способ локализации отработанных ионообменных смол

Формула изобретения

Способ локализации отработанных ионообменных смол в гранулированном, порошковом или молотом виде в Na-форме или Н-форме в сухом или влажном состоянии путем включения их в твердую матрицу, отличающийся тем, что в качестве основы для матрицы используют молотый до фракции менее 0,075 мм доменный шлак, который затворяют раствором гидроксида натрия с концентрацией 100-150 г/л.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки и обезвреживания жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности и может быть использовано преимущественно в атомной энергетике и на радиохимических производствах, где образуются отходы отработанных ионообменных смол (ОИОС). Изобретение может быть использовано для надежной локализации ОИОС.

В настоящее время основным способом локализации радиоактивных ОИОС является их длительное хранение в специальных емкостях или включение в цементную матрицу. Хранение ОИОС осуществляется преимущественно в так называемом “мокром” виде, что предполагает хранение смол под слоем воды. Ёмкости для хранения отработанных смол требуют наличия специальных систем перемешивания, охлаждения, наблюдения и контроля за газовыделением и температурой [Treatment of Spent Ion-Exchange Resins for Storage and Disposal. Final report of an IAEA coordinated research programme. Technical Reports Series No 254, IAEA, Vienna, 1985, С.104]. Недостатками данного способа локализации отработанных смол является дороговизна в связи с высокими капитальными затратами и проблемами в эксплуатации, вызванными протечками оборудования из-за коррозии.

Иммобилизация отработанных смол в цементную матрицу имеет определенные преимущества: получаемый компаунд негорючий и отличается высокой радиационной стойкостью, а технология цементирования проста и имеет относительно низкую себестоимость. Однако при локализации отработанных ионообменных смол в портландцементную матрицу полученный компаунд характеризуется низкой степенью включения (8-10 мас.%) смол в матрицу.

На АЭС Ringhals (Швеция) частично обезвоженные гранулированные смолы в нейтрализованной (Na-форме) с остаточной влажностью 40-45% цементируют совместно с концентратами выпарных установок. Ионообменные смолы дозируются из расчета конечного содержания в компаунде 12-14 мас.% [Treatment of Spent Ion-Exchange Resins for Storage and Disposal. Final report of an IAEA coordinated research programme. Technical Reports Series №254, IAEA, Vienna, 1985, С.104]. Недостатками данного способа является невысокая степень наполнения компаунда ОИОС, ограничение условий применимости метода, вследствие отверждения преимущественно влажных смол в Na-форме, использование относительно дорогостоящих компонентов для локализации отходов.

Наиболее близким к предлагаемому способу локализации ОИОС является способ переработки радиоактивных ионообменных смол, который предполагает обработку ионообменных смол гидроксидом натрия и смешивание их с водой и измельченным гранулированным доменным шлаком [Патент России №2089950, G 21 F 9/30, 1997. Способ переработки радиоактивных ионообменных смол. G 21 F 9/30]. При смешивании массовое отношение вода : доменный шлак : гидроксид натрия составляет 1:1,36:0,027-0,04, соответственно. Данный способ позволяет включать в компаунд до 18 мас.% ионообменных смол.

Целью изобретения является:

- повышение степени наполнения компаунда ОИОС;

- расширение границ применимости метода цементирования, заключающееся в возможности локализовать как цельные ОИОС (в прототипе), так и порошковые (или молотые), как кислые (в Н-форме, например, после регенерации), так и нейтрализованные (в Na-форме).

Поставленная задача достигается тем, что для локализации ОИОС предлагается использовать гранулированный доменный шлак, представляющий собой отход металлургического производства размолотый до фракции менее 0,075 мм. Стоимость связующих на основе отходов металлургического производства в 3-5 раз дешевле, чем традиционные связующие на основе портландцемента. С целью расширения границ применимости метода цементирования предлагается способ локализации ОИОС в цельном, порошковом (или молотом), влажном, сухом, кислом (Н-форме) и нейтрализованном (Na-форма) виде.

Способ локализации отработанных ионообменных смол осуществляется следующим образом:

- размол доменного шлака до фракции не более 0,075 мм;

- смешивание молотого доменного шлака с молотыми (порошковыми) или гранулированными смолами;

- затворение смеси раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 100 -150 г/л;

- перемешивание цементоподобного теста до получения однородной массы;

- разливка однородной цементоподобной массы в контейнер для последующего длительного хранения;

- твердение в течение не менее 28 суток.

Полученный компаунд удовлетворяет нормативным требованиям по прочности (не менее 50 кг/см²) и химической стойкости (скорость выщелачивания радионуклидов не выше 1· 10 ^-3 г/(см²· сут)).

Пример 1 конкретного выполнения.

30 г ионообменных смол в Na-форме с влажностью 45 мас.% (16,5 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы) смешивают с 70 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного компаунда составляет в среднем 64 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 12,7% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 2

30 г ионообменных смол в Na-форме с влажностью 45 мас.% (16,5 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы) предварительно измельченных до фракции 0,2-0,3 мм смешивают с 70 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают.

Механическая прочность на сжатие полученного компаунда составляет в среднем 82 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 12,7% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 3

35 г предварительно высушенных ионообменных смол в Na-форме смешивают с 65 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного монолита составляет 58 кгс/см ². Степень наполнения компаунда составляет 26,9% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 4

40 г предварительно высушенных ионообменных смол в Na-форме измельченных до фракции 0,2-0,3 мм смешивают с 60 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного монолита составляет 59 кгс/см ². Степень наполнения компаунда составляет 30,8% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 5

25 г ионообменных смол в Н-форме с влажностью 45 мас.% (13,75 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы) смешивают с 75 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного компаунда составляет в среднем 70 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 10,6% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 6

25 г ионообменных смол в Н-форме с влажностью 45 мас.% (13,75 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы) предварительно измельченных до фракции 0,2-0,3 мм смешивают с 75 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного компаунда составляет в среднем 74 кгс/см² . Степень наполнения компаунда составляет 10,6% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 7

30 г предварительно высушенных ионообменных смол в Н-форме смешивают с 70 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного монолита составляет 68 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 23,1% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 8

30 г предварительно высушенных ионообменных смол в Н-форме измельченных до фракции 0,2-0,3 мм смешивают с 70 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного монолита составляет 70 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 23,1% (в пересчете на сухие смолы).

На чертеже показана зависимость прочности шлакощелочного компаунда от содержания смолы в исходном клинкере для различных вариантов локализации ионообменных смол.

Таким образом, предложенный способ позволяет надежно локализовать отработанные ионообменные смолы в твердую матрицу, повысить степень наполнения компаунда, расширить границы применимости метода цементирования, расширить диапазон связующих, пригодных для фиксации в них отработанных смол.