Изобретение относится к переработке жидких радиоактивных отходов. Сущность изобретения: способ очистки жидких радиоактивных отходов сорбцией с помощью предварительно измельченного до удельной поверхности 240-400 м2/кг доменного гранулированного шлака. В состав шлака входят следующие компоненты, мас.%: SiO2 36-39; Al2O3 9-13; CaO 39-46; MgO 3-9; MnO 0,8-1,3; FeO 0,2-0,4; S 0,5-1,2; К2О 0,6-0,7; Na2O 0,3-0,6. Преимущества изобретения заключаются в снижении экономических затрат. 1 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области атомной энергетики и экологии, в частности к обращению с жидкими радиоактивными (ЖРО) или токсичными отходами (ТО), которые находятся в открытых бассейнах-хранилищах.
Содержащиеся в водной фазе радиоактивные или токсичные элементы при консервации бассейнов-хранилищ подлежат либо отверждению, либо включению в минералоподобные матрицы (остекловыванию). Стратегия консервации ЖРО или ТО бассейнов-хранилищ предполагает двухстадийный процесс. На первой стадии осуществляют сорбцию радиоактивных или токсичных элементов. На второй стадии консервации сорбенты подлежат отверждению, а десорбаты - остекловыванию. Сорбционная очистка больших объемов водной фазы бассейнов-хранилищ (от 50 до 200·10
3 м
3) в динамическом режиме с последующим отверждением является крайне затратным, а поэтому малоэффективным процессом.
Известен способ очистки сточных вод промышленных предприятий от ионов тяжелых металлов Zn
+2, Ni
+2, Сu
+2, Cr
+3, Al
+3 путем статической сорбции с использованием в качестве сорбента дешевой золы горючих сланцев [1]. По данным рентгенофазового анализа в составе золы горючих сланцев обнаружены фазы кальциевых алюмосиликатов Al
2SiO
5·
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
·CaSiO
3, СаАl
2SiO
5·
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
·К
2O Са
3Мg(SiO
4)
2, содержащие небольшое количество Fе
2O
3.
Главный недостаток аналога заключается в отсутствии вяжущих свойств у сорбента несмотря на то, что в его состав входят кальциевые алюмосиликаты, составляющие основу вяжущих материалов.
Аналогичный недостаток характерен и для большой группы сорбентов (природные цеолиты, торфяник, известняк, глинистый минерал морденит, зола ТЭС), которые могут применяться для извлечения радионуклидов из природных вод и технологических растворов [2].
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу очистки, выбранному за прототип, является сорбционное выделение из ЖРО цезия и стронция с последующей их иммобилизацией в геоцементы [3]. По прототипу геоцементный камень, куда включают клиноптилолит-сорбент, содержащий Cs
137, Sr
90, получают в результате гидратационного твердения вяжущей системы на основе доменного гранулированного шлака с добавкой каолина и раствора силиката натрия [3]. Доменный гранулированный шлак, который авторы прототипа применяют только как вяжущий материал, можно использовать в качестве сорбента. Изложенная в прототипе двухстадийная схема очистки (сначала динамическая сорбция, затем отверждение сорбента) экономически крайне затратна особенно при переработке больших объемов ЖРО бассейнов-хранилищ.
Задача изобретения - снижение экономических затрат в процессе очистки и консервации бассейнов-хранилищ. Достижение указанной цели возможно при совмещении процессов сорбции и отверждения радиоактивных или токсичных элементов путем проведения их в одну стадию непосредственно в бассейне-хранилище.
В этом случае задача изобретения сводится к замене динамического режима сорбции на статический и использование сорбента, обладающего одновременно вяжущими свойствами под водной фазой бассейна-хранилища.
Для решения поставленной задачи в способе очистки жидких радиоактивных отходов сорбцию осуществляют предварительно измельченным до удельной поверхности 240-400 м
2/кг доменным гранулированным шлаком, содержащим SiO
2, Аl
2О
3, CaO, MgO, MnO, FeO, K
2O, Na
2O при следующем соотношении компонентов, мас.%:
SiO
2 36-39
Аl
2О
3 9-13
CaO 39-46
MgO 3-9
MnO 0,8-1,3
FeO 0,2-0,4
S 0,5-1,2
К
2О 0,6-0,7
Na
2O 0,3-0,6
Сорбцию осуществляют кислым и/или основным доменным гранулированным шлаком. Внесенные в водную фазу ЖРО предварительно измельченные доменные гранулированные шлаки сорбируют радионуклиды U, Pu, Cs, Sr, Ru, Се, Со, Тс и токсичные элементы Cr
+3, Pb
+2 с коэффициентами распределения от 1·10
2 до 1·10
5. На стадии измельчения доменных гранулированных шлаков щелочные компоненты (К
2O, Na
2O), содержащиеся в них, взаимодействуют с основными твердыми фазами SiO
2, Аl
2О
3, CaO, MgO, переводя их в активное состояние. Механоактивированные частицы шлаков в водной фазе ЖРО гидратируются с образованием активных оксидов Са
+2 и Мg
+2, алюмо- и силикагелей - сорбентов радиоактивных и токсичных элементов [4].
В табл.1 представлен химический состав кислых и основных доменных гранулированных шлаков, используемых для очистки ЖРО.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/77/777718.gif)
Крупные фракции доменных гранулированных шлаков, измельченные до удельной поверхности ниже 240 м
2/кг, слабее сорбируют радионуклиды (коэффициенты распределения от 1·10
1 до 1·10
2), а главное, очень долго затвердевают под водной фазой ЖРО (спустя 1,5-2 года). Диспергирование доменных гранулированных шлаков до удельной поверхности более 400 м
2/кг не изменяет сорбционных характеристик, но экономически нецелесообразна.
Примеры осуществления способа очистки жидких радиоактивных отходов.
Пример 1.
Кислый доменный гранулированный шлак измельчают до удельной поверхности 120 и 240 м
2/кг, а основной - до 345 м
2/кг. В водную фазу имитаторов ЖРО (объемом 300 мл), содержащих отдельно радионуклиды (Cs
137, Sr
90, Co
60, Се
144, Тс
99), высыпают по 50 г сорбента - измельченного шлака. Сорбент перемешивают в течение 5 минут и оставляют под водной фазой на несколько месяцев. Исходная концентрация Cs
137 в имитаторе составила 5,2·10
5 Бк/л, Sr
90 2,2·10
5 Бк/л, Со
60 1,8·10
5 Бк/л, Се
144 4,4·10
5 Бк/л, Тс
99 3,9 мг/л.
Результаты определения коэффициентов распределения радионуклидов при сорбции доменными гранулированными шлаками представлены в табл.2. Из данных табл.2 видно, что измельченные до удельной поверхности 120, 240 и 345 м
2/кг кислые и основные доменные гранулированные шлаки извлекают из водной фазы радионуклиды Cs
137, Sr
90, Co
60, Се
144, Тс
99 с коэффициентами распределения от 1·10
2 до 5·10
3.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/77/777719.gif)
Результаты определений степени подводного затвердевания и прочности измельченных доменных гранулированных шлаков от времени выдержки представлены в табл.3.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/77/777720.gif)
Измельченная до удельной поверхности 120 м
2/кг крупная фракция кислого доменного гранулированного шлака слабее сорбирует радионуклиды Cs
137, Sr
90, Co
60 и очень медленно затвердевает под водой (спустя 1 год всего на 10%). Доменные гранулированные шлаки (кислый, основной), измельченные до удельной поверхности 240 и 345 м
2/г, достигают прочности под водой через 170 суток в 17,8 и 24,7 МПа соответственно, а их смесь - в 20,3 МПа.
Пример 2.
Кислый доменный гранулированный шлак измельчают до удельной поверхности 378 и 550 м
2/кг. В водную фазу имитатора ЖРО (объемом 300 мл) высыпают по 50 г сорбента - измельченного шлака. Сорбент перемешивают в течение 5 минут и оставляют под водной фазой на несколько месяцев.
В табл.4 представлен радионуклидный состав имитатора.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/77/777721.gif)
Имитатор, используемый в примере 2, содержал смесь всех указанных радионуклидов, в отличие от примера 1.
В табл.5 представлены результаты определения коэффициентов распределения радионуклидов при их совместной сорбции кислым доменным гранулированным шлаком в зависимости от времени и удельной поверхности.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/77/777722.gif)
Как видно из данных табл.5, измельченный до удельной поверхности 378 и 550 м
2/кг кислый шлак сорбирует радионуклиды из их смеси в водной фазе с коэффициентами распределения от 5·10
2 до 2·10
4 Причем коэффициенты распределения Pu, Ru
106, Cs
137 и Cs
134 для измельченного до удельной поверхности 378 и 550 м
2/кг кислого шлака практически одинаковы. После подводной выдержки в течение 140 суток измельченные до удельной поверхности 378 и 550 м
2/кг кислые доменные гранулированные шлаки достигают прочности в 11,3 МПа и 17,5 МПа соответственно.
В табл.6 представлены результаты определения скорости выщелачивания радионуклидов из полученных отвержденных образцов измельченного кислого шлака. Скорость выщелачивания радионуклидов лежит в пределах от 6·10
-4 до 9,3·10
-8, что отвечает требованиям, предъявляемым для захоронения радиоактивных отходов в приповерхностных могильниках.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/77/777723.gif)
Пример 3.
Кислый доменный гранулированный шлак измельчают до удельной поверхности 260 м
2/кг. В водный раствор имитаторов (объемом 300 мл), отдельно содержащих токсичные элементы Cr
+3 и Рb
+2 (в виде нитратов), вносят по 50 г сорбента - измельченного кислого шлака. Сорбент перемешивают в течение 5 минут и оставляют под водной фазой на несколько месяцев. Исходная концентрация Сr
+3 в водной фазе составляла 270 мг/л, а Рb
+2 - 76 мг/л. Результаты определений коэффициентов распределения токсичных элементов Сr
+3 и Рb
+2 при сорбции кислым шлаком представлены в табл.7.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/77/777724.gif)
Измельченный до удельной поверхности 260 м
2/кг кислый шлак сорбирует токсичные элементы Cr
+3 и Рb
+2 из водной фазы с коэффициентами распределения от 2,5·10
3 до 1,2·10
5. Прочность образцов на основе измельченного кислого шлака, затвердевшего после 180 суток выдержки под водой, составила 21,2 МПа.
Представленные в примерах 1-3 сорбционные характеристики измельченных доменных гранулированных шлаков в литературных источниках не опубликованы.
Таким образом, способ сорбционной очистки ЖРО с использованием измельченных доменных гранулированных шлаков позволит решить проблему захоронения не только радиоактивных, но и токсичных элементов.
Источники информации
1. Архангельский Л.К., Киссельгоф Т.В. и др. Использование золы горючих сланцев для очистки промышленных сточных вод. - ЖПХ, т.67, в.3, 1994, с.480-482.
2. Тарковская И.А., Антонова Л.С. и др. Сорбционное извлечение смесей радионуклидов из природных вод и технологических растворов. - ЖПХ, т.69, в.4, 1995, с.624-629.
3. Богданович Н.Т., Коновалов Э.Т. и др. Сорбционное выделение из ЖРО цезия и стронция и их иммобилизация в геоцементы. - Атомная энергия, т.84, в.1, 1998, с.16-20.
4. Тихомолова К.П., Цуканова В.М. Специфическая адсорбция гидролизующихся катионов металлов на оксидах. - ЖПХ, т.70, в.3, 1997, с.353-370.
Формула изобретения
Способ очистки жидких радиоактивных отходов сорбцией, отличающийся тем, что сорбцию осуществляют предварительно измельченным до удельной поверхности 240-400 м
2/кг доменным гранулированным шлаком, содержащим SiO
2, Аl
2О
3, CaO, MgO, MnO, FeO, S, К
2О, Na
2O при следующем соотношении компонентов, мас.%:
SiO
2 36-39
Аl
2O
3 9-13
CaO 39-46
MgO 3-9
MnO 0,8-1,3
FeO 0,2-0,4
S 0,5-1,2
К
2O 0,6-0,7
Na
2O 0,3-0,6