способ переработки радиоактивных смол

Формула изобретения

1. Способ переработки радиоактивных ионообменных смол, включающий их смешивание с неорганическим материалом и последующую температурную обработку, отличающийся тем, что в качестве неорганического материала используют мелкодисперсный порошок диоксида кремния, а температурную обработку полученной смеси ведут при давлении 2000-3350 Па и температуре 35-40°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер частиц порошка диоксида кремния не должен превышать 15 мкм, а соотношение объемов диоксида кремния и ионообменной смолы находится в интервале 0,1-0,2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к способам переработки (обезвоживания) отработавших на АЭС радиоактивных ионообменных смол (ИОС).

Известны способы переработки радиоактивных ИОС, включающие их разложение в автоклавах при 250°С с крепкой азотной кислотой (патент РФ № 2062517, опубл. 1996 г.), крекинг ИОС при 700°С в среде азота (патент РФ № 2156511, опубл. 2000 г.), сжигание ИОС в расплавах щелочей (патент РФ № 2160300, опубл. 1999 г.) и т.п. технологии. Все эти способы сложны, энергоемки, многостадийны и опасны. Кроме того, при их осуществлении в процессе термической обработки образуются конденсаты, содержащие токсичные органические вещества, требующие дополнительной утилизации.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и назначению является известный способ переработки радиоактивных ИОС, включающий их обезвоживание при 101-150°С в растворе органического теплоносителя и последующее отверждение гранул смолы с использованием этиленгликоля и фталиевого ангидрида (патент РФ № 2381579, опубл. 10.02.2010). Недостатком данного способа, выбранного в качестве прототипа, является образование большого количества (более 60% от массы перерабатываемой смолы) конденсата, содержащего различные токсичные органические компоненты.

Авторами заявляемого способа экспериментально установлено, что ИОС, хранящиеся более 2-х лет в виде пульпы, при нагревании свыше 60°С выделяют различные органические вещества, которые поступают в образующийся при сушке смол конденсат и создают большие проблемы при его утилизации.

Целью заявляемого изобретения является разработка эффективного, экологически безопасного, простого и недорогого способа переработки (обезвоживания) ИОС.

Поставленная цель достигается тем, что влажную ИОС смешивают с мелкодисперсным порошком двуокиси кремния (SiO₂) в соотношении на 1 объем смолы 0,1-0,2 объема SiO₂ . Размер частиц SiO₂ не должен быть больше 15 мк, тогда при равномерном смешении ИОС и SiO₂ объем всей массы, направляемой на переработку, не увеличится, так как частицы SiO₂ заполнят пустоты между гранулами смолы. Полученную смесь ИОС и SiO₂ помещают в вакуумируемую нагреваемую камеру, где создают давление 2000-3350 Па (15-25 мм рт.ст.). При давлении 2000-3350 Па температура кипения воды находится в интервале 10-20°С, что позволяет удалять воду из ИОС при 35-40°С за 8-10 минут.

При этом получаемый конденсат не содержит органических продуктов деструкции смолы, которые образуются при температурах обработки ИОС более 60°С.

Мелкодисперсный порошок SiO₂, имея развитую поверхность (до 300 м²/г), объем пор дл 1 см³ /г и высокую влагоемкость, заполняя пространство между гранулами смолы, значительно повышает эффективность сушки ИОС и ускоряет процесс удаления воды из смолы.

Ниже приведены примеры осуществления заявляемого способа.

Пример 1.

100 мл влажной ИОС смешивают с 15 мл мелкодисперсного SiO₂ с исходной влажностью 5% и помещают в герметичный подогреваемый контейнер, соединенный с охлаждаемым сборником конденсата и вакуумным насосом. В контейнере создают давление 2000 Па и температуру 40°С. Через 8 минут конденсат перестает поступать в сборник, что говорит о завершении процесса сушки. Химический анализ конденсата на наличие продуктов деструкции смолы (по перманганатной окисляемости - ПО) показал отсутствие органических веществ в конденсате.

В Таблице 1 представлены результаты проведенных исследований, полученные в различных режимах при осуществлении заявляемого способа.

Таблица 1
Режимы	Объем смолы, мл	Объем SiO 2, мл	Размер частиц SiO2, микрон	Температ. сушки, °С	Давление в контейнере, Па	Время сушки, мин	Убыль веса ИОС, %	Снижение объема ИОС, %	ПО, мг О2/дм3
1	100	15	10	40	2000	8	68	46	0
2	100	10	10	35	3000	10	67	45	0
3	100	5	10	40	2000	60	59	34	0
4	100	15	50	35	2000	46	58	30	0
5	100	20	15	40	3350	10	66	45	0
6	100	15	10	35	5000	56	55	43	0
7	100	15	15	62	3000	34	59	44	83
8	100	15	10	20	3500	53	52	40	0

Как видно из приведенных в таблице данных, оптимальные соотношение объемов смешиваемых ИОС и SiO₂ находится в интервале 0,1-0,2. При их меньшем соотношении (режим 3) резко увеличивается время сушки. При соотношениях объемов ИОС и SiO₂ более 0,2, как показали эксперименты, увеличивается объем высушенной смеси ИОС и SiO₂, направляемой на отверждение или долговременное хранение. Увеличение размера частиц более 15 микрон (режим 4) ухудшает показатели сушки, поскольку у такого силикагеля меньше поверхность и влагоемкость, а уменьшение размера частиц менее 10 микрон потребует дополнительных затрат.

Температура сушки менее 35°С (режим 8) приводит к замедлению процесса, а повышение температуры более 40°С (режим 7) вызывает термическую деструкцию ИОС и загрязнение конденсата органическими веществами (появление высокой перманганатной окисляемости ПО).

Сушка под давлением более 3350 Па (режим 6) увеличивает время процесса, а снижение давления менее 2000 Па требует дополнительных энергозатрат.