способ переработки кислотных жидких радиоактивных отходов

Формула изобретения

Способ переработки кислотных жидких радиоактивных отходов, включающий их нейтрализацию, смешение со связующим - глиноземистым цементом и сорбционной минеральной добавкой - глиной - с последующим отверждением цементной смеси, отличающийся тем, что жидкие отходы, представляющие собой сернокислотные отработанные катионитовые регенераты, нейтрализуют непосредственно связующим при смешении с глиноземистым цементом и сорбционной минеральной добавкой - глиной - в массовом соотношении 1: (0,75-1,00): (0,07-0,10).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки путем цементирования жидких радиоактивных отходов (ЖРО), в частности отработанных сернокислотных катионитовых регенератов.

При очистке радиоактивно-загрязненных вод широко используют ионообменные смолы (ИОС), в первую очередь катиониты, при регенерации которых образуются большие объемы кислотных регенератов (удельный расход кислоты на регенерацию 3-6 г-экв/г-экв). Для регенерации радиоактивных катионитов используют HNO₃ или H₂SO₄, причем к преимуществам серной кислоты относятся ее дешевизна, возможность использования для хранения и транспортировки оборудования из углеродистой стали, а также способность сульфатов образовывать кристаллогидраты, что особенно важно при переработке ЖРО методом цементирования [1]. Объемная активность отработанных регенератов достигает 10^-4 Ки/л, а содержание кислоты составляет около 1 г-экв/л.

Известен способ переработки кислотных ЖРО путем их нейтрализации каустиком и последующего смешения 76 л отходов (при плотности раствора ~1,18 г/см³ это масса около 90 кг) с 126 кг портландцемента и 4 кг сорбционной минеральной добавки - вермикулита (массовое соотношение 1:1,44:0,05), перемешивания в 200-литровых бочках и последующего отверждения цементной смеси [2].

Недостатком данного способа является низкая степень наполнения отвержденных продуктов по ЖРО (до 40 мас.%) и большой объем захораниваемых отходов (коэффициент увеличения объема отходов в процессе отверждения К_v>1,5). Причем цементом не рекомендуется отверждать растворы с рН менее 4 [3].

Известен также способ переработки нейтрализованных сульфатсодержащих ЖРО смешением с глиноземистым цементом и сорбционной минеральной добавкой - глиной - в массовом соотношении 1:(1,11-1,43):(0,11-0,14) с последующим отверждением цементной смеси [4]. Данный способ по своей технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является то, что даже применение глиноземистого цемента не позволяет увеличить степень наполнения отвержденных продуктов по ЖРО свыше 45 мас.%, а К_v отходов уменьшить ниже 1,35 при сохранении необходимой прочности (не менее 5 МПа) и водостойкости (сохранение прочности после выдержки в воде) отвержденных продуктов в соответствии с требованиями их безопасного захоронения [5].

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в увеличении степени наполнения отвержденных продуктов по сернокислотным ЖРО и понижении объема захораниваемых отходов при сохранении их достаточной прочности и водостойкости.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе переработки кислотных ЖРО, включающем их нейтрализацию, смешение со связующим - глиноземистым цементом - и сорбционной минеральной добавкой - глиной - с последующим отверждением цементной смеси, ЖРО, представляющие собой сернокислотные отработанные катионитовые регенераты, нейтрализуют непосредственно связующим при смешении с глиноземистым цементом и сорбционной минеральной добавкой - глиной - в массовом соотношении 1:(0,75-1,00):(0,07-0,10).

Способ осуществляется следующим образом.

Сернокислотные отработанные радиоактивные катионитовые регенераты, содержащие до 1 г-экв/л Н₂SO₄ (рН1), без предварительной нейтрализации смешивают с глиноземистым цементом (35-50% Аl₂O₃, 35-45% СаО, 5-15% SiO₂, 5-15% Fе₂O₃) и минеральной сорбционной добавкой - глиной - (предпочтительно бентонитового класса) в массовом соотношении 1:(0,75-1,00):(0,07-0,10) с последующим отверждением. Взаимодействие глиноземистого цемента с сернокислотным раствором происходит с разогревом и вспениванием, поэтому связующее вводят в ЖРО небольшими порциями при постоянном перемешивании. Степень наполнения отвержденных продуктов по сернокислотным ЖРО составляет 47,5-55%, а коэффициент увеличения объема К_v не превышает 1,20-1,33 при сохранении достаточной прочности (более 5 МПа) и водостойкости (прочность после выдержки в воде даже увеличивается).

По сравнению с известными способами переработки кислотных ЖРО путем цементирования, смешение сернокислотных отработанных радиоактивных катионитовых регенератов без предварительной нейтрализации с глиноземистым цементом и минеральным сорбентом - глиной - в массовом соотношении 1:(0,75-1,00): (0,07-0,10) позволяет увеличить степень наполнения по сернокислотным ЖРО до 47,5-55 мас.% и снизить _v до 1,20-1,33 при сохранении достаточной прочности (более 5 МПа) и повышении на 30% водостойкости отвержденных продуктов, что не следует явным образом из уровня техники (ЖРО, подлежащие цементированию, не должны содержать свободных кислот [4] ), т.е. соответствует критерию изобретательского уровня.

Примеры конкретного исполнения.

Пример 1. 100 г сернокислотного отработанного радиоактивного регенерата, содержащего 50 г/л H₂SO₄ и до 0,3 г-экв/л сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов (рН~1), смешивали с 143 г связующего - глиноземистого цемента марки 40 - и 14 г сорбционной добавки - глины - до получения однородной массы. Поскольку при введении цемента в сернокислый раствор происходило вспенивание, то цемент добавляли небольшими порциями при постоянном перемешивании. Цементную смесь отверждали во влажных условиях в течение 28 суток, а затем определяли предел прочности на сжатие и водостойкость (прочность после выдержки в воде в течение 7 суток) полученных цементных образцов. Характеристика отвержденных продуктов приведена в таблице.

Пример 2-6. Отличается от примера 1 соотношением компонентов (см. таблицу).

Пример 7. (Прототип) Отличается от примера 1 тем, что сернокислотный раствор предварительно нейтрализовали каустиком (см. таблицу).

Из данных, приведенных в таблице, видно, что при смешении сернокислотных ЖРО без предварительной нейтрализации с глиноземистым цементом и глиной в массовом соотношении свыше 1:1,0:0,1 (примеры 1 и 2) степень наполнения отвержденных продуктов по ЖРО составляет менее 47,5 мас.% при К_v более 1,33, а при соотношении менее 1:0,75:0,07 (пример 6) прочность отвержденных продуктов составляет менее 5 МПа.

Необходимым и достаточным для достижения поставленной задачи является смешение сернокислотных ЖРО с глиноземистым цементом и глиной в массовом соотношении 1: (0,75-1,00): (0,07-0,10) (примеры 3-5), что обеспечивает при сохранении достаточной прочности (более 5 МПа) и К_v не более 1,33 повышение степени наполнения отвержденных продуктов по ЖРО до 47,5-55 мас.% и водостойкости блоков (после выдержки в воде прочность даже возрастает). В то же время, при предварительной нейтрализации сернокислотных ЖРО (пример 7, согласно прототипу) прочность и водостойкость отвержденных продуктов оказываются почти в 2 раза ниже.

Данный способ может осуществляться на том же оборудовании из нержавеющей стали, что и обычное цементирование ЖРО, а глиноземистый цемент является строительным материалом, выпускаемым в промышленных масштабах, т.е. способ является промышленно применимым. Снижение объемов захораниваемых отходов сокращает затраты на их хранение, а повышение водостойкости отвержденных продуктов повышает их экологическую безопасность.

Источники информации

1. Коростелев Д. П. Водный режим и обработка радиоактивных вод атомных электростанций. - М., Энергоатомиздат, 1983 г., с.109-147.

2. Treatment of low- and intermediate-level radioactive waste concetrates (Technical Reports, Series 82). - Vienna IAEA, 1966, p.145.

3. Комар А. Г. Строительные материалы и изделия. - М., "Высшая школа", 1997, с.176.

4. Епимахов В.Н., Олейник М.С. Способ отверждения жидких радиоактивных отходов. - Патент РФ 2115963, G 21 F 9/16, Бюл. 20, 1998. (Прототип).

5. Малашек Э. Развитие методов отверждения радиоактивных концентратов. - В кн.: Исследования в области обезвреживания жидких, твердых и газообразных радиоактивных отходов и дезактивации загрязненных поверхностей. - Материалы IY научно-технической конференции СЭВ. - М., Атомиздат, 1978, вып.2, с.5-21.