CC BY
13ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ, ЭКОЛОГИЯ МЕГАПОЛИСОВ, МАЛЫХ ГОРОДОВ, ДЕРЕВЕНЬ
ECOLOGICAL ASPECTS OF THE USE OF RENEWABLE ENERGY AND ECOLOGY OF MEGAPOLISES, TOWNS AND VILLAGES
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СОРБЕНТОВ РАДИОНУКЛИДОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ АПАТИТО-НЕФЕЛИНОВЫХ РУД
Л. Г. Герасимова, Д. В. Майоров, М. В. Маслова, В.А.Матвеев,
В. М. Щербаков*
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева
Кольский научный центр РАН ул. Ферсмана, 26а, г. Апатиты Мурманской обл., 184209, Россия
* Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) пр. Мира, 37, г. Саров Нижегородской обл., 607188, Россия Тел.: (83130) 4-48-37; факс 4-45-65; e-mail: [email protected]
Эксплуатация ядерных энергетических установок гражданского и военного назначения сопровождается образованием опасных для окружающей среды отходов. В этой связи особое значение приобретают проблемы хранения и переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ), а также утилизации радиоактивных отходов (РАО) и их иммобилизации с целью последующего безопасного хранения. Жидкие радиоактивные отходы (ЖРАО) составляют 85 % общего количества радиоактивных отходов. Большое количество РАО хранится на территориях АЭС. В среднем степень заполнения хранилищ составляет 70 %, а на некоторых объектах — более 80 %. Ни одна атомная станция не обеспечена эффективными установками по переработке ЖРАО в состояние, пригодное для транспортировки и захоронения в соответствии с современными требованиями безопасности.
Важность указанных проблем подтверждается постоянным ростом числа публикаций на эту тему.
Современные тенденции обращения с РАО направлены на минимизацию их объемов концентрированием и компактированием. Исследования проводятся в разных направлениях и в основном сводятся к упариванию растворов, включающих радионуклиды, фракционированию РАО с последующей раздельной фиксацией компонентов, селективному выделению радионуклидов для перевода основного объема раствора в категорию низкоактивных отходов. Серьезная проблема — необходимость минимизации РАО различных категорий, их компактирование и фиксация на матрицах, подходящих для захоронения. Предложены экстракционные, экстрак-
ционно-хроматографические методы, а также выделение на неорганических сорбентах.
Существует большое количество органических экстрагентов, которые селективно извлекают радиоактивные элементы. Основной недостаток их использования — химическая нестабильность при высоком уровне радиации и необходимость последующего перевода проэкстрагиро-ванных элементов в твердую фазу.
К перспективным способам переработки радиоактивных отходов следует отнести те, которые основаны на селективной сорбции радионуклидов на природных и синтетических сорбентах: ионообменных смолах, волокнистых материалах, гидроксидах и фосфатах переходных металлов.
К природным сорбентам можно отнести бентонит, вермикулит и клиноптилолит; к синтетическим цеолитам — продукты марок NaA и NaX промышленного изготовления, фтормонтморил-лонит, морденит и синтетические цеолиты со структурой шабазита. В качестве селективных сорбентов для радиоактивного цезия предложены пиролюзит — природный диоксид марганца, сурьмяно-кремниевый катионит, титановые цеолиты или алюмосиликаты различного состава. Однако следует отметить один из недостатков природных сорбентов, в частности цеолитов, — непостоянство их минерального и химического составов, поэтому предпочтительней использование синтетических сорбентов, имеющих заданный и неизменяемый состав, следовательно, и технологические свойства.
Сорбенты, как правило, достаточно дорогие материалы и их применение влечет за собой значительные экономические затраты. С этой точки зрения интерес представляет их получение с
Статья поступила в редакцию 23.12.2004 г. Article has entersd in publishing office 23.12.2004
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» ISJAEE № 2(22) 2005 АЭЭ № 2(22) 2005
Экологические аспекты использования альтернативной энергетики, экология мегаполисов, малых городов, деревень
использованием техногенных отходов некоторых производств. Немаловажное значение имеет способность продукта, локализовавшего в своем составе радионуклиды, противостоять воздействию факторов природной среды после захоронения, поэтому композиционные сорбенты представляют несомненный интерес. В таких продуктах инертные носители служат ядром для оболочки, состоящей из активного сорбционно-го материала. При последующей термообработке они превращаются в устойчивую матрицу для иммобилизации радиоактивных отходов. Подбирая состав носителя и толщину оболочки, можно регулировать сорбционную емкость материала и облегчить его дальнейшую переработку перед захоронением.
Целью настоящих исследований является изучение процесса синтеза, свойств, состава синтетических минеральных композиционных сорбентов из концентратов и техногенных отходов переработки апатито-нефелиновых руд и разработка методов их эффективного применения на различных радиоактивных объектах. На основании полученных результатов появится реальная возможность организации производства дешевого и эффективного сорбента.
Предлагаемые сорбенты содержат гидратиро-ванный гидроксид и фосфат титана, фосфат кальция и аморфный кремнезем. Такой состав способствует достижению максимальной химической инертности и термоустойчивости конечного продукта, формируя тем самым защитный «барьер» для его будущего хранения. Соотношение между компонентами, способ их введения в композицию и ряд других факторов определяют его сорб-ционную емкость и селективность. Физико-химические исследования по определению параметров синтеза сорбента и его качества очень трудоемки и обширны. Однако только детальная проработка всех химических и технологических вопросов позволит получить сорбент нужного качества с заданными свойствами.
Исследования основаны на изучении кинетики и механизма формирования оболочкового гидратированного покрытия на поверхности активного синтетического и минерального носителя. Такие композиции могут рассматриваться не только как эффективные сорбенты, но и как альтернатива стеклоподобным матрицам для хранения радиоактивных отходов. Активность носителя инициируется химическими способами, а также с помощью приемов механоактива-ции. В частности, при синтезе синтетической композиции будет изучена кинетика осаждения кремнегеля в сульфатной системе, содержащей титан (IV). Состав и свойства гидратированных кремниевых фаз чувствительны к изменению концентрации минеральной кислоты, в том числе серной и фосфорной, а также условий их получения из кремнеземсодержащих минералов.
Процесс осаждения гидроксида и фосфата титана в гетерогенной системе, содержащей активный кремнегель, мало изучен, но именно от его условий зависят свойства промежуточного и
конечного продуктов. Предстоит определить оптимальные параметры модифицирования гидра-тированных осадков, выделенных при гетерогенном синтезе, и установить температурный режим их последующей обработки.
При получении сорбента из алюмосиликат-ных и титановых минералов (нефелин, сфен) особое внимание будет уделено изучению влияния их механоактивации на изменение свойств поверхности частиц. Как правило, механоакти-вация сопровождается разрушением зерен минерала, их ионизацией и аморфизацией (в основном диоксидом кремния, присутствующего в минералах). Все эти явления изменяют электрический заряд частиц и их химическую активность по отношению к модификаторам, участвующим в формировании оболочки, обладающей сорбционными свойствами.
Важным этапом исследований является изучение физико-химических свойств синтезированных продуктов (удельной поверхности, заряда поверхности, пористости и т. д.) и их влияния на сорбционную емкость, а также изучение механизма сорбции на предлагаемых продуктах для выбора оптимальных условий их применения
Значительное место в исследованиях будет уделено изучению условий применения синтезированных сорбентов, которые могут использоваться как введением в очищаемые растворы в диспергированном виде с последующим их отделением фильтрацией, так и непосредственным пропусканием активного раствора через слой сорбента. По первому варианту отделенный при фильтрации активный осадок утилизируется или перерабатывается в форму, удобную для захоронения. Недостаток этого варианта — плохая фильтруемость смеси после контактирования. Мелкодисперсный осадок сорбента попадает частично (проскок в начале фильтрации) в очищаемую воду, что снижает общую эффективность очистки. По второму варианту гранулы сорбента помещаются на фильтрующую поверхность, через которую пропускается активный раствор. По окончании насыщения сорбента проводится его термообработка с последующим захоронением. Недостатком этого варианта является необходимость многократного прохождения зараженной радионуклидами водной системы через слой гранулированного сорбента до его полного сорб-ционного насыщения.
Интересным представляется вариант, совмещающий оба приема. В этом случае фильтрация проходит на фильтре, заполненном гранулированным (нижний слой) и порошковым (верхний слой) сорбентом. Наличие комбинированного слоя на фильтре увеличивает эффективность сорбционного процесса из-за высокой сорбционной активности порошка сорбента, но облегчает процесс его фильтрования благодаря крупнодисперсному гранулированному нижнему слою продукта.
Поскольку в данные исследования входит также изучение технологии очистки ЖРАО, содержащих, помимо активных компонентов, масла, взвеси твердых частиц и растворенные соли,
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology
АЭЭ № 2(22) 2005 ISJAEE № 2(22) 2005
В. М. Щербаков Разработка технологии получения и применения сорбентов радионуклидов на основе техногенных отходов обогащения апатито-нефелиновых руд
Очищенные жидкие стоки
Принципиальная аппаратурно-технологическая схема процесса очистки ЖРАО от радионуклидов:
1 — реактор приготовления раствора реагента I;
2 — реактор приготовления раствора реагента II;
3 — реактор кондиционирования и коагуляционной очиск-ти ЖРАО;
4 — фильтр;
5 — накопительная емкость;
6 — расходная (напорная) емкость;
7 — сорбционные колонны;
8 — насос
комбинированная схема сорбционной очистки для таких систем будет наиболее эффективна.
Принципиальная схема очистки ЖРАО от радионуклидов представлена на рисунке.
Конструктивно установка по очистке загрязненных жидкостей может быть выполнена в мобильном и стационарном вариантах. Мобильный вариант установки может быть использован для экстренной очистки сравнительно небольших объемов жидкости загрязненных бассейнов, колодцев, источников питьевой воды. Стационарными установками могут быть оснащены промышленные предприятия по переработке ЖРАО.
Предварительная поисковая работа, проведенная по указанной проблеме, свидетельствует о том, что на завершающей стадии исследований будут получены положительные результаты.
Основные публикации по теме
1. Калинников В. Т, Николаев А. И., Захаров В. И. Гидрометаллургическая комплексная переработка нетрадиционного титано-редкометал-льного и алюмосиликатного сырья. Апатиты, изд. КНЦ РАН, 1999.
2. Захаров В. И., Калинников В. Т, Матвеев В. А., Майоров Д. В. Новые направления комплексной переработки и использования нефелина // Рефераты докладов и сообщений XVI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. М.: Изд-во МПИО ИОХ РАН, 1998. № 2. С. 73.
3. Герасимова Л. Г., Маслова М. В. и др. Изучение состава твердых фаз, выделенных из сернокислых растворов титана под воздействием фосфорной кислоты // Журнал прикладной химии. 2001. Т. 74. Вып. 11. С. 1733-1736.
4. Герасимова Л. Г., Охрименко Р. Ф. и др. Изучение состава твердой фазы, выделенной при нагревании кислых растворов сульфата титана // Журнал прикладной химии. 2002. Т. 75. Вып. 6. С. 895-897.
5. Герасимова Л. Г. Пигменты и наполнители из природного титансодержащего сырья и техногенных отходов. Апатиты. Изд-во КНЦ РАН, 2001.
6. Захаров В. И., Калинников В. Т., Матвеев В. А., Майоров Д. В., Алишкин А. Р. О перспективах использования нефелиновой составляющей апатито-нефелиновых руд Кольского полуострова // Сб. мат. конф. «Новые достижения в химии и технологии материалов». 28-31 октября 2002 г., С.-Петербург. С. 20-26.
7. Герасимова Л. Г., Маслова М. В. и др. Утилизация отходов обогащения апатито-нефе-линовых руд // Там же. С. 13-19.
8. Герасимова Л. Г., Маслова М. В. и др. Получение титано-силикатных композиций оболочкового строения // Журнал прикладной химии. 2002. В печати.
9. Пат. № 2039711 РФ, МПК6 С 02 F 1/52, С 01 F 7/26, 7/28. Способ получения коагулянта/Захаров В. И., Петрова В. И.; Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН. № 5029052/26 // Изобретения. 1995. № 20.
10. Пат. № 2179528 РФ, МПК7 С 01 G 23/00, C 22 B 3/08. Способ переработки сфенового кон-центрата/Маслова М. В., Герасимова Л. Г., Охрименко Р. Ф., Матвеев В. А., Майоров Д. В., Жданова Н. М. Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН. № 2000117888/12 // Изобретения. Полезные модели. 2002. № 5.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» ISJAEE № 2(22) 2005 АЭЭ № 2(22) 2005
