Композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов (варианты)
Изобретение относится к области атомной техники и технологии, касается вопросов переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности. Сущность изобретения: композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов на основе магнезиального вяжущего, включающем раствор отвердителя, состоящего из жидкости затворения, магнезиального вяжущего и наполнителя, по изобретению в раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения входит водный раствор сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см3, причем присутствующее в составе раствора отвердителя магнезиальное вяжущее входит в него в виде порошка магнезиального каустического, при этом сам композиционный материал дополнительно содержит каталитическую углеродосодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок магнезитовый каустический 30-50; наполнитель 30-50; каталитическая углеродосодержащая добавка 0,01-0,5; водный раствор сульфата магния - остальное.
При этом в качестве раствора сульфата магния используется раствор эпсомита плотностью 1,1-1,3 г/см3. Для решения поставленной задачи композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов по второму варианту исполнения аналогичен первому варианту за исключением того, что раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения содержит водный раствор хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см3, при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок магнезитовый каустический 30-50; наполнитель 30-50; каталитическая углеродосодержащая добавка 0,01-0,5; водный раствор хлористого магния - остальное. По обоим вариантам исполнения в качестве каталитической углеродосодержащей добавки используются пирокарбон, белая сажа или порода шунгита. Кроме того, в качестве наполнителя композиционный материал содержит металлургический шлак с размерами частиц до 0,074 мм или золу от сжигания органических и/или неорганических веществ. Наряду с этим он дополнительно содержит остекловывающую добавку в виде бентонитовой глины в количестве до 0,5 мас.%.
Техническим результатом изобретения является высокая и равномерная степень наполнения компаунда отходами с образованием на нем низкопроницаемого для радионуклидов приповерхностного слоя, высокая механическая прочность и влагостойкость компаунда в течение длительного времени. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области атомной техники и технологии и касается вопросов переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности.
Известна композиция радиоактивной пульпосодержащей смеси для захоронения отходов в геологические формации методом гидравлического взрыва пласта, которая содержит в своем составе радиоактивную пульпу, цемент в качестве связующего, винную кислоту в качестве замедлителя схватывания, а также сухую овальную породу, образующуюся при добыче цемента. Композиция позволяет повышать прочность образующегося цементного камня в два раза (авт. св. РФ №1688713, 1993 г.).
Указанная композиция имеет недостаток, заключающийся в низком содержании твердой части в радиоактивной пульпе, 1:14, и, соответственно, низкое содержание отходов в композиции.
Известен монолитный блок для иммобилизации жидких радиоактивных отходов, включающий концентрированные жидкие радиоактивные отходы и отвердитель в виде минералоподобного материала, фиксирующего в своей структуре компоненты радиоактивных отходов. Причем блок имеет кристаллическую или аморфную структуру, а его компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: окислы компонентов радиоактивных отходов 30-60, минералоподобный материал - остальное (пат. РФ №2160937, 2000).
Однако природные материалы, используемые в качестве отвердителя жидких радиоактивных отходов, обладают невысокой механической прочностью и недостаточной стойкостью к выщелачиванию водой и, как следствие, может разрушиться монолитный блок. Кроме того, у монолитного блока, образующегося из природных соединений, использующихся в качестве отвердителя, отсутствует высокопрочный низкопроницаемый приповерхностный слой, препятствующий миграции радионуклидов, что также способствует их утечке в окружающую среду.
Известна также композиция для образования прочного твердого монолитного блока, фиксирующего в своей структуре компоненты жидких радиоактивных отходов, на основе магнезиального вяжущего, включающая раствор трехкомпонентного отвердителя, состоящего из жидкости затворения в виде раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см3, магнезиального вяжущего и тонкодисперсного минерального наполнителя с размерами частиц 0,005-0,015 мм. При этом в качестве раствора хлористого магния используется раствор бишофита, а в качестве магнезиального вяжущего - смесь отходов металлургического производства, содержащих оксид и силикат магния с удельной поверхностью 3,0-7,0 м2/г, и бруситовой пыли. Причем в качестве тонкодисперсного минерального наполнителя используется порошок барита (полевого шпата) (пат. РФ №2214011) - прототип.
Однако композиция для получения иммобилизующего материала - компаунда, приведенная в известном способе по патенту РФ №2214011, имеет ряд недостатков.
Так, использование в композиции в качестве одного из компонентов отвердителя - раствора хлористого магния - экономически неэффективно, поскольку этот химический реактив имеет высокую стоимость, а использование раствора бишофита в качестве раствора хлористого магния значительно ограничивает сырьевую базу применения указанного материала для иммобилизации упомянутых отходов.
Кроме того, процесс отверждения иммобилизующего отходы материала осуществляется достаточно длительное время, настолько, что радиоактивные отходы с малым удельным весом за это время успевают всплыть в иммобилизующем растворе, и в результате в образовавшемся компаунде степень его заполнения отходами по всему объему становится неравномерной.
И, наконец, использование в составе отвердителя в качестве наполнителя порошков барита или полевого шпата сужает область применения указанной композиции, ограничивая ее использование для иммобилизации только жидких радиоактивных отходов и не позволяет распространить для иммобилизации твердых радиоактивных и химических токсичных отходов, таких, как, например, золы от сжигания отходов, шлаков от переплавки радиоактивно загрязненных металлов и т.д., поскольку в этом случае не обеспечивается достаточная для длительного хранения прочность образовавшегося монолитного блока, включающего в себя упомянутые отходы. Таким образом, в указанной композиции материал для иммобилизации жидких радиоактивных отходов, включающей отверждение последних в нем и выдержку до формирования прочного твердого монолитного блока - компаунда, не является экономически эффективным и универсальным и имеет ограниченную сырьевую базу.
Задачей предлагаемого изобретения является создание универсального композиционного материала, предназначенного для иммобилизации жидких и твердых радиоактивных и/или химических токсичных отходов с помощью недорогих широко распространенных природных материалов, обеспечивающего высокую и равномерную степень наполнения компаунда указанными отходами с образованием на нем низкопроницаемого для радионуклидов приповерхностного слоя и высокие механическую прочность и влагостойкость компаунда в течение длительного времени.
Для этого в композиционном материале для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов на основе магнезиального вяжущего, включающем раствор отвердителя, состоящего из жидкости затворения, магнезиального вяжущего и наполнителя, по изобретению в раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения входит водный раствор сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см3, причем присутствующее в составе раствора отвердителя магнезиальное вяжущее входит в него в виде порошка магнезиального каустического, при этом сам композиционный материал дополнительно содержит каталитическую углеродосодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| порошок магнезитовый каустический | 30-50 |
| наполнитель | 30-50 |
| каталитическая углеродосодержащая добавка | 0,01-0,5 |
| водный раствор сульфата магния | остальное |
При этом в качестве раствора сульфата магния используется раствор эпсомита плотностью 1,1-1,3 г/см3.
Для решения поставленной задачи композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов по второму варианту исполнения аналогичен первому варианту за исключением того, что раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения содержит водный раствор хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см3, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| порошок магнезитовый каустический | 30-50 |
| наполнитель | 30-50 |
| каталитическая углеродосодержащая добавка | 0,01-0,5 |
| водный раствор хлористого магния | остальное |
По обоим вариантам исполнения в качестве каталитической углеродосодержащей добавки используется пирокарбон, белая сажа или порода шунгита.
Кроме того, в качестве наполнителя композиционный материал содержит металлургический шлак с размерами частиц до 0,074 мм или золу от сжигания органических и/или неорганических веществ. Наряду с этим он дополнительно содержит остекловывающую добавку в виде бентонитовой глины в количестве до 0,5 мас.%.
Использование в отвердителе по первому варианту исполнения водного раствора сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см3, а по второму варианту исполнения - раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см позволяет применять дешевый для данного региона материал - сульфат магния и хлористый магний соответственно - при получении материала для иммобилизации рдиоактивных и/или химических токсичных отходов и тем самым снизить стоимость и повысить экономическую эффективность и экономичность иммобилизации указанных отходов.
Введение в композиционный материал по обоим вариантам исполнения каталитической углеродосодержащей добавки позволяет ускорить процесс твердения компаунда с включенными в него отходами, и благодаря этому за счет равномерного их распределения в иммобилизующем материале повысить степень заполнения компаунда радиоактивными и химическими токсичными отходами. Кроме того, каталитическая углеродосодержащая добавка ускоряет образование низкопроницаемого поверхностного слоя и повышает его прочностные и физико-химические характеристики. А использование в качестве каталитической углеродосодержащей добавки породы шунгита, который обладает высокой сорбционной способностью, повышает экологическую безопасность материала.
Включение в состав композиционного материала порошка магнезитового каустического, в качестве магнезиального вяжущего, повышает прочность монолитного блока с включенными в него отходами и его поверхностного слоя.
Использование в качестве наполнителя металлургических шлаков и золы от сжигания органических и/или неорганических веществ позволяет осуществлять иммобилизацию, кроме жидких радиоактивных отходов, также и твердых радиоактивных и химических токсичных отходов.
Дополнительное включение в композиционный материал остекловывающей добавки в виде бентонитовой глины повышает газо- и влагонепроницаемость поверхностного слоя компаунда, что обеспечивает эффективную изоляцию радиоактивных и химических токсичных отходов от биоцикла.
Для приготовления композиционного материала для иммобилизации радиоактивных и/или химических токсичных отходов готовят раствор отвердителя по первому варианту исполнения в виде раствора сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см3, а по второму варианту исполнения раствор отвердителя готовят в виде раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см3, в каждый из которых добавляют магнезиальное вяжущее в виде порошка магнезитового каустического - 30-50 мас.%, наполнитель в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ или же металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм - 30-50 мас.% и каталитическую углеродосодержащую добавку - 0,01-0,5 мас.%. После выдержки приготовленного по соответствующему предлагаемому составу композиционного материала образуется прочный монолитный камнеобразный блок-компаунд, заключающий в себя радиоактивные и химические токсичные отходы, с образованием на его поверхности низкопористого прочного слоя, обладающий высокими механической прочностью и влагостойкостью и обеспечивающий длительное хранение указанных отходов, чем и обеспечивается радиационная и экологическая безопасность мест хранения иммобилизационных радиоактивных и химических токсичных отходов.
Как показали эксперименты, отверждение такого компаунда происходит в течение уже первых суток, и после 28 суток выдержки прочность образовавшегося твердого монолитного блока составляет 120-200 МПа.
Примеры по первому варианту исполнения предлагаемого композиционного материала
Пример 1.
Смесь водного раствора сульфата магния (эпсомита) плотностью 1,1-1,3 г/см3 - 33 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического - 32,9 мас.%, наполнителя в виде металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм (золы от сжигания органических и/или неорганических веществ) - 34,09 мас.%, каталитической углеродосодержащей добавки в виде пирокарбона (белой сажи) - 0,01 мас.% перемешивают вместе с радиоактивными и/или токсичными отходами и выдерживают до образования твердого монолитного блока.
Пример 2.
Смесь водного раствора сульфата магния (эпсомита) плотностью 1,1-1,3 г/см3 - 31,5 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического - 32 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) - 36 мас.%, каталитической углеродосодержащей добавки в виде породы шунгита - 0,5 мас.% перемешивают и выдерживают аналогичным образом, как в примере 1.
Пример 3.
Смесь водного раствора сульфата магния (эпсомита) плотностью 1,1-1,3 г/см3 - 32 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического - 35,8 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) - 32 мас.% и остекловывающей добавки в виде бентонитовой глины 0,2 мас.% перемешивают и выдерживают аналогичным образом, как в примере 1.
Примеры по второму варианту исполнения предлагаемого композиционного материала
Пример 4.
Смесь водного раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см3 - 31 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического - 34 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) - 34,98 мас.%, каталитической углеродосодержащей добавки в виде пирокарбона (белой сажи) - 0,02 мас.% перемешивают вместе с радиоактивными и/или токсичными отходами и выдерживают до образования твердого монолитного блока.
Пример 5.
Смесь водного раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см3 - 31,5 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического - 31 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) - 37,1 мас.%, каталитической углеродосодержащей добавки в виде породы шунгита - 0,4 мас.% перемешивают и выдерживают аналогичным образом, как в примере 4.
Пример 6.
Смесь водного раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см3 - 32 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического - 30 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) - 37,7 мас.% и остекловывающей добавки в виде бентонитовой глины 0,3 мас. % перемешивают и выдерживают аналогичным образом, как в примере 4.
Данные о свойствах композиционного материала с каталитической углеродосодержащей добавкой и без нее для обоих вариантов исполнения приведены в таблице.
| Состав композиции по примеру | Прочность, МПа | Время отверждения, час |
| 1 | 185 | 4-6 |
| 2 | 190 | 3-5 |
| 3 | 180 | ~18 |
| 4 | 180 | 2-4 |
| 5 | 170 | 5-7 |
| 6 | 160 | ~24 |
Как видно из таблицы, в обоих вариантах исполнения введение в композиционный материал каталитической углеродосодержащей добавки значительно сокращает время ее отверждения и повышает прочность образовавшегося монолитного блока.
1. Композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов на основе магнезиального вяжущего, включающий раствор отвердителя, состоящего из жидкости затворения, магнезиального вяжущего и наполнителя, отличающийся тем, что в раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения входит водный раствор сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см3, а магнезиальное вяжущее входит в виде порошка магнезитового каустического, при этом композиционный материал дополнительно содержит каталитическую углеродосодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| порошок магнезитовый каустический | 30-50 |
| наполнитель | 30-50 |
| каталитическая углеродосодержащая добавка | 0,01-0,5 |
| водный раствор сульфата магния | остальное |
2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве водного раствора сульфата магния используется раствор эпсомита плотностью 1,1-1,3 г/см3.
3. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит металлургический шлак с размерами частиц до 0,074 мм.
4. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит золу от сжигания органических и/или неорганических веществ.
5. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит пирокарбон.
6. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит белую сажу.
7. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит породу щунгита.
8. Композиционный материал по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он дополнительно содержит остекловывающую добавку в виде бентонитовой глины в количестве до 0,5 мас.%.
9. Композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов на основе магнезиального вяжущего, включающий раствор отвердителя, состоящего из жидкости затворения, магнезиального вяжущего и наполнителя, отличающийся тем, что в раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения входит водный раствор хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см3, а магнезиальное вяжущее входит в виде порошка магнезитового каустического, при этом композиционный материал дополнительно содержит каталитическую углеродосодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| порошок магнезитовый каустический | 30-50 |
| наполнитель | 30-50 |
| каталитическая углеродосодержащая добавка | 0,01-0,5 |
| водный раствор хлористого магния | остальное |
10. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит металлургический шлак с размерами частиц до 0,074 мм.
11. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит золу от сжигания органических и/или неорганических веществ.
12. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит пирокарбон.
13. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит белую сажу.
14. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит породу шунгита.
15. Композиционный материал по любому из пп.9-15, отличающийся тем, что он дополнительно содержит остекловывающую добавку в виде бентонитовой глины в количестве до 0,5 мас.%.
