способ дезактивации радиоактивных сред

Формула изобретения

Способ дезактивации радиоактивных сред, включающий извлечение ионов металлов из растворов путем сорбции с использованием в качестве сорбента неорганического силиката, отличающийся тем, что используют углеродсодержащий силикат состава C·SiO ₂, причем процесс осуществляют при значениях рН 3÷10.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к охране окружающей среды, к области экологии, а именно к области сорбционной технологии, и может быть использовано для дезактивации водных, паводковых, ливневых, техногенных растворов путем извлечения из них -, -, -радионуклидов.

Известны следующие способы дезактивации радиоактивных сред:

- физические - выпаривание или вымораживание растворов с последующей иммобилизацией и захоронением шламов (например, см. заявку на изобретение № 2003103213, МПК⁷ G21F 9/16, 2004 г.; патент RU № 2171509, МПК⁷ G21F 9/06, 2006 г.);

- химические (реагентные) способы, осуществляющиеся путем соосаждения радионуклидов из растворов на осадках, образующихся в результате химического взаимодействия реагентов различной природы (например, см. патент РФ № 2200354, МПК⁷ G21F 9/06, 2003 г., патент РФ № 2217823, МПК⁷ G21F 9/04, 2003 г.);

- физико-химические:

а) экстракция радионуклидов из растворов селективными реагентами с доочисткой растворов (например, см. патент РФ № 2234549, МПК⁷ С22В 60/02, 2004 г.);

б) сорбция радиоактивных ионов природными и синтетическими сорбентами с последующим обессоливанием и концентрированием электромембранным способом или обратным осмосом (например, см. патенты РФ № 2101235, МПК⁷ С02F 9/00, 1998 г., № 2118945, МПК⁷ C02F 1/28, 1999 г.).;

в) дезактивация растворов электродиализаторами (например, А.А.Хоникевич «Дезактивация сбросных вод». М.: Атомиздат, 1966 г., стр.148).

Недостатками указанных способов дезактивации радиоактивных сред являются для:

- физических - высокие энергозатраты на упарку и вымораживание растворов;

- химических - большие объемы отходов, подлежащих захоронению, многооперационность, трудоемкость обезвоживания пульпового осадка;

- физико-химических - высокая стоимость экстрагентов и сорбентов, образование вторичных отходов при их производстве, многооперационность при технологическом оформлении способов, жесткие требования к автоматизации производства.

Общим недостатком перечисленных способов является практическая невозможность их использования при радиоактивном загрязнении больших акваторий и низкая удельная производительность.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является способ, описанный в патенте РФ № 22297275С, МПК⁷ B01J 20/02, С02F 1/28 от 15.06.2005 г. под названием «Способ извлечения ионов металлов из водных растворов».

Согласно способу, заявленному в прототипе, извлечение ионов металлов из водных растворов осуществляют путем сорбции с использованием в качестве сорбента неорганического силиката. Недостатками способа являются:

- низкие кинетические характеристики процесса сорбции, т.к. динамическое равновесие в системе сорбент / сорбат достигается в течение 6 часов;

- высокая дисперсность сорбента (менее 0,1 мм), обуславливающая применение для разделения фаз после осуществления процесса сорбции дополнительного оборудования;

- изменение природного (естественного) химического качества очищаемого водного раствора в результате растворения сорбента;

- десорбция сорбированных ионов ввиду отсутствия их прочной фиксации в структуре сорбента и, как следствие, невозможность его длительной консервации в объектах окружающей среды;

- низкая удельная производительность.

Таким образом, заявляемое изобретение направлено на решение задачи по повышению эффективности способа дезактивации радиоактивных сред, улучшению и расширению его эксплуатационных возможностей.

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в упрощении технологии дезактивации радиоактивных сред, основанный на использовании сорбента, являющегося отходом нефтяной промышленности, способного одновременно с высокой эффективностью извлекать из загрязненных сред радиоизотопы Th, U, Pu, Am, Y, Sr, Cs, лантаноиды за счет прочной фиксации извлекаемых радионуклидов в структуре сорбента.

Это достигается тем, что в способе дезактивации радиоактивных сред, включающем извлечение ионов металлов из растворов путем сорбции с использованием в качестве сорбента неорганического силиката, согласно изобретению используют углеродсодержащий силикат состава C·SiO₂, причем процесс осуществляют при значениях рН 3÷10.

В основе процесса сорбции лежит физико-химический механизм гетеровалентного изоморфизма на сколах граней углеродсодержащего силиката, несущих нескомпенсированный заряд на контактной поверхности сорбента с раствором. Установленный механизм сорбции определяет высокую эффективность и кинетику процесса сорбции, прочную фиксацию извлекаемых из растворов радионуклидов, неизменность природного (естественного) химического состава дезактивированных сред.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки способа (проведение дезактивации с использованием в качестве сорбента углеродсодержащего силиката состава C·SiO₂, при этом процесс осуществляют при значениях рН 3÷10) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В емкость с водным раствором, содержащим металлы природного и техногенного состава, помещают предлагаемый сорбент. Производят перемешивание. Кислотность процесса сорбции варьируется в диапазоне рН 3÷10, температура 20-22°С. По окончании эксперимента определяют коэффициент распределения Kd используемого сорбента путем измерения исходной С₀ (до сорбции), равновесной С (после сорбции) концентрации контролируемых радиоизотопов. Вычисления коэффициента распределения производят по формуле:

где: Kd - коэффициент распределения;

V_р - объем исследуемого раствора, л;

m_с - масса сорбента, кг;

С₀ - исходная объемная концентрация внесенного радионуклида в исследуемую среду, Бк;

С - равновесная объемная концентрация радиоизотопа в водном или почвенном растворе после сорбции, Бк.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующим примером.

Пример 1

В емкость вносят 100 мл раствора природной воды с общим солесодержанием 1÷5 г/л. Кислотность раствора варьируют 5% растворами НNО₃ или NaOH в диапазоне рН 3÷10. Концентрацию радиоизотопов в растворе создают внесением расчетного количества стандартных радиоактивных источников на уровне ~4500 Бк / л. Затем добавляют сорбент в количестве, необходимом для создания в растворе концентрации его 3÷4,5 г / л. Геометрический размер сорбента составляет 0,2÷0,3 мм. Раствор при t°=20÷22°С перемешивают в течение 10 мин. По окончании перемешивания раствор центрифугируют, определяют в аликвоте раствора конечную концентрацию контролируемых радионуклидов спектрометрическим методом. Рассчитывают величины Kd для каждого радионуклида по приведенной формуле (1).

В таблице 1 приведены результаты сравнения сорбционных свойств материала состава прототипа и предлагаемого состава C·SiO ₂.

Таблица 1
Извлекаемый из среды загрязнитель	Прототип	Предлагаемый сорбент
Коэффициент распределения Kd	Коэффициент распределения Kd
Th	>6,5·10 4	>4,8·10 5
U	1,4·10 4	>2·10 4
Pu	нет данных	>5,1·10 4
Sr	нет данных	145
Cs	>2,4·10 3	>3·10 4
Y	нет данных	>1·105
La-Lu	>1,8·10 5	>2,3·10 3

Пример 2

Используемый (в примере 1) сорбент количественно выделяют, промывают дистиллированной водой и переносят в три емкости V-150 мл. В каждую емкость соответственно вносят свой дезактивирующий раствор, который периодически подвергают перемешиванию. После 45 дней контакта отбирают аликвоту раствора и определяют в ней концентрацию контролируемых радионуклидов спектрометрическим методом. Результаты величины концентрации десорбированных радионуклидов приведены в таблице 2.

Таблица 2
Десорбируемый радионуклид	Десорбирующая среда
Природная вода	Раствор NaOH (рН 12)	Раствор HNO3 (рН 2)
Th	не обнаружено **	не обнаружено	не обнаружено
U	- -	- -	- -
Pu	- -	- -	- -
Sr	- -	- -	- -
Cs	- -	- -	- -
Y, La-Lu	- -	- -	- -
* - контакт в течение 45 дней;
** - минимально измеряемая активность за время измерения 3600 с для погрешности 20% доверительного интервала 0,95 при измерении -излучающих нуклидов - 0,006 Бк; -излучающих нуклидов - 0,01 Бк; -излучающих нуклидов - 0,02 Бк.

Положительным эффектом предлагаемого технического решения является увеличение коэффициента распределения сравниваемых ионов металлов. Эффективность сорбента практически не изменяется при его применении в диапазоне рН дезактивируемого раствора, равном 3÷10. Динамическое равновесие в системе сорбент / сорбат наступает в течение 10 минут, при этом происходит прочная фиксация исследуемых радионуклидов в структуре сорбента.

Использование настоящего изобретения позволило повысить производительность и эффективность способа, сократить многооперационность при разделении фаз жидкое- твердое, повысить кинетические характеристики сорбции, увеличить скорость и удельную производительность процесса сорбции, уменьшив время наступления динамического равновесия в системе сорбент / сорбат до 10 минут (в прототипе 6 часов); снизить дисперсность сорбента, облегчающую разделение фаз после осуществления процесса сорбции, а также не только эффективно решить технологические задачи удаления большого числа металлов из природных, паводковых и техногенных вод, но и отверждать, иммобилизировать сорбционный продукт в составе геоцемента.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа дезактивации радиоактивных сред и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".