Способ очистки и дезактивации

 

Использование: в экологии, в частности в способах дезактивации почвы и воды при ликвидации последствий аварий, связанных с попаданием в почву и воду тяжелых металлов и радионуклидов. Сущность изобретения: способ предусматривает дезактивацию с помощью электродов, один из которых связан с отрицательным полюсом и покрыт труднорастворимым гидратированным окислом или соединением гидратированного окисла, обладающих кислотными свойствами, а другой электрод соединен с положительным полюсом и выполнен из инертного материала. Эти электроды помещают в почву и/или жесткую воду. Способ повышает степень очистки загрязнений почвы при сохранении ее физико-химических свойств и расширении типов почв, очистку которых нельзя провести другим способом, а также снижает расход электроэнергии при синнтезе сорбента с высокой сорбционной емкостью. 1 з.п.ф-лы, 5 табл.

Изобретение относится к области очистки почвы и воды, в том числе и находящейся в отстойниках, и может быть использовано при ликвидации последствий аварий, связанных с попаданием в почву и воду тяжелых металлов и радионуклидов.

Известен способ, заключающийся в том, что с почвы снимают загрязненный слой, который затем транспортируется в места последующего захоронения [1] Основной недостаток данного способа заключается в том, что с места на место приходится перемещать колоссальное количество грунта, процентное содержание загрязнителей в котором ничтожно мало. Естественно перемещение столь значительных объемов практически не может не сопровождаться утерей хотя бы части грунта и, следовательно, приводит к загрязнению новых, ранее чистых территорий.

Кроме того, к недостаткам способа должны быть отнесены потеря плодородных почв и его дороговизна, связанная с необходимостью удаления, транспортировки на дальние расстояния и захоронения огромной массы земли.

Наиболее близким к заявляемому является способ, заключающийся в том, что в загрязненную тяжелыми металлами и/или радионуклидами среду помещают электроды и подключают их к разным полюсам источника постоянного тока [2] При подаче на электроды постоянного напряжения через остаточные растворы проходит ток одного направления, создавая движение ионов. При этом, проходя через слой глинистых пород, катионы тяжелых металлов поглощаются в них в обмен на кальций, натрия и др. и закрепляются в них.

Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков: способ осуществим только в глинистых геологических образованиях, обладающих ограниченной катионообменной емкостью; часть загрязнителей переотлагается в промежуточных слоях и может создать рецидивное загрязнение за счет капиллярного переноса; при наличии грунтовых вод возможна миграция загрязнителей в процессе очистки; непроизводительный расход электроэнергии, так как больше 80% ее затрачивается на миграцию ионов водорода и гидроксила диссоциирующейся воды к электродам.

Цель изобретения повышение степени и скорости очистки загрязненной почвы и воды при сохранении их физико-химических свойств и расширении типов почв, очистку которых можно осуществлять с помощью данного способа, снижение расхода электроэнергии и синтез сорбента с высокой сорбционной емкостью.

Цель достигается тем, что в способе дезактивации, заключающемся в том, что электроды помещают в загрязненную тяжелыми металлами и/или радионуклидами среду и подключают их к разным полюсам источника постоянного тока, электрод, соединенный с отрицательным полюсом, покрывают гидратированным труднорастворимым окислом или соединением гидратированных окислов, обладающих(им) кислотными свойствами, а электрод, соединенный с положительным полюсом, выполняют из инертного материала, при этом в качестве среды выбирают почву и/или жесткую воду.

Согласно предлагаемому способу электроды помещают в почву и/или воду и подают на них напряжение от источника постоянного тока. Имеющаяся в почве вода диссоциирует на ионы водорода и гидроксила, которые перемещаются к катоду и аноду соответственно. Постоянную водонасыщенность почвы контролируют с помощью влагомеров, в случае необходимости производят ее увлажнение.

В результате на катоде начинает выделяться газообразный водород, вокруг него накапливаются ионы гидроксила и раствор становится щелочным. В то же время на аноде выделяется кислород, а вокруг накапливаются ионы водорода и раствор вблизи анода становится кислым.

Поскольку анод выполняют из инертного материала, например графита, магнетита и т.д. при электролизе не происходит растворения металлического анода и образования катионов металла анода. В результате не затрачивается энергия на растворение анода и на миграцию катионов металла анода, окружающая среда не загрязняется металлом анода и увеличивается ресурс работы электродов.

Под действием электрического поля накапливающиеся вокруг анода ионы водорода мигрируют в межэлектроный зазор и замещают в почве вследствие своего крайне правого положения в ряду катионов по способности к обменному поглощению находящиеся в них в обменном состоянии ионы Са, а также попавшие в почву в результате, например, аварии или протечки радионуклиды (¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, и др.) и ионы тяжелых металлов (Нg, Pb, Cu и т.д.).

Вытесненные в результате этого процесса катионы металлов перемещаются к катоду, выполненному, например, из нержавеющей стали, покрытому гидратированным труднорастворимым окислом, обладающим кислотными свойствами. В связи с тем, что в почве находятся ионы Са, поэтому в прикатодной щелочной среде в гидроксильной группе гидратированных труднорастворимых кислотных окислов водород замещается в результате реакции обмена ионом Са. Образующаяся на катоде Са-форма обладает высокой сорбционной емкостью по ионам тяжелых металлов (8-10 мг-экв/г) и устойчивостью в нейтральной и щелочной среде, что значительно превышает сорбционную емкость, например, такого сорбента, как силикагель, поэтому в результате сорбции на катоде резко возрастает скорость и степень очистки почвы от ионов тяжелых металлов. К тому же, так как окисел на катоде труднорастворимый, устраняется миграция анионов окисла и ионов гидроксила от катода, в результате чего увеличивается ресурс работы электродов и скорость очистки, снижаются затраты электроэнергии на проведение очистных работ и исключается вероятность загрязнения окружающей среды из-за разрушения покрытия катода.

Процесс очистки воды от ионов тяжелых металлов и/или радионуклидов может протекать даже проще процесса очистки почвы, так как в жесткой воде Са и загрязнители могут находиться в ионном виде.

П р и м е р 1. Сравнение сорбционной емкости силикагеля и Са-формы по ионам меди.

Через динамическую колонку диаметром 8 мм, содержащую 3 г силикагеля марки КСК 3,6 (удельное содержание гидроксилов на поверхности которого 3,6 мг-экв/г), пропускали 0,1 Н раствор СuSO₄ c рН 4,7. Затем выщелачиванием сорбента кислотой определили, что полное количество сорбированной меди составило 310^-3 мг-экв/г. Через аналогичную колонку пропустили 0,04 Н раствор Са(ОН)₂. Полное прекращение сорбции наблюдалось, когда величина сорбции достигла 3,55 мг-экв/г, т.е. при практически полной замене ОН-групп на поверхности силикагеля ионами СаОН⁺. Затем через эту колонку пропустили 0,1 Н раствор СuSO₄, рН 4,7 и выщелачиванием сорбента кислотой определили, что полное количество сорбированной меди составляет 10 мг-экв/г, т.е. Са-форма обладает сорбционной емкостью по иону меди более чем на порядка больше, чем силикагель.

П р и м е р 2. Дезактивация природных (жестких) вод.

Емкость для дезактивации представляет собой цилиндрический полиакриловый корпус объемом 2 л, заполненный речным песком, отмытым от глинистой фракции. Дно корпуса было выполнено из графита и служило анодом. Песок увлажнялся водой, химический состав которой соответствовал составу воды в Москва-реке (табл. 1, размерность мг/л), а кроме того, содержал ион ¹³⁷Сs в количестве 10^-7 Ки/л.

В увлажненный песок помещали катод из нержавеющей проволоки, окруженный перфорированным цилиндром, объемом 50 см, заполненным 20%-ным гелем кремниевой кислоты. Электроды подключали к источнику постоянного тока и поддерживали в течение опыта рабочий ток на уровне 20 mA. После 24 ч работы провели радиохимический анализ жидкой фазы песчаного заполнителя, который показал, что уровень активности жидкой фазы понизился до 10^-9 Ки/л, т.е. загрязненность уменьшилась в 100 раз (ПДК по Сs для населения равно 1,510^-8 Ки/л).

Опыты, проведенные с природными водами другого химического состава, дали аналогичные результаты.

П р и м е р 3. Вытеснение из почвы обменных оснований, включая медный катион-загрязнитель.

В емкость из примера 2 вместо песка насыпали увлажненную почву, содержащую обменные основания, содержания которых от сухого веса почвы показан в табл. 2 (вытеснены однонормальным (1 Н) раствором NH₄Cl), а катодный цилиндр заполнили силикагелем марки КСК 3,6.

Рабочий ток в процессе опыта поддерживался на уровне 1А. По истечении 48 ч работы провели анализ материала катодного цилиндра. Результаты приведены в табл. 3.

Из данных, приведенных в табл. 2 и 3, следует, что из почвы были полностью извлечены обменные основания и медный катион-загрязнитель.

Кроме того, было отмечено подкисление раствора до рН 4 и частичное разрушение почвенных алюмо-силикатов. Однако разрушение почвы при ее очистке предложенным способом более щадящее, чем существующий теперь способ вытеснения обменных оснований, например, 0,05 Н раствором НСl, о чем наглядно свидетельствуют результаты испытаний, приведенные в табл. 4 и 5 (значения в них даны в от веса сухого вещества).

Химический состав водной вытяжки после очистки почвы предложенным способом представлен в табл. 4.

Химический состав водной вытяжки после обработки почвы 0,05 Н раствором НСl представлен в табл. 5.

П р и м е р 4. Извлечение из почвы тяжелых металлов.

Лабораторную ячейку, описанную в примере 3, заполнили увлажненной почвой, содержащей 5 ПДК метил-производных ртути (ПДК предельно допустимая концентрация, 1 ПДК 2,1 мг/кг). Рабочий ток в процессе проведения опыта, продолжавшегося 24 ч, поддерживался на уровне 200 мА. Анализ почвы и катодного цилиндра на содержание ртути показал, что в катодном цилиндре находится 4,6 ПДК ртути, а в почве 0,4 ПДК, то есть почва за 24 ч обработки предложенным способом практически полностью была очищена от ртути.

Результаты, аналогичные тем, что указаны в примерах 2-4, были получены после заполнения катодного цилиндра 20%-ным алюмокремнегелем.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОЧИСТКИ И ДЕЗАКТИВАЦИИ, заключающийся в том, что электроды помещают в загрязненную тяжелыми металлами и/или радионуклидами среду, увлажняют ее в случае необходимости и подключают электроды к разным полюсам источника постоянного тока, отличающийся тем, что электрод, соединенный с отрицательным полюсом, окружают или покрывают труднорастворимым гидратированным окислом, обладающим кислотными свойствами, или соединением гидратированных окислов, обладающих (им) кислотными свойствами, а электрод, соединенный с положительным полюсом, выполняют из инертного материала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве среды выбирают почву и/или жесткую воду.

РИСУНКИ

Рисунок 1