Способ локализации отработанных ионообменных смол
Изобретение относится к области охраны окружающей среды. Сущность изобретения: в матрицу включают гранулированные, порошковые или молотые отработанные ионообменные смолы в Na-форме или Н-форме, в сухом или влажном состоянии. В качестве основы для матрицы используют смесь из молотого до фракции менее 0,075 мм доменного шлака и хризотил-асбеста в количестве 5 мас.%. Смесь затворяют раствором гидроксида натрия концентрацией 100-150 г/л. Преимущества изобретения заключаются в повышении степени наполнения компаунда и надежности последующего хранения. 2 табл., 1 ил.
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 включение в цементную, битумную или полимерную матрицы. Несмотря на то, что битумный и полимерный компаунды отличаются высокой степенью включения (до 40-50 мас.%) отработанных смол в матрицу, цементирование имеет определенные преимущества: получаемый компаунд негорючий и отличается высокой радиационной стойкостью, а технология проста и имеет относительно низкую себестоимость. Однако при отверждении ОИОС в портландцемент полученный компаунд характеризуется низкой степенью включения смол в матрицу (около 10 мас.%).
На АЭС Ringhals (Швеция) частично обезвоженные 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 co-ordinated research programme. Technical Reports Series №254, IAEA, Vienna, 1985, с.104].
Наиболее близким к предлагаемому способу локализации ОИОС является способ переработки ионитов, включающий предварительную обработку смолы гидроксидом натрия, смешивание с водой и минеральным связующим [Патент РФ №2089950 «Способ переработки радиоактивных ионообменных смол» С1, кл. G 21 F 9/30, опубл. 10.09.1997]. В данный состав включается до 18 мас.% нейтрализованных смол (в натриевой форме) в пересчете на сухой ионит, при этом полученная матрица удовлетворяет нормативным требованиям по механической прочности.
Недостатками данного способа является относительно невысокая степень наполнения компаунда ОИОС и ограничение условий применимости метода (включение нейтрализованных 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 молотые, как кислые (например, после регенерации), так и нейтрализованные (в натриевой форме);
- расширение диапазона связующих, пригодных для фиксации в них ОИОС.
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, и хризотил-асбест в количестве 5 мас.% в качестве армирующей добавки для повышения прочности компаунда. Затворение клинкера проводится раствором щелочи с концентрацией 100-150 г/л. Предложенный способ позволяет отверждать ОИОС в цельном, молотом, влажном, сухом, кислом (Н-форме) и нейтрализованном (Na-форма) виде.
Способ локализации отработанных ионообменных смол осуществляется следующим образом:
- размол доменного шлака до фракции менее 0,075 мм;
- смешивание молотого доменного шлака с хризотил-асбестом в количестве 5 мас.%;
- смешивание смеси молотого доменного шлака и хризотил-асбеста с молотой, порошковой или гранулированной смолами;
- затворение смеси раствором гидроксида натрия с концентрацией 100-150 г/л;
- перемешивание цементоподобного теста до получения однородной массы;
- разливка однородной цементоподобной массы в контейнер для последующего длительного хранения;
- твердение не менее 28 суток.
Оптимальное количество хризотил-асбеста для армирования компаунда определено в результате серии испытаний. Результаты данных исследований представлены в таблицах 1 и 2. Из таблицы 1 видно, что введение хризотил-асбеста в количестве 2, 10 и 15 мас.% менее эффективно, чем введение добавки в количестве 5 мас.%.
| Таблица 1 - Прочность на сжатие компаунда при отверждении влажной (45%) ионообменной смолы КУ-2 в Н-форме | ||
| № образца | Состав клинкера | Средний показатель прочности, кгс/см2 |
| 1 | Шлак - 88%, ИОС - 10%, Асбест - 2% | 191 |
| 2 | Шлак - 83%, ИОС - 15%, Асбест - 2% | 142 |
| 3 | Шлак - 78%, ИОС - 20%, Асбест - 2% | 95 |
| 4 | Шлак - 85%, ИОС - 10%, Асбест - 5% | 244 |
| 5 | Шлак - 80%, ИОС - 15%, Асбест - 5% | 183 |
| 6 | Шлак - 75%, ИОС - 20%, Асбест - 5% | 109 |
| 7 | Шлак - 70%, ИОС - 25%, Асбест - 5% | 154 |
| 8 | Шлак - 65%, ИОС - 30%, Асбест - 5% | 133 |
| 9 | Шлак - 80%, ИОС - 10%, Асбест - 10% | 218 |
| 10 | Шлак - 75%, ИОС - 15%, Асбест - 10% | 149 |
| 11 | Шлак - 70%, ИОС - 20%, Асбест - 10% | 96 |
| 12 | Шлак - 65%, ИОС - 25%, Асбест - 10% | 168 |
| 13 | Шлак - 60%, ИОС - 30%, Асбест - 10% | 138 |
| 14 | Шлак - 75%, ИОС - 10%, Асбест - 15% | 238 |
| 15 | Шлак - 70%, ИОС - 15%, Асбест - 15% | 211 |
| 16 | Шлак - 65%, ИОС - 20%, Асбест - 15% | 183 |
| 17 | Шлак - 65%, ИОС - 25%, Асбест - 15% | 152 |
| 18 | Шлак - 55%, ИОС - 30%, Асбест - 15% | 132 |
| Таблица 2 - Прочность на сжатие компаунда при отверждении молотой (0,2-0,3 мм), влажной (45%) ионообменной смолы КУ-2 в Na-форме | ||
| № | Состав клинкера | Средний показатель прочности, кг/см2 |
| 1 | Шлак - 75%, ИОС - 20%, Асбест - 5% | 161,5 |
| 2 | Шлак - 70%, ИОС - 25%, Асбест - 5% | 146,5 |
| 3 | Шлак - 65%, ИОС - 30%, Асбест - 5% | 158 |
| 4 | Шлак - 60%, ИОС - 35%, Асбест - 5% | 94,8 |
| 5 | Шлак - 55%, ИОС - 40%, Асбест - 5% | 81,5 |
| 6 | Шлак - 50%, ИОС - 45%, Асбест - 5% | 92,8 |
| 7 | Шлак - 45%, ИОС - 50%, Асбест - 5% | 50,2 |
| 8 | Шлак - 70%, ИОС - 20%, Асбест - 10% | 168,75 |
| 9 | Шлак - 65%, ИОС - 25%, Асбест - 10% | 113,13 |
| 10 | Шлак - 60%, ИОС - 30%, Асбест - 10% | 127,75 |
| 11 | Шлак - 55%, ИОС - 35%, Асбест - 10% | 88,25 |
| 12 | Шлак - 50%, ИОС - 40%, Асбест - 10% | 83 |
| 13 | Шлак - 45%, ИОС - 45%, Асбест - 10% | 67 |
| 14 | Шлак - 40%, ИОС - 50%, Асбест - 10% | 61,5 |
Пример 1 конкретного выполнения.
45 г ионообменных смол в Na-форме с относительной влажностью 45 мас.% (25 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы) смешивают с 50 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. 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 54 кгс/см2. Степень наполнения компаунда составляет 19,2% (в пересчете на сухие смолы).
Пример 2
45 г ионообменных смол в Na-форме с относительной влажностью 45 мас.% (25 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы), предварительно измельченных до фракции 0,2-0,3 мм, смешивают с 50 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до 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 75 кгс/см2. Степень наполнения компаунда составляет 19,2% (в пересчете на сухие смолы).
Пример 3
50 г предварительно высушенных ионообменных смол в Na-форме смешивают с 40 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм и 5 г хризотил-асбеста. 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 65 кгс/см2. Степень наполнения компаунда составляет 38,5% (в пересчете на сухие смолы).
Пример 4
60 г предварительно высушенных ионообменных смол в Na-форме, измельченных до фракции 0,2-0,3 мм, смешивают с 35 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. 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 60 кгс/см2. Степень наполнения компаунда составляет 46,2% (в пересчете на сухие смолы).
Пример 5
30 г ионообменных смол в Н-форме с относительной влажностью 45 мас.% (16,5 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы) смешивают с 65 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 150 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 12,7% (в пересчете на сухие смолы).
Пример 6
35 г ионообменных смол в Н-форме с влажностью 45 мас.% (19,25 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы), предварительно измельченных до фракции 0,2-0,3 мм, смешивают с 60 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 150 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 14,8% (в пересчете на сухие смолы).
Пример 7
40 г предварительно высушенных ионообменных смол в Н-форме смешивают с 55 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 150 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 62 кгс/см. Степень наполнения компаунда составляет 30,8% (в пересчете на сухие смолы).
Пример 8
45 г предварительно высушенных ионообменных смол в Н-форме, измельченных до фракции 0,2-0,3 мм, смешивают с 50 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. 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 34,6% (в пересчете на сухие смолы).
На чертеже показаны зависимости прочности 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, повысить экономичность метода цементирования путем использования дешевых связующих.
Способ локализации отработанных ионообменных смол путем включения их в твердую матрицу, отличающийся тем, что в матрицу включают гранулированные, порошковые или молотые отработанные ионообменные смолы в Na-форме или Н-форме, в сухом или влажном состоянии, а в качестве основы для матрицы используют смесь из молотого до фракции менее 0,075 мм доменного шлака и хризотил-асбеста в количестве 5 мас.%, которую затворяют раствором гидроксида натрия концентрацией 100-150 г/л.
