Новые возможности утилизации техногенных и радиоактивных отходов и улучшения экологии окружающей среды Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

--© В.А. Тюльнин, Д.В. Тюльнин,

2008

В.А. Тюльнин, Д.В. Тюльнин

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ И РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Защита окружающей среды - одна из важнейших проблем современности. Техногенные, радиоактивные и токсичные отходы и выбросы предприятий атомной, горной, химической, металлургической промышленности и различных энергетических систем, перерабатывающих комбинатов и комплексов достигли такого уровня, что загрязнение окружающей среды (особенно больших промышленных центров) уже многократно превышает допустимые нормы. Особую опасность при этом представляют радиоактивные отходы ядерной энергетики, горных предприятий, добывающих и перерабатывающих урановые руды, а также высокотоксичные и ядовитые отходы химических производств.

В настоящее время разработано много технологий по переработке радиоактивных и токсичных отходов, различных способов утилизации техногенных веществ и получения на их основе продуктов, полезных для народного хозяйства. Наиболее широко отходы производства использует строительная индустрия при получении строительных материалов и изделий, стеклокерамическая и химическая промышленность, а также различные перерабатывающие предприятия.

В строительной отрасли, производящей огромные количества стройматериалов, технологии базируются, главным образом, на агломерации веществ, прочном связывании их частиц до получения прочного материала с тем или иным комплексом физико-химических свойств. Процесс агломерации может осуществляться либо при обычных условиях (комнатная температура) с использованием связующих холодного отверждения, либо термическим путём (как с использованием связующего, например серы, смол, битума, так и без связующего). Термическое связывание более дорогое и более трудоёмкое, требует специальных печей, тугоплавких и термостойких ёмкостей (тиглей) и больших затрат электроэнергии.

216

Поэтому важнейшей задачей, связанной с утилизацией отходов, является поиск наиболее эффективных вяжущих веществ холодного отверждения.

Особо остро эта проблема стоит в ядерной энергетике, химической промышленности и ряде других отраслей, где решаются задачи агломерирования радиоактивных и ядовитых веществ. Структурные элементы этих веществ должны быть особо прочно зафиксированы в твёрдотельной матрице окончательно или на время перевозки и дальнейшего захоронения или переработки.

Для предотвращения диспергирования и распространения радиоактивных и токсичных отходов в экосреде используют методы:

• обработки и кондиционирования;

• цементирования;

• остекловывания;

• сжигания;

• уплотнения.

Основными методами закрепления обезвоженных токсичных веществ и радиоактивных концентратов средней и низкой активности являются цементирование и остекловывание.

Цементирование осуществляется с использованием таких связующих как портландцемент, гипс, битум, смолы (полиэфирные, эпоксидные) и полимернокомпозиционные материалы типа эпок-сиакриловой композиции (ЭАК). Цементирование привлекает простотой технологии и тем, что в большинстве случаев агломерированный блок сохраняет свою форму, поэтому отпадает необходимость затаривания продукта. Однако метод цементирования имеет существующие недостатки. Во-первых, используемые связующие, в том числе и портландцемент, не обладают универсальностью адгезионных свойств к различным по природе веществам, а некоторые связующие вступают в химическое взаимодействие с наполнителем. Прочность цементного камня падает при введении в него большого количества солей и велика вероятность его разрушения. В работе [1] показано, что прочность агломерата с радионуклидами должна быть не ниже 10 МПа. Такое наиболее распространённое связующее как портландцемент имеет высокую пористость и высокое водопоглощение (W~6 % по массе). Агломераты же на основе полиэфирных и карбамид-ных смол химически нестойки, и требуется дополнительная их изоляция. Процесс битумирования происходит при термическом

217

воздействии и может привести к возгоранию горючих отходов. Кроме того, при термическом воздействии происходит улетучивание радионуклидов и токсичных веществ.

Остекловывание

При остекловывании радиоактивных и токсичных отходов обычно используют низкоплавкие боратные и фосфатные стёкла (t <1000 °C); иногда используют силикатные с температурой плавления до 1200 °С. При указанных температурах большинство неорганических веществ разлагается до оксидов, а в случае плавления в восстановительной среде образуются металлы. Метод остекловы-вания, как и всякий высокотемпературный метод агломерации, имеет очень существенные недостатки и поэтому малоперспективен. К таким недостаткам относятся:

- процесс плавления отходов, содержащих в своём составе токсичные и радиоактивные вещества, всегда сопровождается выбросами в атмосферу вредных веществ;

- катионы щёлочных, щёлочно-земельных и некоторых других металлов, вводимые в качестве плавней для понижения температуры плавления, являются ионами-модификаторами стеклообразной сетки. Они слабо связаны с каркасом и находятся в междуузлиях, легко диффундируют и выщелачиваются. Выщелачивание значительно усиливает радиационно- ермическая стимулированная диффузия;

- стеклообразное состояние является термодинамически неравновесным. При длительном воздействии излучения, химически активных веществ и повышенной температуры a priori можно ожидать процесса расстекловывания, образования кристаллических соединений (эффект расстекловывания стеклообразных веществ при повышенной температуре хорошо известен). Механические характеристики агломерата при этом ухудшаются, возможно его растрескивание и разрушение;

- массовая доля остеклованных отходов в агломерате низка;

- стоимость стеклообразующих оксидов, плавней, флюсов высока, а сам процесс остекловывания трудоёмок, требует использования термического оборудования (печей), стециальных ёмкостей (тиглей) для остекловывания и больших энергозатрат. Поэтому в целом технология остекловывания экономически нерентабельна.

Сопоставительный анализ различных методов агломерирования обезвоженных твёрдых техногенных, радиоактивных и ядови-

218

тых отходов различных производств показывает, что наиболее эффективным, экологически чистым и экономически рентабельным является метод холодного отверждения с использованием сравнительно недорогих минеральных вяжущих. В мировой практике ведутся интенсивные исследования по поиску новых видов вяжущих и модифицированию известных. Некоторые вяжущие, уже хорошо зарекомендовавшие себя при синтезе композиционных строительных материалов на основе отходов производств (магнезиальное, доломитовое, алюминатное, серное и др.), ещё не исследованы при агломерации радиоактивных и ядовитых веществ.

Наиболее эффективно и экономически целесообразно в этих целях использовать магнезиальное вяжущее (цемент Сореля). Известно, что оно обладает высокой адгезией не только к минеральным, но и к органическим веществам. Композиции на его основе имеют более высокие механические характеристики, чем композиции на портландцементе: прочность при сжатии до 100 МПа и более, а при растяжении при изгибе - 20 МПа и более; магнезиальные композиции беспыльны и имеют низкую истираемость (0.2-0.25 г см ). Стоимость магнезиального вяжущего сравнима со стоимостью портландцемента.

Несмотря на преимущества магнезиального вяжущего перед другими, оно до настоящего времени не нашло применения при агломерировании радиоактивных и токсичных отходов. Это вызвано, главным образом, тем, что магнезиальные агломераты недостаточно устойчивы к воздействию воды, длительным атмосферным воздействиям высокой влажности. По данным дифференциально-термического и рентгенофизового анализов вода вызывает перекристаллизацию метастабильных оксихлоридов магния в стабильные, что сопровождается колебаниями прочности, а иногда даже появлением трещин в композиции.

Авторами работы проведены широкие исследования по модифицированию магнезиального вяжущего с помощью химических добавок и поверхностно-активных веществ. На основе полученных данных созданы магнезиальные и смешанные магнезиально-эпоксидные композиты с водопоглощением по массе W<1% и коэффициентом водостойкости К =1 по ГОСТ 10060.0 (для сравнения: водопоглощение портландцементных бетонов W«6%). Ранее другими исследователями были достигнуты величины W=4% [2] и W=3,5% [3]. Наряду с высокой водостойкостью и низким водопо-

219

глощением композиты имеют высокие прочностные характеристики, они трещиностойки, негорючи; в отличие от портландцементов магнезитыпп фунгистатичны (грибостойки), а их тепло- и электропроводность можно менять в широких пределах введением специальных модифицирующих добавок.

Использование разработанных модифицированных магнезиальных композитов открывает новые возможности утилизации техногенных и радиоактивных отходов. Кроме того, созданные композиты могут быть широко использованы при создании строительных материалов и изделий, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крылова Н.В., Полуэктов П.П. Свойства отверждённых форм высокоактивных отходов. Атомная энергия, 1995

2. Патент БШ 2079465

3. Патент БШ 2098381.

— Коротко об авторах -

Тюльнин В.А., Тюльнин Д.В. - Московский государственный горный университет.

© Ан.А. Аверченков, 2008

Ан.А. Аверченков

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ ИНВЕСТИЦИОННОЙ ПРИВЛЕКАТЕЛЬНОСТИ

220