Способ очистки грунтов от радионуклидов цезия

Изобретение относится к области охраны окружающей среды. Сущность изобретения: способ очистки грунтов от радионуклидов цезия включает обработку грунтов водным раствором, содержащим дезактивирующие реагенты, в качестве которых используют минеральные кислоты. Очистку грунтов проводят смесью серной и фосфорной кислот в соотношении их концентраций, выраженных в молях 1-3. При этом концентрация фосфорной кислоты составляет 0,5-2 М. Процесс осуществляют при температуре 50-100°С с последующим отделением водного раствора с дезактивирующими реагентами от очищенного грунта. После чего осуществляют извлечение радионуклидов цезия из отделенного раствора. Для этого осуществляют подачу в вышеуказанный раствор ферроцианида щелочного металла или аммония до концентрации 6·10^-4-7·10^-2 M с образованием осадка, содержащего радионуклиды цезия. В водный раствор с остаточным содержанием реагентов добавляют серную и фосфорную кислоты до рабочих концентраций и смешивают его с новой партией загрязненного грунта. Преимущества изобретения заключаются в повышении скорости очистки грунтов и безопасности способа. 1 табл.

 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к дезактивации грунтов и техногенных материалов, и может быть использовано при очистке грунтов от радионуклидов цезия.

Известен способ обработки загрязненного радиоактивными веществами грунта, включающий обработку его водным раствором, содержащим карбонизированную воду, кондиционирующее вещество и комплексообразователь, содержащий анион карбоновой кислоты с 2-6 атомами углерода [1].

Недостатком известного способа является низкая степень очистки грунта от радионуклидов цезия из-за практического отсутствия его комплексообразующей способности.

Известен способ дезактивации почвогрунтов от радионуклида Cs-137, заключающийся в обработке почвы водным раствором неорганической соли аммония и некомплексной неорганической соли железа при массовом соотношении раствора и почвы 12,5-41,5 [2].

Недостатками известного способа являются низкая степень очистки почвогрунтов, особенно содержащих глинистые частицы, и используемый большой объем десорбирующего раствора, подлежащего в дальнейшем утилизации.

Известен способ дезактивации грунтов от радионуклидов цезия, включающий обработку грунта водным раствором смеси кислоты и водорастворимой аммонийной, калиевой или натриевой соли фтористоводородной и/или кремнефтористоводородной кислоты с концентрацией каждой из солей не менее 0,1 М, причем в качестве кислоты используют щавелевую кислоту с концентрацией не менее 0,5 М [3].

Недостатками известного способа являются низкая скорость дезактивации грунтов от радионуклидов цезия, повышенная опасность реализации способа вследствие выделения в газовую фазу токсичных паров, образующихся в процессе фтористоводородной кислоты и фторида кремния.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ дезактивации грунтов от цезия-137, включающий обработку грунтов водным раствором смеси минеральной кислоты (азотной или соляной) с водорастворимой солью фтористоводородной и/или кремнефтористоводородной кислоты, причем концентрация минеральной кислоты в водном растворе составляет не менее чем 1 М, концентрация соли аммония, калия или натрия фтористоводородной или кремнефтористоводородной кислоты в случае их отдельного использования - не менее чем 0,1 М, а в случае их совместного использования сумма числовых значений величин концентраций каждой из солей, выраженных в молях, составляет не менее 0,1 [4].

Недостатками известного способа являются пониженная скорость дезактивации грунтов от цезия-137, составляющая 20% в сутки, повышенная опасность реализации способа вследствие выделения в газовую фазу токсичных паров азотной и соляной кислот, имеющих высокую летучесть и особенно фтористоводородной кислоты, образующейся при взаимодействии фторидов аммония, калия или натрия с кислотой в растворе дезактивирующих реагентов, большой расход реагентов, а также высокая коррозионная активность кислых фторидных растворов по отношению к металлическим материалам оборудования [5].

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение скорости очистки грунтов и безопасности при реализации способа, снижение расхода реагентов и сбросов отходов в окружающую среду, уменьшение коррозионной активности растворов реагентов.

Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что предлагается способ очистки грунтов от радионуклидов цезия, заключающийся в том, что обработку грунтов проводят водным раствором, содержащим дезактивирующие реагенты, в качестве которых используют минеральные кислоты, а именно смесь серной и фосфорной кислот в соотношении их концентраций, выраженных в молях 1-3, при этом концентрация фосфорной кислоты составляет 0.5-2 М и процесс осуществляют при температуре 50-100°С с последующим отделением водного раствора с дезактивирующими реагентами от очищенного грунта, после чего осуществляют извлечение радионуклидов цезия из отделенного водного раствора с дезактивирующими реагентами путем подачи в вышеуказанный раствор ферроцианида щелочного металла или аммония до концентрации 6·10^-4-7·10^-2 М с образованием осадка, содержащего радионуклиды цезия, который направляют на захоронение, а в водной раствор с остаточным содержанием реагентов добавляют серную и фосфорную кислоты до рабочих концентраций и смешивают его с новой партией загрязненного грунта.

Отличительными признаками заявляемого способа является то, что очистку грунтов проводят смесью серной и фосфорной кислот в соотношении их концентрации, выраженных в молях 1-3, при этом концентрация фосфорной кислоты составляет 0,5-2 М и процесс осуществляют при температуре 50-100°С с последующим отделением водного раствора с дезактивирующими реагентами от очищенного грунта, после чего осуществляют извлечение радионуклидов цезия из отделенного водного раствора с дезактивирующими реагентами путем подачи в вышеуказанный раствор ферроцианида щелочного металла или аммония до концентрации 6·10^-4-7·10^-2 М с образованием осадка, содержащего радионуклиды цезия, который направляют на захоронение, а в водной раствор с остаточным содержанием реагентов добавляют серную и фосфорную кислоты до рабочих концентраций и смешивают его с новой партией загрязненного грунта.

Использование в качестве дезактивирующего реагента водного раствора смеси серной и фосфорной кислот при температуре не ниже 50°С приводит к повышению скорости очистки грунта от радионуклидов цезия и сокращению продолжительности процесса. При концентрации фосфорной кислоты ниже 0,5 М и соотношения концентраций серной и фосфорной кислот в растворе меньше единицы не достигается эффект повышения скорости очистки грунтов и сокращение продолжительности процесса.

При концентрации фосфорной кислоты больше 2 М и соотношения концентраций серной и фосфорной кислот в растворе выше трех не происходит увеличения уже достигнутого эффекта повышения скорости очистки грунта.

При температуре обработки грунтов ниже 50°С не достигается эффект повышения скорости очистки грунта от радионуклидов цезия. Повышение температуры гетерогенного процесса очистки грунтов приводит к его ускорению вследствие увеличения скорости химического взаимодействия и скорости диффузии ионов.

При температуре выше 100°С происходит интенсивное кипение и испарение воды, что приводит к снижению степени очистки грунтов и сложности отделения водного раствора от грунта.

Использование смеси серной и фосфорной кислот, имеющих высокую температуру кипения 330°С и, как следствие, низкое давление паров при температуре до 100°С, повышают безопасность реализации способа. Кроме того, использование смеси серной и фосфорной кислот понижает коррозионную активность дезактивирующего раствора по сравнению с прототипом, что позволяет повысить срок службы металлических деталей оборудования.

Очистка раствора от извлеченных из грунта радионуклидов цезия, корректировка кислотности раствора путем добавления серной и фосфорной кислот до рабочих концентраций и смешивание его с новой партией грунта позволяет проводить процесс дезактивации в замкнутом цикле по раствору, обеспечивая снижение расхода реагентов и сбросов отходов в окружающую среду за счет повторного использования остающейся в растворе части дезактивирующих реагентов. Указанный нижний предел концентрации 6·10^-4 М ферроцианида щелочного металла, используемого для очистки растворов от радионуклидов цезия, определяется достигаемой при этом полнотой осаждения ионов загрязнителя.

Верхний предел концентрации ферроцианида щелочного металла или аммония в растворе 0,07 М определяется содержанием в нем катионов тяжелых металлов в основном железа, необходимых для образования с ферроцианидными анионами осадка, содержащего радионуклиды цезия. В предлагаемом способе необходимые для образования осадка катионы железа поступают в раствор из очищаемого грунта вместе с цезием. В ходе проведенных экспериментов установлено, что получаемая при обработке грунта концентрация железа в выщелачивающем растворе составляет 0,01-0,07 М, что достаточно для образования ферроцианидного осадка и удаления радионуклидов цезия. При концентрации ферроцианида в растворе больше 0,07 М не достигается полноты осаждения ферроцианидных ионов и они вместе с оборотным раствором поступают на очистку новой партии грунта. В процессе очистки грунта они связываются с извлекаемыми катионами металлов с образованием осадка, содержащего радионуклиды цезия. При разделении твердой и жидкой фаз осадок остается с очищаемым грунтом, что приводит к снижению степени его очистки.

Пример осуществления предлагаемого способа.

Суглинистый грунт, загрязненный Cs-137, с удельной активностью 32 кБк/кг и массой 5 кг загружали в химический реактор, выполненный из нержавеющей стали, и подавали туда смешанный водный раствор серной и фосфорной кислот с соотношением концентраций, выраженных в молях, равным 1,5, при этом концентрация фосфорной кислоты составляла 1 М. Включали электронагрев и проводили обработку в течение 1 суток при температуре 80°С и соотношении фаз 2 объема дезактивирующего раствора на 1 кг грунта. Затем пульпу выгружали на фильтр, где проводили разделение твердой и жидкой фаз. Очищенный грунт направляли в отвал, а фильтрат перекачивали в реактор-осадитель, куда вводили раствор ферроцианида калия из расчета 10^-3 моль на литр. После чего осуществляли перемешивание раствора с последующим отстаиванием и его декантацией. Очищенный раствор перекачивали в промежуточную емкость, проводили корректировку его кислотности до рабочих концентраций и направляли в химический реактор на обработку следующей партии грунта. Так на одном оборотном растворе было очищено 7 партий грунта по 5 кг каждая, пока не наступило снижение степени очистки. Всего было израсходовано 45,5 молей реагентов или 1,3 моль/кг грунта. Осадок ферроцианидов в количестве 0,33 кг, содержащий радионуклиды цезия, извлеченные из грунта, с удельной активностью 2500 кБк/кг направляли в хранилище радиоактивных отходов.

Полученные результаты по очистке грунта от радионуклидов цезия представлены в таблице.

Сравнение полученных результатов по очистке грунта от радионуклидов цезия заявляемого способа и способа согласно прототипу показали, что предлагаемый способ повышает скорость очистки грунтов при одновременном снижении расхода реагентов и выделения токсичных паров в газовую фазу.

Как видно из представленных в таблице результатов, степень очистки в предлагаемом способе составила 75%, что в 1,25 раза выше, чем в способе согласно прототипу, а скорость очистки более чем в 3 раза выше. При этом более высокие показатели были достигнуты при меньшем в ˜10 раз удельном расходе реагентов и в более безопасных условиях реализации способа. Выбросов паров серной и фосфорной кислот не наблюдалось. Скорость коррозии образца хромоникелевой стали, помещенного в химический реактор вместе с очищаемым грунтом, в предлагаемом способе составила 2,5 г/м²·ч, что в 4 раза ниже, чем в прототипе.

Очистка грунтов, загрязненных радионуклидами цезия, по предлагаемому способу, включающему операцию ферроцианидного выделения радионуклидов цезия-137 из технологических растворов, позволяет сократить количество радиоактивных отходов, подлежащих долговременному хранению, в ˜100 раз.

Разработка технологии очистки грунтов от радионуклидов включена в план НИОКР ГУЛ МосНПО "Радон". В соответствии с планом проведены лабораторные исследования, стендовые и полупромышленные испытания заявляемого способа.

Испытания продемонстрировали работоспособность заявляемого способа в полупромышленных условиях, что позволяет сделать вывод о том, что способ обладает также и промышленной применимостью.

Для реализации предлагаемого способа разрабатывается установка очистки грунтов. Реализация предлагаемого способа дает технико-экономический эффект за счет повышения скорости очистки и соответственно производительности при одновременном существенном снижении расхода дезактивирующих реагентов и объемов хранения радиоактивных отходов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка ЕПВ (ЕР) №0533494, МКИ: G 21 F 9/28, оп. 24.03.93.

2. Патента РФ №2050029 С1, G 21 F 9/30, Бюл. №34, оп. 10.12.95.

3. Патента РФ №2152650 С1, G 21 F 9/00, 9/28, Бюл. №19, оп. 10.07.2000.

4. Патент РФ №2094867, МКИ: G 21 F 9/28, Бюл. №30, оп. 27.10.97.

5. Галкин Н.П., Майоров А.А., Верятин У.Д. Технология переработки концентратов урана. М.: Атомиздат, 1960. - 162 с.

Способ очистки грунтов от радионуклидов цезия, включающий обработку грунтов водным раствором, содержащим дезактивирующие реагенты, в качестве которых используют минеральные кислоты, отличающийся тем, что очистку грунтов проводят смесью серной и фосфорной кислот в соотношении их концентраций, выраженных в молях 1-3, при этом концентрация фосфорной кислоты составляет 0,5-2 М и процесс осуществляют при температуре 50-100°С с последующим отделением водного раствора с дезактивирующими реагентами от очищенного грунта, после чего осуществляют извлечение радионуклидов цезия из отделенного водного раствора с дезактивирующими реагентами путем подачи в вышеуказанный раствор ферроцианида щелочного металла или аммония до концентрации 6·10^-4÷7·10^-2 М с образованием осадка, содержащего радионуклиды цезия, который направляют на захоронение, а в водный раствор с остаточным содержанием реагентов добавляют серную и фосфорную кислоты до рабочих концентраций и смешивают его с новой партией загрязненного грунта.