СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОТРАБОТАННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ МАСЕЛ
CEMENTING METHOD OF WASTE RADIOACTIVE OILS

Изобретение относится к области локализации жидких отходов и может быть использовано для отверждения отработанных масел в различных отраслях промышленности, в том числе и в атомной энергетике, а также на радиохимических производствах.
Известен способ обработки масляных отходов [патент ФРГ №DЕ 2944484 А-1, МКИ A62D 3/00, С04В 29/00, заявл. 03.11.79, приор. 08.11.78 №43654 GB. Способ обработки масляных отходов. - Stablex AG], заключающийся в одновременном смешивании масляных отходов с твердым веществом, способным сорбировать масло, с токсичными жидкими отходами, кальцийсодержащим цементом и алюмосиликатом. В результате образуется суспензия, которая затвердевает в пригодный для хранения компаунд. В качестве твердого сорбента используют карбонат кальция, а в качестве алюмосиликата - золу уноса.
2
2
Недостатком данного способа является низкая прочность конечного компаунда. Масла препятствуют процессам гидратации минералов портландцемента, обволакивая зерна гидрофобной пленкой. При перемешивании одновременно всех компонентов происходит распределение масла во всем объеме цементного раствора. Это приводит к замедлению процессов твердения и получению компаунда с низкой прочностью (не более 15-40 кг/см на 28 сутки твердения), не соответствующей требованиям ГОСТ Р 51883-2002 «Отходы радиоактивные цементированные» (не менее 50 кг/см).
2
2
Наиболее близким к заявляемому способу, выбранным в качестве прототипа является способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости [патент РФ №2317605, опубликован 20.02.2008]. Способ заключается в предварительном интенсивном смешивании жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, в количестве 10-15% от массы конечного компаунда, 10-30% цементного материала, способного сорбировать масла и/или органические жидкости, и жидких радиоактивных отходов, представляющих собой водные солевые растворы, взятые при водоцементном отношении от 0,5 до 0,9 (для конечного компаунда). Полученную суспензию перемешивают с остальной массой цементного материала. В качестве цементного материала могут быть использованы портландцемент, бентонит, комплексная сухая добавка «Бизон», тонкомолотый портландцемент с удельной поверхностью не менее 6000 см/г в смеси с бентонитом и полимерной добавкой класса полигексаметиленгуанидов, специальный цемент с композиционной добавкой «СПЦК». Перемешивание компонентов цементного раствора в две стадии, с приготовлением предварительной суспензии позволяет локализовать большую часть масел и органических жидкостей в малом количестве цементного материала. Подобный подход значительно снижает вероятность образования масляной и органической гидрофобной пленки вокруг всех частиц цементного материала при твердении, что способствует протеканию процессов гидратации минералов основной части цементного материала и повышению прочности конечного компаунда. Полученный компаунд характеризуется однородной структурой, содержит до 15% масла по массе и имеет прочность от 52 до 77 кг/см.
Недостатком данного способа является невысокая степень наполнения компаунда маслами.
Технической задачей изобретения является разработка способа включения масел в цементный компаунд с повышенным наполнением при сохранении нормируемых характеристик компаунда на уровне требований ГОСТ Р 51883-2002 «Отходы радиоактивные цементированные».
Указанная задача решается тем, что отработанное масло предварительно смешивают с материалами, поглощающими и удерживающими его, а цементное тесто готовят отдельно и выдерживают в течение некоторого времени для прохождения первичных процессов гидратации минералов цементной смеси в отсутствие масла. После выдержки смесь масла с поглотителем и цементное тесто смешивают.
В качестве поглощающих материалов могут быть использованы оксид магния либо зола уноса ТЭС. Интервал оптимальных соотношений «масло:поглотитель» для указанных индивидуальных материалов составляет, г/г: для оксида магния - от 1 до 4; для золы уноса - от 0,5 до 0,7.
3
Сухая смесь для приготовления цементного теста состоит из портландцемента (от 80 до 95%), сорбционных (бентонит, клиноптилолит, вермикулит, каолин - от 5 до 15%) и пластифицирующих (от 0,2 до 5%) добавок. Затворение сухой смеси производится водой или низкосолевыми жидкими радиоактивными отходами при раствороцементном отношении от 0,3 до 0,6 см/г.
Отличительным признаком предлагаемого способа является разделение процессов поглощения масла специально вводимым материалом и первичного формирования матрицеобразующего материала при взаимодействии вяжущего вещества с водой в ходе выдержки цементного теста. В качестве материала, поглощающего масло, могут быть использованы оксид магния либо зола уноса.
Заявляемый способ реализуется следующим образом. Отработанное масло смешивается с поглощающим материалом (оксидом магния либо золой уноса). В результате образуется устойчивая к расслаиванию пастообразная суспензия, способная сохранять свои свойства в течение длительного срока. Цементное тесто готовится отдельно путем смешивания сухой смеси, состоящей из портландцемента, сорбционных (бентонит, клиноптилолит, вермикулит, каолин) и пластифицирующих добавок, с водой или низкосолевыми жидкими радиоактивными отходами. Затем цементное тесто выдерживается в течение некоторого времени для прохождения первичных процессов гидратации минералов цементной смеси в отсутствие масла. После выдержки смесь масла с поглотителем и цементное тесто смешивают, в результате чего получают устойчивый к расслаиванию однородный цементный компаунд с содержанием масла до 20% по массе, который затаривается и направляется на хранение.
Преимуществом предлагаемого способа является то, что увеличение степени включения до 20% по массе осуществляется без существенного усложнения и удорожания процесса за счет первоначального разделения процессов поглощения масла специально вводимым материалом и первичного формирования матрицеобразующего материала с последующим смешиванием. При этом компаунд сохраняет нормируемые характеристики на уровне требований существующих стандартов.
Результаты опытов по отверждению отработанных масел представлены в таблице.
В проведенных экспериментах сухая матричная смесь содержала наряду с пластификатором 87,0-89,7% портландцемента марки 400 и 10% бентонита.
2
2
2
-4
-4
2
Как показывают результаты, представленные в таблице, степень наполнения компаундов маслом составляла около 20% по массе. При этом прочность образцов после 28 суток твердения составляет от 57 до 71 кг/см, после испытаний на морозостойкость - от 54 до 85 кг/см, после длительного пребывания в воде - от 53 до 126 кг/см. Скорость выщелачивания масла равняется от 2,9·10 до 9,3·10 г/(см·сут). Все полученные компаунды характеризуются отсутствием маслоотделения и приемлемыми сроками схватывания (более 5 ч).
2
2
Полученные компаунды характеризуются высокой термостойкостью. Выделение масла из компаундов наблюдается при температурах более 230°С. Нагрев компаунда до 300°С вызывает потерю массы не более 12-14%, при этом прочность возрастает в 1,5-6,5 раза, достигая значений от 110 до 220 кг/см. Нагрев компаунда до 800°С вызывает потерю от 33 до 42% его массы, при этом материал сохраняет монолитность, а прочность образцов находится на уровне от 30 до 40 кг/см. Испытания компаундов на огнестойкость показали, что после 5 мин контакта с открытым пламенем они не загораются.
Таким образом, цементный компаунд с отвержденным по заявляемому способу маслом соответствует нормативным и технологическим требованиям к цементированным радиоактивным отходам, отличается высокой термостойкостью и имеет степень наполнения по маслу около 20% по массе.
Возможность осуществления заявляемого технического решения подтверждается следующими примерами.
3
3
2
2
2
-4
2
Пример 1. 55 г масла ВМ-1 смешали с 79,4 г золы уноса Аргаяшской ТЭЦ и получили нерасслаивающуюся суспензию пастообразной консистенции. Затем приготовили цементное тесто, смешав 89 г портландцемента, 10 г бентонита и 3,1 г пластификатора и затворив полученную смесь 36 мл воды (раствороцементное отношение составило 0,35 см/г). Цементное тесто выдержали в течение 2 ч, а затем в него ввели смесь масла с поглотителем и тщательно перемешали. Полученный компаунд имел следующие характеристики: степень включения масла в компаунд - 20,2%, плотность - 1,51 г/см, удельная прочность на сжатие после 28 суток твердения - 67 кг/см, после 30 циклов замораживания-оттаивания - 62 кг/см, после 90 суток пребывания в воде - 126 кг/см, скорость выщелачивания масла - 2,9·10г/(см·сут). Маслоотделения из компаунда не наблюдалось, время схватывания составило более 5 ч.
3
3
2
2
2
-4
2
Пример 2. 59,7 г масла ВМ-1 смешали с 17 г оксида магния и получили нерасслаивающуюся суспензию пастообразной консистенции. Затем приготовили цементное тесто, смешав 141 г портландцемента, 16 г бентонита и 4,8 г пластификатора и затворив полученную смесь 60 мл воды (раствороцементное отношение составило 0,37 см/г). Цементное тесто выдержали в течение 2 ч, а затем в него ввели смесь масла с поглотителем и тщательно перемешали. Полученный компаунд имел следующие характеристики: степень включения масла в компаунд - 20,0%, плотность - 1,52 г/см, удельная прочность на сжатие после 28 суток твердения - 71 кг/см, после 30 циклов замораживания-оттаивания - 85 кг/см, после 90 суток пребывания в воде - 79 кг/см, скорость выщелачивания масла - 9,3·10 г/(см·сут). Маслоотделения из компаунда не наблюдалось, время схватывания составило более 5 ч.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить степень включения отработанного масла в цементный компаунд по сравнению с прототипом с 15 до 20% по массе без существенного усложнения процесса с сохранением нормируемых характеристик компаунда на уровне требований существующих стандартов.