Адсорбент для дезактивации радиоактивных отходов и способ его получения

Изобретение относится к адсорбентам для дезактивации радиоактивных отходов и способам его получения и может быть использовано для уменьшения степени загрязнения радиоактивными изотопами и токсичными тяжелыми металлами, их локализации, транспортировки и безопасного хранения. Адсорбент для дезактивации радиоактивных отходов выполняют в виде гранул и при следующем соотношении компонентов, мас.%: кремнийсодержащий материал 85-90; щелочные и/или щелочно-земельные элементы 2-5; связующее вещество 8-10, и выполняют с покрытием в виде механической смеси, состоящей из соединений щелочных и/или щелочно-земельных элементов и активизатора. Изобретение позволяет повысить дезактивируемость радиоактивных отходов и степень очистки сред. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к адсорбентам для дезактивации радиоактивных отходов и способам его получения и может быть использовано для уменьшения степени загрязнения радиоактивными изотопами и токсичными тяжелыми металлами, их локализации, транспортировки и безопасного хранения.

Известен адсорбент для дезактивации радиоактивных жидкостей, выполненный в виде гранул, содержащих сульфиды металлов и соли бария (см. авт. свид. СССР №468446, кл. G21F 9/04, 1971).

Данный адсорбент имеет низкую сорбционную емкость и небольшую степень очистки. Недостатками данного способа являются низкая эффективность и высокая стоимость.

Известен способ получения этого адсорбента, который заключается в приготовлении гранул (см. авт. свид. СССР №486446, кл. G21F 9/04, 1971).

Наиболее близким к предлагаемому адсорбенту является адсорбент для дезактивации радиоактивных отходов, выполненный в виде гранул, включающий кремнийсодержащий материал (см. патент РФ №2025801, G21F 9/12, 1990).

Адсорбент содержит природную диатомную землю и по меньшей мере два цеолитных минерала.

Однако данный адсорбент имеет низкую сорбционную емкость, низкую активность, низкую степень очистки и невысокую природную поризацию. Кроме того, месторождения природных цеолитов являются редкими, а сырье дорогостоящим.

Известен способ получения данного адсорбента, включающий приготовление гранул (см. патент РФ №2025801, G21F 9/12, 1990). Недостатками данного способа являются сложность получения адсорбента и его низкая эффективность.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности дезактивационных работ в любых средах, быстро, эффективно и надежно связывать вредные элементы: радиоактивные изотопы, токсичные тяжелые металлы. Техническим результатом является повышение дезактивируемости радиоактивных отходов и степени очистки сред.

Технический результат достигается в адсорбенте для дезактивации радиоактивных отходов, включающем кремнийсодержащий материал, щелочные и/или щелочно-земельные элементы и связующее вещество при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремнийсодержащий материал	85-90
Щелочные и/или щелочно-земельные элементы	2-5
Связующее вещество	8-10

и выполнен с покрытием в виде механической смеси, состоящей из соединений щелочных и/или щелочно-земельных элементов и активизатора.

Связующее вещество представляет собой цементную пыль и/или аморфный кремнезем.

Механическая смесь содержит 2,5-3% соединений щелочных элементов и/или 3,5-5% соединений щелочно-земельных элементов и 1-10% активизатора от веса гранул.

Активизатор представляет собой соли, взятые из ряда: сульфид марганца (MnS), сульфид никеля (NiS), сульфид железа (FeS), сернокислый барий (BaSO₄), углекислый барий (ВаСО₃), фторид титана (TiF₄), фторид марганца (MnF₂), фторид олова (SnF₄), фторид висмута (BiF₃), фторид сурьмы (SbF₃).

Отличительные признаки предлагаемого адсорбента заключаются в том, что он дополнительно включает щелочные и/или щелочно-земельные элементы и связующее вещество и выполнен с покрытием в виде механической смеси, состоящей из соединений щелочных и/или щелочно-земельных элементов и активизатора при определенном соотношении компонентов. Это повышает дезактивируемость радиоактивных отходов и степень очистки сред.

Щелочные и/или щелочно-земельные элементы, включаемые в химический состав гранул, используются для обеспечения высокой гидравлической активности гранул с целью образования дефектов в кристаллических решетках кремнийсодержащего материала с последующим заполнением их элементами радиоактивных отходов, т.е. переводом неустойчивых изотопов в устойчивые.

Связующее вещество используется для повышения вяжущих свойств гранул и выравнивания количества кремнистых структур.

Механическая смесь, наносимая на гранулы, обеспечивает начальную гидратацию гранул с образованием слоистых структур типа смектитов, с включением в эти структуры элементов радиоактивных отходов.

Соединения щелочных и/или щелочноземельных элементов, входящие в состав механической смеси, усиливают начальную гидратацию гранул с образованием кремнистых гелий, связывающих радиоактивные изотопы и токсичные тяжелые металлы.

Активизатор, входящий в состав механической смеси, связывает элементы радиоактивных отходов.

Предлагаемым изобретением решается задача получения адсорбента, с помощью которого можно было бы с высокой эффективностью проводить дезактивационные работы в любых средах. Техническим результатом является повышение эффективности получения адсорбента, простота и надежность.

Технический результат достигается в способе получения адсорбента для дезактивации радиоактивных отходов, включающем нагрев кремнийсодержащего материала до температуры плавления, введение в него щелочных и/или щелочно-земельных элементов и связующего вещества при непрерывной продувке аммиаком, деление полученного обогащенного материала на капли путем обработки струями сжатого воздуха в циклонной камере с последующим охлаждением и напылением на полученные гранулы механической смесью, состоящей из соединений щелочных и/или щелочно-земельных элементов и активизатора.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в нагреве кремнийсодержащего материала до температуры плавления, введении в его состав щелочных и/или щелочно-земельных элементов и связующего вещества при непрерывной продувке аммиаком, делении полученного обогащенного материала на капли, последующем охлаждении и напылении на полученные гранулы механической смеси определенного состава. Это позволяет получить адсорбент с равномерными абсорбционно-адсорбционными свойствами. Непрерывная продувка аммиаком повышает поризацию адсорбента. Щелочные и/или щелочно-земельные элементы повышают основность адсорбента, а связующее вещество повышает вяжущие свойства адсорбента.

Деление полученного обогащенного материала на капли производится путем обработки струями сжатого воздуха в циклонной камере, который осуществляют, например, с помощью системы, создающей параллельные пульсирующие струи сжатого воздуха с частотой порядка 0,5-1 Гц или с помощью конуса с желобами, расположенными по его образующим, и крыльчатки, установленной соосно конусу, со стороны его основания.

Напыление механической смеси на поверхность гранул улучшает абсорбционные свойства адсорбента.

Пример 1.

Кремнийсодержащий материал - 85%, в качестве которого взят доменный шлак Ново-Тульского завода, содержащий мас.%: SiO₂ - 39,4; Al₂О₃ - 8,4; СаО - 36,2; Fe₂О₃ - 1,9; MgO - 9,4; остальное - 2,2, с температурой 1240°С, вводят в него 2% щелочных элементов, оксида калия (К₂О) и 8% связующего вещества - цементную пыль при непрерывной продувке аммиаком из расчета 7-9 м³ на тонну жидкого шлака. Полученный обогащенный материал делят на капли путем обработки струи жидкого шлака пульсирующими струями сжатого воздуха, содержащего до 25% водного пара. Капли доменного шлака, перемещаясь по криволинейным траекториям, постепенно охлаждаются. Одновременно на горячую поверхность полученных гранул напыляют механическую смесь, состоящую из оксида калия (К₂О) в количестве 2,5% от веса гранул и активизатора - сернокислого бария (BaSO₄) в количестве 1% от веса гранул. При количестве соединений щелочного элемента меньшем 2,5%, и/или соединений щелочно-земельного элемента, меньшем 3,5%, и активизатора, меньшем 1%, уменьшаются сорбционные свойства адсорбента, т.к. уменьшается начальное образование кремнистых гелей, связывающих радиоактивные изотопы. Результаты испытаний адсорбента приведены в таблице 1.

Таблица 1
	Изотопы* цезия 137Cs, Ки/кг	Изотопы* стронция 90Sr, Ки/кг
До обработки адсорбентом	8,0	1,8
После обработки адсорбентом	6,4	1,46
* Челябинская область, донные отложения реки Теча, 1991-1992 гг.

Коэффициент дезактивации в течение года составил 1,2.

Пример 2.

Кремнийсодержащий материал - 87%, в качестве которого взят вулканический шлак, содержащий, мас.%: SiO₂ - 65,4; Al₂О₃ - 13,5; CaO - 3,6; Fe₂О₃ - 1,8; MgO - 8,5; Na₂O - 11,5, нагревают до температуры 1240°С, вводят в него 4% щелочноземельных элементов, оксида кальция (CaO) и 9% связующего вещества - цементную пыль при непрерывной продувке аммиаком из расчета 7-9 м³ на тонну жидкого шлака. Полученный обогащенный материал делят на капли путем обработки струи жидкого шлака пульсирующими струями сжатого воздуха, содержащего до 25% водного пара. Капли доменного шлака, перемещаясь по криволинейным траекториям, постепенно охлаждаются. Одновременно на горячую поверхность полученных гранул напыляют механическую смесь, состоящую из оксида кальция (CaO) в количестве 4% от веса гранул и активизатора - фторида марганца (MnF₂) в количестве 6% от веса гранул.

Результаты испытаний адсорбента приведены в таблице 2.

Таблица 2
	Изотопы* цезия 137Cs, Ки/кг	Изотопы* стронция 90Sr, Ки/кг
До обработки адсорбентом	8,0	1,8
После обработки адсорбентом	5,6	1,26
* Челябинская область, донные отложения реки Теча, 1991-1992 гг.

Коэффициент дезактивации в течение года составил 1,3.

Пример 3.

Кремнийсодержащий материал - 90%, в качестве которого взят Кызылкумский барханный песок, содержащий, мас.%: SiO₂ - 62,6; Al₂О₃ - 22,3; СаО - 4,7; Fe₂O₃ - 1,3; MgO - 0,6; MoO - 5,5; остальное - 2,3, нагревают до температуры 1240°С, вводят в него 5% щелочных элементов, оксид калия (К₂О) и 10% связующего вещества - цементную пыль при непрерывной продувке аммиаком из расчета 7-9 м³ на тонну жидкого шлака. Полученный обогащенный материал делят на капли путем обработки струи жидкого шлака пульсирующими струями сжатого воздуха, содержащего до 25% водного пара. Капли доменного шлака, перемещаясь по криволинейным траекториям, постепенно охлаждаются. Одновременно на горячую поверхность полученных гранул напыляют механическую смесь, состоящую из оксида калия (К₂О) в количестве 3% от веса гранул и активизатора - сульфида железа (FeS) в количестве 10% от веса гранул. При количестве соединений щелочного элемента, большем 3%, и/или соединений щелочноземельного элемента, большем 5%, и активизатора, большем 10%, уменьшаются сорбционные свойства адсорбента, т.к. снижается способность кремнистых гелей и солей связывать радиоактивные изотопы.

Результаты испытаний адсорбента приведены в таблице 3.

Таблица 3
	Изотопы* цезия 137Cs, Ки/кг	Изотопы* стронция 90Sr, Ки/кг
До обработки адсорбентом	8,0	1,8
После обработки адсорбентом	4,8	1,08
* Челябинская область, донные отложения реки Теча, 1991-1992 гг.

Коэффициент дезактивации в течение года составил 1,4.

Предложенный адсорбент позволяет повысить дезактивируемость радиоактивных отходов и степень очистки сред. Предложенный адсорбент быстро, эффективно и надежно связывает вредные изотопы.

1. Адсорбент для дезактивации радиоактивных отходов, выполненный в виде гранул, включающий кремнийсодержащий материал, отличающийся тем, что он дополнительно содержит соединение щелочных и/или щелочно-земельных элементов и связующее вещество при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кремнийсодержащий материал 85-90

щелочные и/или щелочно-земельные элементы 2-5

связующее вещество 8-10

и выполнен с покрытием в виде механической смеси, состоящей из соединений щелочных и/или щелочно-земельных элементов и активизатора.

2. Адсорбент по п.1, отличающийся тем, что связующее вещество представляет собой цементную пыль и/или аморфный кремнезем.

3. Адсорбент по п.1, отличающийся тем, что механическая смесь содержит 2,5-3% соединений щелочных и/или 3,5-5% щелочно-земельных элементов и 1-10% активизатора от веса гранул.

4. Адсорбент по п.1, отличающийся тем, что активизатор представляет собой соли, взятые из ряда: сульфид марганца, сульфид никеля, сульфид железа, сернокислый барий, углекислый барий, фторид титана, фторид марганца, фторид олова, фторид висмута, фторид сурьмы.

5. Способ получения адсорбента для дезактивации радиоактивных отходов, включающий приготовление гранул, содержащих кремнийсодержащий материал, отличающийся тем, что кремнийсодержащий материал нагревают до температуры плавления, вводят в него соединения щелочных и/или щелочно-земельных элементов и связующее вещество при непрерывной продувке аммиаком и делят полученный обогащенный материал на капли путем обработки струями сжатого воздуха в циклонной камере с последующим охлаждением и напылением на полученные гранулы механической смеси, состоящей из соединений щелочных и/или щелочно-земельных элементов и активизатора.