CC BY
6
УДК В14.777:[628.349:539.163
ОПЫТЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ осколочных РАДИОИЗОТОПОВ ИЗ ВОДЫ МЕТОДОМ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ
В. Л. Анохин, В. Ф. Жевержеева (Москва)
За последние годы появился ряд сообщений об использовании пе-нсобразования для очистки промышленных и хозяйственных сточных вод от грубодисперсных, коллоидных и растворенных веществ, в том числе и радиоактивных.
С. М. Драчев и А. А. Былинкина наблюдали и описали явление концентрирования радиоактивных изотопов в пене на поверхности открытых водоемов. Мы поставили своей целью исследовать механизм этого явления с тем, чтобы научиться воспроизводить его искусственно и использовать для дезактивации радиоактивно загрязненных вод. По всей вероятности, наблюдаемый в природе процесс выноса пеной многих осколочных радиоизотопов обусловлен в первую очередь физико-химическим механизмом пенной флотации. Изучению ее посвящен ряд работ. Новое направление подобных исследований — так называемая ионная флотация — охарактеризовано в монографии Ф. Себба, недавно вышедшей в русском переводе. Ввиду большого числа работ, посвященных механизму флотации, мы не будем касаться теоретических оснований процесса, еще недостаточно исследованных.
В отличие от некоторых иностранных авторов мы не стремимся подобрать специфические дорогостоящие поверхностно-активные комплек-соны — продукты специального синтеза. По нашему мнению, извлечение радиоактивных компонентов, осуществляемое с применением обычно используемых в технике поверхностно-активных веществ, экономически и технически наиболее перспективно.
В наших первых опытах (1961) мы извлекали осколочные радиоизотопы без носителей и достигли положительных результатов с иттрием-91 и церием-144, менее надежных с цезием-134 и стронцием-90, но процент извлечения во всех случаях был невелик. Лучших результатов удалось добиться, когда мы применили извлечение пеной осадков, адсорбционно связывающих или соосаждающих ультрамалые количества радиоизотопов.
Соосаждение радионуклеидов с осадками, образуемыми в воде (гидроокиси алюминия и железа, карбонат и фосфат кальция и т. п.), является обычным приемом дезактивации вод. Очистка достигается путем коагуляции, фильтрации или седиментации осадков в отстойниках. При этом, однако, мелкодисперсные и коллоидные фракции седи-ментируют очень замедленно и плохо удерживаются фильтрами; поэтому часто дезактивация оказывается неполной. Смысл пенной дезактивации состоит в том, что те же осадки носителей с захваченными радио-нуклеидами вместо отстаивания подвергаются флотации, для чего к раствору добавляются пенообразователи и продувается воздух. Наши опыты показали, что мелкодисперсные и коллоидные фракции осадков могут быть извлечены пеной несравненно быстрее и полнее, чем при седиментации или фильтровании. Наиболее существенное значение имеет при этом подбор осадков — носителей и соответствующих флото-реагентов — пенообразователей.
Опыты производились нами на московской водопроводной воде с жесткостью 10—12° при рН 7,0, заражаемой исследуемыми радиоизотопами без носителя до активности порядка 10~" — Ю-5 кюри/л.
В опытах использовали стеклянные колонки диаметром 25—30 мм со впаянной в нижней части пористой стеклянной пластинкой для диспергирования продуваемого воздуха. Верхняя часть колонок была
отогнута вниз для вывода образуемой пены. Применялись колонки различной длины (от 50 до 126 см) для обработки объемов воды от 100 до 500 мл.
К пробе воды в колонке, содержащей радиоизотоп, добавлялся раствор осадителя и пенообразователя и производилось продувание воздуха. Образующаяся пена постепенно заполняла верхнюю часть колонки и выходила из отогнутого вниз патрубка, собиралась в стакан; после распадения пены производилось исследование. Очищенная вода спускалась из колонки и также исследовалась на активность, жесткость и окисляемость.
Опыты производились нами с радиоизотопами иттрия-91, церия-144, стронция-90 и 89, цезия-134, рутения-106, йода-131, циркония и ниобия-95. В качестве осадителей использовались гидроокиси алюминия и железа, хорошо извлекающие иттрий и церий, цирконий и ниобий (до 95—98%), но недостаточно полно извлекающие остальные радиоизотопы. Для извлечения радиостронция требовалось соосаждать его вместе с кальцием жесткой воды. Наилучшие результаты мы получили при осаждении оксалата кальция (извлечение до 95—99%)- Менее полно стронций извлекался с осадком фосфата кальция (на 85—90%). В то же время осадок фосфата кальция оказывался универсальным носителем, так как с ним удалялись весьма полно иттрий и редкоземельные элементы. Для извлечения цезия использовался ферроцианид марганца. Иод сорбировался на осадке сульфата свинца.
Помимо перечисленных выше, был исследован и ряд других осадителей — карбонат и силикат кальция, а также гексаметафосфат натрия, как полиэлектролит, связывающий катионы в полимерные макрокомплексы. Но эти реагенты не привели к желаемым результатам: не удалось подобрать пенообразователи, обеспечивающие их флотацию. Пенообразователями служили желатина, пептон, сульфанол-Б и смеси этих веществ. Добавки высших спиртов и диоксана способствовали пенообразованию.
По описанной выше методике произведено свыше 1200 опытов. Полнота извлечения иттрия-91 и церия-144 (близкая к 100%) достигалась в опытах с гидроокисями алюминия и железа, образуемыми в воде при гидролизе их солей (сульфатов или хлоридов), добавляемых из расчета 15—20 мг металла на 1 л воды.
Наибольшее число опытов было посвящено извлечению радиостронция ввиду его особой радиотоксичности, а также потому, что его флотация связана с особыми трудностями, так как это вещество приходится выделять вместе со всем содержащимся в воде кальцием.
Трехзамещенный фосфат натрия добавлялся к воде в несколько большем количестве, чем требуется по расчету, имея в виду осаждение Са3(Р04)2. Исследуя степень извлечения радиостронция в зависимости от дозировки фосфата, мы нашли, что кривая проходит через максимум, расположенный при почти двукратном избытке фосфата, т. е. это соответствует осаждению кислого фосфата СаНР04 с небольшим избытком аниона, по-видимому, обеспечивающим заряд образующейся коллоидной мицеллы.
Осадок фосфата кальция успешно флотировал с сульфанолом-Б, желатиной и их смесью. Однако для полного извлечения пеной наиболее высокодисперсных фракций осадка требовалось длительное продувание воздуха. Нередко не удавалось извлечь из воды более 85—90% радиострснция (при исходной активности порядка Ю-10 кюри/л), причем иногда причины таких неудач было трудно проанализировать. По-видимому, они кроются в трудно контролируемых условиях формирования осадка, мицеллообразования и образования заряда частиц.
Наиболее полное и быстрое извлечение радиостронция достигалось при применении оксалата аммония в качестве осадителя кальция. Для
5 Гигиена и санитария. Л'« 3
65
этого была достаточна стехиометрическая дозировка оксалата. Этот осадок обладает в некоторой степени поверхностно-активными свойствами, а в присутствии перечисленных выше пенообразователей легко и быстро флотирует, обеспечивая весьма полное извлечение радиостронция. Процент очистки в наших опытах достигал 98—100.
Для извлечения радиоцезия мы использовали способ пенной флотации, предложенный В. В. Пушкаревым, Л. Д. Скрылевым и В. Ф. Багрецовым, — с ферроцианидом марганца в качестве осадителя и желатиной в качестве пенообразователя. Нам удавалось извлекать 90% цезия. Что касается рутения-106 (опыты проводились с препаратами хлорида рутения-106), то со всеми испытанными нами реагентами он извлекается пеной не более чем на 50%.
Пенная дезактивация осуществлялась следующим образом. На маленькой колонке с полезным объемом воды 110—120 мл продувание воздуха производилось резиновой грушей вручную. На этой колонке ставились все разведочные опыты по подбору рецептур и дозировок. Найдено, что основная масса осадка извлекалась во второй половине периода пенообразования, который на малой колонке не превышал
3—4 мин. В пену увлекался почти полностью весь введенный пенообразователь. Опыт заканчивался, когда прекращалось образование пены. Объем жидкости, образованной после распадения пены, составлял
4—7% объема обрабатываемой воды. Однако этот показатель не являлся строго воспроизводимым. Объем пены мог варьировать довольно широко в зависимости от трудноконтролируемых условий.
На укрупненных стеклянных колонках с полезным объемом воды 500—1000 мл продувание воздуха производилось компрессором с регулирующим вентилем. На укрупненных колонках время пенообразования увеличивалось и период дезактивации удлинялся до 15—25 мин.
При высоте столба воды 70 см (в колонках на 0,5 л) минимальная скорость продувания воздуха, определяемая порогом давления, достаточного для преодоления гидростатического напора и сопротивления пористого стеклянного фильтра, составляла около 1,8 л/мин. Найдено, что оптимальная скорость подачи воздуха соответствовала превышению пороговой скорости приблизительно на 15—25%- Дальнейшее увеличение скорости продувания ухудшало условия дезактивации, происходил большой унос воды с пеной.
Способ пенной дезактивации может использоваться как самостоятельный способ дезактивации, а также как дополнительная операция при способе коагуляции и седиментации с целью ускорения процесса и большей полноты дезактивации.
ЛИТЕРАТУРА
Д р а ч е в С. М., Б ы л и н к и н а А. А. Мед. радиол., 1960, № 6, с. 54. — Пушка-р е в В. В., С к р ы л е в Л. Д., Багрецов В. Ф. Радиохимия, 1959, в. 6, с. 709, Ж. приклад. химии, 1960, в. 1, с. 59, 81. — Себба Ф. Ионная флотация. М., 1965.
Поступила 25/УП 1963 г.
