СПОСОБ ОЧИСТКИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ
METHOD PURIFYING SAND FROM RADIOACTIVE NUCLIDES

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, реабилитации территорий, загрязненных техногенными радиоактивными изотопами (радионуклидами). К этим территориям относятся промышленные зоны атомных электростанций, предприятия, осуществляющие хранение радиоактивных отходов, металлургические и радиохимические заводы, территории, загрязненные при авариях и катастрофах. Наиболее эффективно способ может быть использован для очистки песчаных грунтов с повышенным содержанием мелкодисперсной фракции.
Известен способ восстановления почвы, загрязненной радионуклидами, основанный на предварительном определении наиболее загрязненной фракции. В аппарат с почвой вводят раствор для выщелачивания, поступающий снизу вверх для захвата и удаления в верхней зоне частиц определенного размера, составляющих наиболее загрязненную фракцию. Предполагается, что выщелачивающий раствор позволит дополнительно извлечь из почвы и перевести в жидкую фазу радионуклиды (US 5045240 А 01.05.89, опуб.03.09.91, G21F 9/28, С02F 1/42) [1].
Основным недостатком способа является совмещение функции разделения на фракции и выщелачивания: 1) водно-гравитационные методы разделения частиц по фракциям используют большие объемы воды, а совмещение функции разделения и выщелачивания приводит к неоправданно большому количеству реагентов, которые после проведения дезактивации нужно очищать от загрязняющих изотопов пропусканием через колонки с сорбентами, что требует еще и больших временных затрат, 2) реагентная обработка предъявляет высокие требования к химической стойкости материалов, из которых изготовлено устройство для разделения на фракции, 3) используемые авторами выщелачивающие растворы переводят в жидкую фазу лишь слабосвязанные изотопы, к которым радионуклиды не относятся, 4) при высоком содержании мелкодисперсного вещества, которое после отделения поступает в хранилища радиоактивных отходов, эффективность метода значительно снижается.
Известен способ и устройство для очистки твердого материала, загрязненного тяжелыми металлами, радионуклидами и органикой. Предварительно производится обработка материала раствором, содержащим выщелачивающие вещества, поверхностно-активные вещества или их смеси для перевода загрязнителей в жидкую фазу. Частицы крупного размера удаляются механически после очистки их от частиц промежуточного и мелкого размера. После обработки сепарацией раствора с взвешенными частицами выделяется мелкодисперсная фракция, которая после сгущения и обезвоживания поступает в хранилище радиоактивных отходов. Из жидкой фракции сорбентами извлекают загрязняющие примеси и направляют их в хранилище радиоактивных отходов (US 5128068 А 25.05.90, опуб.07.07.92, G21F 9/00, В03В 5/28).
Основной недостаток способа заключается в том, что обработка раствором, содержащим выщелачивающие вещества, поверхностно-активные вещества или их смеси, проводится перед разделением частиц по фракциям. Основная часть загрязняющих примесей поступает в дезактивирующий раствор, из которого ее нужно извлекать сорбентами, операция длительная и достаточно дорогостоящая. При высоком содержании мелкодисперсной фракции метод малоэффективен.
Наиболее близким к заявляемому способу (прототипом) является способ очистки почв и грунтов от радионуклидов и тяжелых металлов, технологическая схема которого была разработана Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А.Бочвара (ВНИИНМ) и Российским научным центром «Курчатовский институт» (РНЦ «КИ»). (Волков В.Г., Зверков Ю.А., Иванов О.П. и др. Дезактивация радиоактивно загрязненного грунта в РНЦ «Курчатовский институт». Атомная энергия, 2007, т.103, вып.6, с.381-387) [3].
Способ включает следующие основные операции: начальное разрушение почвенных агрегатов, поверхностного илистого слоя, покрывающего зерна песка и гальку с последующим механическим разделением исходного грунта на гальку (3-100 мм) и пульпу, содержащую частицы размером <3 мм, галька после выделения и отмывки выводится из технологического цикла, пульпа водно-гравитационной сепарацией в модуле классификации разделяется на песчаную фракцию (>0,1 мм) и мелкодисперсную фракцию (<0,1 мм), которая после сгущения и обезвоживания поступает в хранилище радиоактивных отходов, песчаная фракция промывается чистой водой для дополнительного освобождения от илистых, глинистых и других тонкодисперсных взвесей, обезвоживается и возвращается на место отбора.
Основным недостатком способа является низкая величина коэффициента дезактивации (КД=4-5). Это означает, что проводить работы по очистке можно лишь для грунтов, исходная активность которых не превышает санитарные нормы более чем в 4-5 раз. Основной причиной низкого значения КД является неполное отделение мелкодисперсной фракции. В грунтах при их естественном залегании в поверхностных слоях после разложения органического вещества освобождается железо, гидроокись которого активно сорбирует частицы мелкодисперсной размерности на поверхности песчаных частиц, образуя гидроокисную пленку. Разрушить эту пленку можно только достаточно мощной реагентной обработкой. Другим не менее важным недостатком является применимость метода лишь для пород с низким содержанием мелкодисперсной фракции, так как в процессе дезактивации вся эта фракция в полном объеме поступает в хранилище радиоактивных отходов. При высоком содержании мелкодисперсного вещества эффективность способа значительно снижается.
Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение величины коэффициента дезактивации для песчаных грунтов с повышенным содержанием мелкодисперсной фракции и полная очистка мелкодисперсной фракции до санитарных норм.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ очистки, включающий начальное разрушение почвенных агрегатов, поверхностного илистого слоя, покрывающего зерна песка и гальку, с последующим механическим разделением исходного грунта на гальку (3-100 мм) и пульпу, содержащую частицы размером (<3 мм), гальку после разделения и отмывки выводят из технологического цикла, пульпу подвергают реагентной обработке, по окончании которой реагентный раствор отделяют, пульпу промывают водой, смешивают отделенный реагентный раствор и промывные воды пульпы и из полученной смеси осаждают радионуклиды, которые направляют в хранилище радиоактивных отходов, пульпу после реагентной обработки направляют в блок классификации, в котором водно-гравитационной сепарацией разделяют на песчаную фракцию (>0,1 мм) и мелкодисперсную фракцию (<0,1 мм), песчаная фракция после обезвоживания поступает в место отбора, а мелкодисперсную фракцию подвергают реагентной обработке в автоклаве при температуре выше температуры кипения реагентного раствора, по окончании которой реагентный раствор отделяют, мелкодисперсную фракцию промывают водой, смешивают отделенный реагентный раствор и промывные воды мелкодисперсной фракции, из полученной смеси осаждают радионуклиды, которые направляют в хранилище радиоактивных отходов, а мелкодисперсную фракцию после сгущения и обезвоживания возвращают на место отбора.
Отличительные признаки предложенного способа очистки песчаных грунтов от радионуклидов заключаются в том, что пульпу перед водно-гравитационной сепарацией подвергают реагентной обработке, по окончании которой реагентный раствор отделяют, пульпу промывают водой, после чего смешивают отделенный реагентный раствор и промывные воды пульпы, из полученной смеси осаждают радионуклиды и направляют их в хранилище радиоактивных отходов, а промытую пульпу подвергают вышеуказанной водно-гравитационной сепарации, в результате которой песчаную фракцию (>0,1 мм), как было указано выше, промывают водой, обезвоживают и возвращают на место отбора, а мелкодисперсную фракцию (<0,1 мм) подвергают реагентной обработке в автоклаве при температуре выше точки кипения реагентного раствора, по окончании которой реагентный раствор отделяют, мелкодисперсную фракцию промывают водой, смешивают отделенный реагентный раствор и промывные воды мелкодисперсной фракции, из полученной смеси осаждают радионуклиды и направляют их в хранилище радиоактивных отходов, а промытую мелкодисперсную фракцию после сгущения и обезвоживания возвращают на место отбора.
Для песчаных пород с повышенным содержанием мелкодисперсной фракции очистка простым отделением этой фракции становится малоэффективной, слишком большая доля исходного вещества должна быть отправлена в хранилище радиоактивных отходов.
Для частиц размерностью >0,1 мм увеличение КД прежде всего достигается за счет разложения гидроокисных пленок при реагентной обработке, предшествующей этапу разделения на фракции. При разложении в раствор поступает мелкодисперсное вещество, связанное с этими пленками, и за счет отделения этой высокоактивной компоненты величина КД фракции >0,1 мм увеличивается в 2 раза. После разложения пленок упрощается контакт реагентного раствора с поверхностью частиц, на которой сорбированы радионуклиды, процесс реагентного выщелачивания усиливается, а величина КД дополнительно увеличивается в 3-4 раза.
Для мелкодисперсных частиц (<0,1 мм) начальная реагентная обработка после разложения гидроокисных пленок приводит прежде всего к консолидации мелкодисперсной фракции в реагентном растворе, высокая влагоемкость мелкодисперсной фракции, широко развитая поверхность контакта с реагентным раствором приводят к значительному увеличению величины КД (до 8-9).
Реагентная обработка в автоклаве позволяет дополнительно только на этой стадии достичь величины КД≈80.
Достигнутые в предложенном способе величины КД позволяют очищать песчаные грунты с высоким содержанием мелкодисперсной фракции до суммарных (по обеим фракциям) величин активностей, определяемых санитарными нормами, а следовательно, возвращаемых после реагентной обработки на место отбора.
137
Примеры очистки песчаных грунтов, загрязненных Cs.
137
исх
1
1
2
2
3
3
Из техногенных радионуклидов Cs вносит наибольший вклад в суммарную мощность дозы, а вследствие своих геохимических свойств и самым трудноизвлекаемым. Рассмотрим три примера очистки грунтов с повышенным содержанием мелкодисперсной фракции. Предварительная обработка является общей для всех трех примеров и включает следующие основные операции: начальное разрушение почвенных агрегатов, поверхностного илистого слоя, покрывающего зерна песка и гальку с последующим механическим разделением исходного грунта на гальку (3-100 мм) и пульпу, содержащую частицы размером <3 мм, галька после выделения и отмывки выводится из технологического цикла, а пульпа поступает на первичную реагентную обработку. Результаты проведения очистки для всех трех примеров приведены в таблице. Таблица. Результаты проведения реагентной обработки. Принятые обозначения: А - исходная удельная активность загрязненного грунта, A- удельная активность песчаной фракции после проведения первичной реагентной обработки и разделения на фракции, δ - относительное содержание песчаной фракции после проведения первичной реагентной обработки и разделения на фракции, А - удельная активность мелкодисперсной фракции после проведения первичной реагентной обработки и разделения на фракции, δ - относительное содержание мелкодисперсной фракции после первичной реагентной обработки и разделения на фракции, А - удельная активность мелкодисперсной фракции после реагентной обработки в автоклаве, δ - относительное содержание мелкодисперсной фракции после реагентной обработки в автоклаве, КД - коэффициент дезактивации (отношение исходной активности грунта к суммарной активности песчаной и мелкодисперсной фракций после проведения очистки.
Реагентная обработка в автоклаве
Первичная реагентная обработка с последующим разделением на фракции
А<sub>исх</sub>, кБк/кг
№
Т, °С
Песчаная фракция
Мелкодисперсная фракция
Мелкодисперная фракция
КД
Реагент
А<sub>1</sub>
δ<sub>1</sub>,
А<sub>2</sub>,
δ<sub>2</sub>,
А<sub>3</sub>,
δ<sub>3</sub>,
кБк/кг
%
кБк/кг
%
кБг/кг
%
1
449
2M H<sub>2</sub>SО<sub>4</sub>+
80
7,9
81,7
361
14,6
5,2
12,2
63,4
±12
1МН<sub>3</sub>РО<sub>4</sub>
±1,2
±50
±0,8
±8,7
2
449
3М H<sub>2</sub>SО<sub>4</sub>
80
9,8
80,8
321
14,5
4,6
12,2
52,6
±12
±1,6
±46
±0,7
±8,0
3
94,7
2M H<sub>2</sub>SО<sub>4</sub>+
90
1,2
80,7
32,2
14,8
0,46
12,4
91,9
±2,1
1MH<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
±0,2
±5,1
±0,08
±14,3
2
4
3
4
137
-4
-2
Пример 1. Исходная удельная активность пульпы составляла 449 кБк/кг. Навеска пульпы весом 50 г помещалась в коническую колбу, заливалась 100 мл реагентного раствора состава 2М HSО+1М НРО и помещалась в водяную баню, в которой поддерживалась температура 80°С, при непрерывном перемешивании обработка продолжалась в течение 7 часов. По окончании обработки реагентный раствор сливался, а пульпа промывалась водой 5 раз по 50 мл, при промывке водно-гравитационной сепарацией на воронке с бумажным фильтром выделялась мелкодисперсная фракция, фракция >0,1 мм в конической колбе составляла по весу 81,7% исходного грунта, а удельная активность Cs 7,9±1,2 кБк/кг. Реагентный раствор объединялся с промывными водами, в объединенный раствор вводят ферроцианиды щелочного металла или аммония до концентрации 6*10-7*10 М с образованием осадка, содержащего радионуклиды цезия, который направляют в хранилище радиоактивных отходов.
137
-4
-2
2
4
Мелкодисперсная фракция, составляющая 14,6% от веса исходного грунта и имеющая удельную активность Cs 361±50 кБк/кг, помещалась в фарфоровый стаканчик, заливалась 14,6 мл 4М раствора HSO. Фарфоровый стаканчик помещался в герметичный цилиндр из нержавеющей стали с уплотнительной прокладкой из фторпласта. Цилиндр помещался в муфельную печь, в которой поддерживалась температура 140°С, обработка проводилась в течение 7 часов. По окончании обработки реагентный раствор сливался, мелкодисперсная фракция промывалась пятикратно водой объемом 14,6 мл. Реагентный раствор и промывные воды объединяют, в объединенный раствор вводят ферроцианиды щелочного металла или аммония до концентрации 6*10-7*10 М с образованием осадка, содержащего радионуклиды цезия, который направляют в хранилище радиоактивных отходов.
137
Промытая мелкодисперсная фракция составляла по весу 12,2% от исходного грунта и имела удельную активность Cs 5,2±0,8 кБк/кг. Удельные активности обеих фракций после реагентной обработки удовлетворяют санитарным нормам, соответствующим персоналу группы Б предприятий ядерного цикла. При реагентной обработке в реагентном растворе растворилось 6,1% веса исходного грунта, после выработки реагентного раствора эта часть грунта осаждается в виде солей и классифицируется как химические отходы. Суммарная (по обеим фракциям) величина КД составила величину 63,4±8,7.
Пример 2. Тот же образец, что и в примере 1, те же условия обработки, изменился только реагентный состав при первичной обработке, вместо достаточно дорогостоящей фосфорной кислоты использовалась только серная кислота. Приведенные в таблице результаты свидетельствуют о том, что в пределах погрешностей определения результаты те же, что и для примера 1.
Пример 3. Исходная удельная активность исходного образца составляла 94,7 кБк/кг, реагентный раствор при первичной реагентной обработке тот же, что и в примере 1, температура при первичной реагентной обработке 90°С, остальные параметры обработки такие же, как в примере 1.
Таким образом, по сравнению с прототипом величина КД увеличилась практически на порядок в примерах 1 и 2 и в 20 раз в примере 3. В хранилище радиоактивных отходов размещены лишь осажденные из реагентов и промывных вод радионуклиды цезия, составляющие по массе <0,5% веса грунта, поступившего на реагентную обработку, 6-7% веса исходного грунта, поступившего на реагентную обработку, осаждается из реагентных растворов и промывных вод по мере их выработки в форме солей и классифицируется как химические отходы.
исх
иск
При вышеприведенных параметрах обработки до концентраций, соответствующих пределу доз для населения (Нормы радиационной безопасности НРБ-99), могут быть очищены грунты с исходной активностью пульпы А≈30 кБк/кг при обработке в режиме примеров 1 и 2 и А≈45 кБк/кг при обработке в режиме примера 3.