontaminierten Gase durch die trockenen Bereiche und durch die Coronagrenzen, welche oben unter Bezugnahme auf die Fig. 6 - 9 erörtert wurden, rezykliert. Die verunreinigten Gase werden bei ihrem Durchtritt durch die Coronaentladung zersetzt. Dementsprechend wird das während der Behandlung des Erdreichs 30 erzeugte Abgas wirkungsvoll durch ein Rezyklieren des Abgases zurück durch den Bereich 32 des Erdreichs 30 behandelt.

Fig. 12 ist eine schematische Darstellung einer Abgasbehandlungsvorrichtung 400 in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Abgasbehandlungsvorrichtung 400 behandelt verunreinigte Gase oder dgl. chemisch. Beispielsweise kann die Abgasbehandlungsvorrichtung 400 verwendet werden, um Gase, wie beispielsweise NOX, oder Gase, welche während in-situ-Verglasungsvorgängen, Bodendampfextraktionsvorgängen oder anderen Verfahrensabsaugungen entstehen, zu behandeln.

Die Vorrichtung 400 ist vorzugsweise in einem transportablen Maßstab bzw. mit transportablen Abmessungen dimensioniert. Auf diese Weise kann die Vorrichtung 400 zu Verglasungs- oder Extraktionsanlagen oder anderen Positionen transportiert werden, welche eine Abgasbehandlung erfordern.

Die Abgasbehandlungsvorrichtung 400 weist einen Behälter 402 auf, welcher vorzugsweise aus einem dauerhaften Kunststoff oder einem anderen isolierenden Material ausgebildet ist. Der Behälter 402 weist einen Boden 412 und Wände 403 auf und kann zylinderförmig ausgebildet sein oder mehrere im wesentlichen flache Wände aufweisen. Der Behälter 402 ist mit einem Material 404, wie beispielsweise festem Erdreich, gefüllt. Vorzugsweise ist das Material 404 Sand.

Sechs Umfangselektroden werden in das Material 404 eingebracht. Die Umfangselektroden sind vorzugsweise an den Scheiteln eines im wesentlichen gleichseitigen Hexagons angeordnet, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Nur vier Umfangselektroden (406, 407, 408 und 409) sind in dieser Darstellung gezeigt. Die Umfangselektroden 406 - 409 sind nahe benachbart und in Abstand von der Wand 403 des Behälters 402 angeordnet. Eine neutrale Elektrode 410 ist in einem mittleren Bereich des Behälters 402 eingeführt. Die Umfangselektroden 406 - 409 und die neutrale Elektrode 410 sind bis zu einer Tiefe eingeführt, sodaß die distalen Enden der Elektroden nicht den Boden 412 des Behälters 402 kontaktieren. Die Elektroden 406 - 409 und die neutrale Elektrode 410 sind im wesentlichen hohl ausgebildet und definieren dadurch axial hindurchverlaufende Durchtritte. Die Elektroden 406, 409 und 410 weisen jeweils Durchtritte 414, 416 und 418 auf. Die Umfangselektroden 406 - 409 und die neutrale Elektrode 410 weisen darin ausgebildete Durchtrittslöcher oder -Öffnungen auf, um eine Fluidverbindung zwischen den Durchtritten (414, 416, 418) und dem Material 404 zu ermöglichen.

Die Abgasbehandlungsvorrichtung 400 weist einen Sechsphasen- Wechselstromgenerator 420 auf, welcher mit den Umfangselektroden 406 - 409 gekoppelt ist. Der Sechsphasen-Wechselstromgenerator 420 erzeugt sechs Phasen von Spannungen und legt diese Spannungen über Leiter 422 an die entsprechenden Elektroden 406 - 409 (und die zwei nicht gezeigten Elektroden) an. Die an die Umfangselektroden angelegten Spannungen sind ausreichend, um eine Coronaentladung innerhalb des Materials 404 zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Die Bildung der Corona ist oben unter Bezugnahme auf die Fig. 6 - 9 erörtert.

Die Vorrichtung 400 weist auch eine Fluidentfernungseinheit auf, um Fluid aus dem Material 404 zu entfernen. Die Fluidentfernungseinheit beinhaltet vorzugsweise eine Vakuumeinheit 424, welche in Fluidverbindung über eine Leitung 426 mit der neutralen Elektrode 410 gekoppelt ist. Die Vakuumeinheit 424 legt einen ausreichenden Saugdruck an, um Gase durch das Material 404 in den Durchtritt 416 der neutralen Elektrode 410 abzuziehen. Alternativ kann die Fluidentfernungseinheit ein an eine Abgashaube angeschlossenes Vakuum umfassen, welches oberhalb des Materials 404 in dem Behälter 402 positioniert ist, wie dies oben unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben wurde.

Eine Rezykliereinheit 430 ist in Fluidverbindung mit der Vakuumeinheit 424 durch eine Leitung 432 verbunden. Die Rezykliereinheit ist auch in Fluidverbindung mit den Umfangselektroden 406 - 409 über Leitungen 434, 435, 436 bzw. 437 verbunden. Die Rezykliereinheit 430 empfängt das zu behandelnde Gas über eine Leitung 440. Eine Ausgabeleitung 442 ist vorgesehen, um Gas, welches behandelt wurde und unschädlich gemacht wurde, abzulassen.

Die Rezykliereinheit 430 kann eine Pumpe zum Pumpen von Gasen durch die Leitungen 434 - 437 zu den Umfangselektroden 406 - 409 beinhalten: Die Rezykliereinheit 430 kann weiters eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Gases auf eine Temperatur beinhalten, welche für eine Aufrechterhaltung eines Dampfzustandes ausreichend ist. Das Gas liegt bei einer Dampftemperatur vor, wenn es aus dem Material 404 abgezogen wird. Es kann wünschenswert sein, die Gase in der Dampfform aufrechtzuerhalten, und es ist derart ein Erhitzen erforderlich. Alternativ kann es wünschenswert, diese Dämpfe zu kondensieren. Wenn eine Kondensation gewünscht wird, kann die Rezykliereinheit 430 mit einem Wärmetauscher ausgestattet sein, um die abgezogenen Dämpfe zu kühlen und die Dämpfe zu kondensieren.

Im Betrieb strömt das zu behandelnde Gas durch die Leitung 440 zu der Rezykliereinheit 430. Die Rezykliereinheit 430 leitet die zu behandelnden Gase durch die Leitungen 434 - 437 zu entsprechenden Umfangselektroden 406 - 409. Das Gas strömt durch die entsprechenden Durchtritte in den Umfangselektroden und aus den Öffnungen (wie dies durch Pfeile gezeigt ist). Die Gase werden durch das Material 404 von den Umfangselektroden 406 - 409 zu der neutralen Elektrode 410 durch den durch die Vakuumeinheit 424 zur Verfügung gestellten Saugdruck abgezogen. Die Gase treten in den Durchtritt 416 der neutralen Elektrode 410 ein und werden durch die Leitungen 426 und 432 in die Rezykliereinheit 430 entfernt. Die Gase können zu diesem Zeitpunkt sehr heiß sein (beispielsweise 100 ºC).

Wenn den Gasen eine Abkühlung erlaubt wird, können die Gase kondensieren, um den Dampfzustand zu verlassen. Die Rezykliereinheit 430 kann die Gase auf eine Temperatur erwärmen, welche ausreichend ist, um gewünschtenfalls einen Dampfzustand aufrechtzuerhalten. Die Rezykliereinheit 430 zwingt die Gase zurück durch die Leitungen 434 - 437 zu den Umfangselektroden 406 - 409, um den Rezyklier- und Behandlungsvorgang fortzusetzen.

Die Gase werden chemisch behandelt, wenn sie sich zwischen den Umfangselektroden 406 - 409 und der neutralen Elektrode 410 bewegen. Dies deshalb, da der sechsphasige Wechselstromgenerator 420 sechs Phasen von Spannungen den Umfangselektroden 406 - 409 (und den zwei nicht gezeigten Elektroden) zuführt, welche wirksam sind, um eine Coronaentladung innerhalb des Materials 404 zu erzeugen. Die kontaminierten Gase werden chemisch verändert oder zersetzt, wenn sie durch die Coronaentladung hindurchtreten. Dementsprechend zersetzt eine Rezyklierung der Gase durch die Vorrichtung 400 die Verunreinigungen und macht diese unschädlich, Wenn die Gase ausreichend zersetzt sind, läßt die Rezykliereinheit 430 diese Gase durch die Leitung 442 abströmen.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Abgasbehandlungsvorrichtung 400 mit einem Vorratsbehälter für feuchte Luft oder Dampf ausgestattet sein. Der Dampfvorratsbehälter 452 speichert feuchte Luft oder Dampf und führt diese der Rezykliereinheit 430 über eine Leitung 454 zu. Der Dampf kann dann in das Material 404 durch die Umfangselektroden 406 - 409 eingespritzt werden. Der Dampf kann dem Material 404 zugesetzt werden, um einen im wesentlichen konstanten, trockenen Bereich und eine im wesentlichen stationäre Coronagrenze zu bewirken. D. h. die Corona wird relativ nahe den Umfangselektroden 406 - 409 verbleiben und sich nicht radial nach außen durch das Material 404 bewegen, wie dies oben unter Bezugnahme auf die Fig. 6 - 9 beschrieben wurde. Eine sich bewegende Coronafront ist in dieser Ausführungsform nicht so wesentlich, da nichtflüchtige Kontaminationen in dem Material 404 enthalten sind. Eine stationäre Coronagrenze ist daher ausreichend, um die dadurch hindurchtretenden Gase zu zersetzen.

Dampf kann gewünschtenfalls auch durch die Gaszufuhr 344 in dem in Fig. 11 gezeigten System 300 zugeführt werden.

Die oben unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 beschriebenen Ausführungsformen wurden dahingehend beschrieben, daß alle Umfangselektroden mit Durchtritten ausgebildet sind. Alternativ kann nur eine oder zwei der Umfangselektroden mit Durchtritten und Leitungen zur Rezyklierung von Gasen zurück in den Bereich des Materials versehen sein. Zusätzlich kann eine andere unabhängige Elektrode hinzugefügt werden, um Gase in den zu behandelnden Bereich einzuspritzen. Auf diese Weise würden Gase nur durch diese zusätzliche Elektrode und nicht durch die Umfangselektroden eingepumpt werden.

Die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Leitungen können aus einem jeglichen, für einen Durchtritt von Gasen geeigneten Material gebildet sein. Beispielsweise können die Leitungen von Gummischläuchen, Metallrohren oder anderen rohrförmigen Elementen gebildet sein.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich mit flüch tigen, halb-flüchtigen und nicht-flüchtigen Kontaminationen die Schritte eines:

(a) Einbringens mehrerer Elektroden in das feste Erdreich, wobei die Elektroden einen Bereich des zu behandelnden Materials definieren;

(b) Anlegens von mehreren Phasen von Spannungen an entsprechende der Elektroden;

(c) Einstellens der Spannungen innerhalb eines ersten, ausgewählten Bereichs von Spannungen, um das Material auf eine Temperatur zu erwärmen, welche ausreichend ist, um flüchtige und halb-flüchtige Verunreinigungen aus dem Bereich des Materials im wesentlichen zu entfernen;

(d) Erzeugens von trockenen Bereichen des Materials rund um einzelne Elektroden beim Wärmen des Materials, wobei die trockenen Bereiche einen Umfang aufweisen, welcher eine Grenze zwischen den trockenen Bereichen des Materials und dem Erdreich außerhalb der trockenen Bereiche definiert;

(e) Vergrößerns der Spannung auf einen zweiten, ausgewählten Bereich von Spannungen, welcher wirksam ist, um verglasende Erdreichfragmente innerhalb der trockenen Bereiche auszubilden;

(f) Bewegens der Grenzen der trockenen Bereiche radial nach außen von den einzelnen Elektroden durch den Bereich des Materials; und

(g) Zersetzens der nicht-flüchtigen Verunreinigungen, wenn die Grenze über die nicht-flüchtigen Verunreinigungen hinwegtritt.

Wenn die Spannungen über den zweiten Bereich von Spannungen (d. h. 2000 bis 6000 V Wechselspannung) geführt werden, kann die Bildung von verglasten Fragmenten erfolgen. Die Fragmente sind teilweise oder vollständig geschmolzen, verglast, gesintert oder verdampft und rekondensiert, um eine hochverzweigte oder dendritische Mineralstruktur (ähnlich zu, jedoch höher verzweigt als Fulgurite) auszubilden. Diese Fragmente weisen ein dendritisches Aussehen auf und haben oft eine höhere Dichte als die Dichte des umgebenden Erdreichs. Die Fragmente sind oft hohl oder weisen Blasen auf. Die dendritischen Fragmente können intakt aus dem Erdreich 30 geborgen werden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung von verglasenden Bodenfragmenten in einem Bodenbereich die Schritte eines:

(a) Anordnens von zwei leitfähigen Elementen in einem Bodenbereich, wobei die leitfähigen Elemente voneinander um einen vorgewählten Abstand beabstandet sind;

(b) Anlegens einer Spannung über die leitfähigen Elemente, wobei die Spannung ausreichend ist, um verglasende Bodenfragmente innerhalb des Bodenbereichs auszubilden;

(c) Reduzierens der Spannung auf ein Niveau, welches ausreichend ist, um die verglasenden Bodenfragmente zu verfestigen; und

(d) Sammelns der verglasten Bodenfragmente, nachdem die verglasten Bodenfragmente sich verfestigt haben.

Fig. 13 illustriert ein Verfahren zur Herstellung von verglasenden Bodenfragmenten in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Wenigstens zwei leitfähige Elemente oder Elektroden 202 und 204 sind in einem Bodenbereich 200 angeordnet. Der Boden 200 ist vorzugsweise sehr trocken, wie beispielsweise Dünensand. Die Elektroden 202 und 204 sind in einem Abstand "d" voneinander angeordnet. Eine Spannungsquelle 206 ist angeschlossen, um eine Spannung über die Elektroden 202 und 204 anzulegen. Die angelegte Spannung ist ausreichend, um verglasende Bodenfragmente innerhalb des Bodenbereiches 200 auszubilden. Nach der Bildung der Bodenfragmente wird die an die Elektroden 202 und 204 angelegte Spannung auf ein Niveau reduziert, welches ausreichend ist, um in einer Verfestigung der Bodenfragmente zu resultieren. Die resultierenden Bodenfragmente können eine Dichte aufweisen, welche höher als die Dichte des Bodens 200 ist. Die Bodenfragmente können dann gesammelt werden, nachdem sich die Fragmente verfestigt haben.

Die an die Elektroden 202 und 204 angelegte Spannung variiert beträchtlich. Bemerkenswerterweise scheint die Spannung unabhängig von dem Abstand "d" zwischen den Elektroden 202 und 204 und dem Mineral- und Feuchtigkeitsgehalt des Bodens 200 zu sein. Wenn die Elektroden in einem Abstand von 15,2 bis 45,7 cm (6 bis 18 Zoll) angeordnet sind, können Spannungen im Bereich von 1000 V bis 30000 V angelegt werden, um die Bodenfragmente zu erzeugen.

Eine Spannungsquelle 206 kann eine Gleichspannungs- oder Wechselspannungsversorgungsquelle sein. Die Spannungsquelle 206 kann eine gepulste Leistungsversorgung sein, welche Spannungspulse ausgibt. Die Pulse rütteln den Boden 200 elektrisch, wobei dies die Bildung der Bodenfragmente erleichtern kann.

Es können mehr als zwei Elektroden verwendet werden, um die verglasten Bodenfragmente zu bilden. Demgemäß können sechs Elektroden in den Boden 200 in einer in Fig. 1 gezeigten Anordnung eingeführt werden. Sechs Phasen von Spannungen können an die entsprechenden Elektroden bei einem Niveau angelegt werden, welches ausreichend ist, um verglasende Bodenfragmente innerhalb des Bodens 200 zu erzeugen. Die Spannungen können dann reduziert werden, sodaß sich die Fragmente verfestigen können und eingesammelt werden können.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Messung des Widerstandes und des Feuchtigkeitsgehaltes des festen Erdreichs die Schritte eines:

(a) Einbringens von sechs Elektroden in einen Bereich des festen Erdmaterials;

(b) Anlegens von sechs Phasen von Spannungen an entsprechende der Elektroden, um Stromwege zwischen Paaren der Elektroden zu erzeugen;

(c) Einstellens der Spannungen auf ein Niveau, welches ausreichend ist, um ein elektrisches Feld innerhalb des Bereichs des Materials auszubilden, ohne den Widerstand und den Feuchtigkeitsgehalt des Bereichs wesentlich zu ändern;

(d) Überwachens der Spannungen;

(e) Überwachens des zwischen den Paaren von Elektroden hindurchfließenden Stromes; und

(f) Berechnens des Widerstandes und des Feuchtigkeitsgehaltes des Materials, basierend auf dem überwachten Strom und den Spannungen.

Genaue Messungen des Feuchtigkeitsgehalts und des Widerstandes von Böden oder anderen Erdmaterialien sind aus vielen Gründen wesentlich. Bauern sind am Feuchtigkeitsgehalt ihrer Böden interessiert. Geologen und Geophysiker sind am Widerstand des Bodens interessiert, um unterirdische, geologische Formationen charakterisieren zu helfen. Eine Charakterisierung von unterirdischen, geologischen Formationen ist wesentlich für die Wissenschaft und für kommerzielle Aktivitäten, wie eine Ölgewinnung. Genaue Bodenwiderstandsmessungen sind auch für Kraftwerksingenieure wichtig, wenn sie versuchen, Leitungen im Untergrund zu verlegen.

Bestehende Techniken zur Messung des Widerstandes und des Feuchtigkeitsgehalts beinhalten die Anordnung von zwei bis vier Elektroden im Boden in einem Abstand von etwa 15 bis 30 m (ungefähr 50 bis 100 Fuß). Darauf wird eine Spannung über die Elektroden angelegt. Der Strom und die Spannung werden überwacht bzw. gemessen, um den Feuchtigkeitsgehalt und den Widerstand festzustellen. Leider fließt der Strom üblicherweise nicht direkt zwischen den Elektroden. Der Strom tendiert dazu, in Richtung zum Erdmantel zu strömen. Demgemäß kann der Strom von einer Elektrode zum Erdmantel und dann zurück zur anderen Elektrode fließen. Der Strom tendiert auch dazu, entlang von unterirdischen Wasserkörpern oder einem anderen Weg mit einem geringeren Widerstand zu strömen. Der Strom kann daher in einer Richtung tangential zu dem Weg direkt zwischen den Elektroden strömen. Der längere Stromweg resultiert in einer ungenauen Messung des Widerstandes und des Feuchtigkeitsgehalts.

Ein weiteres Problem mit bekannten Techniken liegt darin, daß Messungen als eine Funktion der Tiefe unsicher sind. Die Elektroden werden typischerweise bis zu einer vorbestimmten Tiefe, beispielsweise 2,4 bis 3 m (8 bis 10 Fuß), für jede einzelne Messung in einem Bestreben eingeführt, die Messungen zu standardisieren.

Ein Weg zur Lösung dieses Problems ist es, die Elektroden näher beieinander zu positionieren. Diese Vorgangsweise hat jedoch den Nachteil, daß nur eine Art des Bodens gemessen werden kann. Eine Anordnung der Elektroden weiter voneinander entfernt ist wünschenswert, da der Strom durch viele unterschiedliche Arten des Bodens fließen muß. Eine genauere Messung kann daher durch diesen vergrößerten Abstand erhalten werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können sechs Elektroden in einen Bereich festen Erdreichs in einer in Fig. 1 gezeigten, hexagonalen Anordnung eingebracht werden. Sechs Phasen von Spannungen werden an die entsprechenden Elektroden angelegt, um Stromwege zwischen Elektrodenpaaren auszubilden. Die an die Elektroden angelegten Spannungen sind sehr gering. Die Spannungen sind jedoch ausreichend, um ein elektrisches Feld innerhalb des zu vermessenden Bereichs des festen Erdmaterials auszubilden. Das elektrische Feld befindet sind auf einem ausreichend geringen Energieniveau, welches den Widerstand und Feuchtigkeitsgehalt des Bereichs nicht wesentlich ändert. Die Spannung und der Strom werden dann unter Verwendung von bekannten Strom- und Spannungsmeßgeräten überwacht. Darüberhinaus kann der Widerstand und der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens unter Verwendung einer speziell ausgebildeten Schaltung ermittelt werden.

Ein Vorteil einer Verwendung von sechs in einem im wesentlichen gleichseitigen Sechseck angeordneten Elektroden ist, daß das elektrische Feld im wesentlichen auf das Hexagon beschränkt ist. Die Form des elektrischen Feldes ist somit leicht feststellbar. Daher können genaue Messungen des Widerstandes und des Feuchtigkeitsgehalts als eine Funktion der Tiefe erhalten werden. Konventionelle Techniken sind nicht fähig, den Widerstand und den Feuchtigkeitsgehalt als eine Funktion der Tiefe genau zu berechnen.

Die mittlere Elektrode 34, obwohl sie vorzugsweise neutral ist, kann auch eine daran angelegte Spannung aufweisen. Ein Anlegen einer Spannung an die Elektrode 34 würde das einheitliche Erwärmen des Bereichs 32 innerhalb der Umfangselektroden 20 - 25 aus dem Gleichgewicht bringen. Beispielsweise kann die Erwärmung aus dem Gleichgewicht gebracht werden, sodaß ein warmer bzw. heißer Bereich nahe der mittleren Elektrode 34 ausgebildet wird.

In Übereinstimmung mit den Bestimmungen wurde die Erfindung in einer mehr oder weniger spezifischen Sprache im Hinblick auf strukturelle und methodische Merkmale beschrieben. Es soll jedoch verstanden werden, daß die Erfindung nicht auf die speziellen, gezeigten und beschriebenen Merkmale beschränkt ist, da die hier offenbarten Einrichtungen bzw. Mittel bevorzugte Ausführungsformen der Durchführung der Erfindung darstellen.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Behandlung von festem Erdreich, umfassend die Schritte eines:

a) Einbringens einer Mehrzahl von Elektroden (20 - 25; 202, 204; 301 - 304; 406 - 409) in einen Bereich (32; 200; 404) des zu behandelnden, festen Erdreichs; gekennzeichnet durch

b) ein Anlegen von wenigstens sechs Phasen (Φ&sub1; - Φ&sub6;) von Spannungen an entsprechenden Elektroden (20 - 25; 202, 204; 301 - 304; 406 - 409), um Stromwege zwischen den Elektroden (20 - 25; 202, 204; 301 - 304; 406 - 409) und durch den Bereich (32; 200; 404) des Materials zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiters umfassend die Schritte eines:

Anordnens der Mehrzahl von Elektroden (20 - 25; 202, 204; 301 - 304; 406 - 409) in einer geometrischen Konfiguration, welche wenigstens ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Elektroden (20 - 25; 202, 204; 301 - 304; 406 - 409) aufweist; und

Anlegens von ersten bzw. zweiten Phasen von Spannungen an durch das Elektrodenpaar definierte erste und zweite Elektroden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die angelegten ersten und zweiten Phasen von Spannungen im wesentlichen gleiche Spannungsamplituden aufweisen und um ungefähr 180º relativ zueinander außer Phase sind.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Widerstand und Feuchtigkeitsgehalt des Erdreichs basierend auf festgestellten bzw. überwachten Strömen und Spannungen berechnet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die sechs Phasen (Φ&sub1; - Φ&sub6;) von Spannungen an erste bis sechste Elektroden (20 - 25; 301 - 304; 406 - 409) angelegt werden, welche vorzugsweise in einer aufeinanderfolgenden Anordnung in einer ungefähr hexagonalen, geometrischen Konfiguration angeordnet sind.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiters umfassend den Schritt eines Erwärmens des Bereichs (32; 200; 404) des Materials auf eine Temperatur unter einer Schmelztemperatur des festen Erdreichs.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiters umfassend den Schritt eines Einbringens von wenigstens einer elektrisch neutralen Elektrode (34; 306; 410) in den Bereich (32; 200; 404) des zu behandelnden Materials.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiters umfassend den Schritt eines Einstellens der angelegten Spannungen auf einen Wert innerhalb eines ersten Spannungsbereichs von vorzugsweise zwischen etwa 1000 bis etwa 2000 V, um das Material auf eine Temperatur zu erwärmen bzw. aufzuheizen, um flüchtige und/oder halb-flüchtige Verunreinigungen des festen Erdreichs in dem Bereich (32; 200; 404) des zu behandelnden Material im wesentlichen zu entfernen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, weiters umfassend den nachfolgenden Schritt einer Erzeugung von trockenen Bereichen (102 - 107) des Materials um einzelne Elektroden (20 - 25), während das Material erhitzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, weiters umfassend den nachfolgenden Schritt eines Erhöhens der angelegten Spannung auf einen Wert innerhalb eines zweiten ausgewählten Spannungsbereichs, vorzugsweise zwischen etwa 2000 und 6000 V.

11. Verfahren nach Anspruch 10 und 9, worin der zweite ausgewählte Spannungsbereich geeignet ist, um eine Corona an der Grenze zwischen den trockenen Bereichen (102 - 107) des Materials und dem Erdreich außerhalb der trockenen Bereiche (102 - 107) zu erzeugen.

12. Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 10 und 9, worin der zweite ausgewählte Spannungsbereich geeignet ist, um verglasende Erdreichfragmente innerhalb der trockenen Bereiche (102 - 107) zu bilden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, weiters umfassend den nachfolgenden Schritt eines Bewegens der Grenzen der trockenen Bereiche (102 - 107) radial nach auswärts von den Elektroden (20 - 25) durch den Bereich (32) des Erdreichs.

14. Verfahren nach Anspruch 13, weiters umfassend den nachfolgenden Schritt eines Zersetzens von nicht-flüchtigen Verunreinigungen des Erdreichs, wenn die Grenze der trockenen Bereiche (102 - 107) über die nicht-flüchtigen Verunreinigungen hinwegtritt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, worin der Schritt eines Bewegens der Grenze ein Erhöhen der Spannungen auf einen Wert innerhalb eines dritten ausgewählten Spannungsbereichs umfaßt, welcher größer ist als der zweite ausgewählte Spannungsbereich, wobei die angelegte Spannung vorzugsweise zwischen etwa 6000 V und etwa 100 kV liegt.

16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiters umfassend die Schritte eines Steuerns der Spannung und eines Stromes über die Elektroden und Erzeugens von verzweigten Stromwegen in dem Bodenbereich, wobei die Spannung und der Strom ausreichend sind, um den Bereich innerhalb der verzweigten Wege zu verglasen und verglasende Bodenfragmente in dem Bodenbereich zu erzeugen, welche eine verzweigte oder dendritische Struktur aufweisen;

Reduzierens der Spannung auf einen Wert, welcher ausreichend ist, um die verglasenden Bodenfragmente zu verfestigen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, weiters umfassend den Schritt eines Sammelns der verglasenden Bodenfragmente, nachdem die verglasenden Bodenfragmente verfestigt wurden.

18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin Spannungen an den Elektroden bei Netzwerkfrequenzen angelegt werden.

19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin ein Anlegen von Spannungen das feste Erdreich auf eine Temperatur unterhalb einer Schmelztemperatur des festen Erdreichs erwärmt.

20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin ein Einbringen einer Vielzahl von Elektroden oder Umfangselektroden ein Einbringen von Elektroden an den Scheiteln bzw. Spitzen eines im wesentlichen gleichseitigen Polygons umfaßt.

21. Verfahren zur Erzeugung von verglasenden Bodenfragmenten in einem Bodenbereich, umfassend die Schritte eines:

a) Anordnens von wenigstens sechs leitfähigen Elementen (202, 204) in einem Bodenbereich (200), wobei die leitfähigen Elemente (202, 204) voneinander in einem gewählten Abstand (d) angeordnet sind;

b) Anlegens von wenigstens sechs Phasen von Spannungen, insbesondere von etwa 1000 V bis 30000 V, über die leitfähigen Elemente (202, 204), wobei die Spannung ausreichend ist, um verglasende Bodenfragmente innerhalb des Bodenbereichs (200) zu erzeugen;

c) Reduzierens der Spannungen auf ein Niveau, welches ausreichend ist, um die verglasenden Bodenfragmente zu verfestigen; und

d) Sammelns der verglasenden Bodenfragmente, nachdem die verglasenden Bodenfragmente verfestigt wurden.







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