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. К этим территориям относятся промышленные зоны атомных электростанций, предприятия, осуществляющие хранение радиоактивных отходов, металлургические и радиохимические заводы, территории, загрязненные при авариях и катастрофах. До 90-95% радиоактивной примеси сорбируется на мелкодисперсной фракции песчаного грунта, поэтому наиболее широко применяемым методом дезактивации является отделение мелкодисперсной фракции и размещение ее в хранилищах радиоактивных отходов.
Известен способ восстановления почвы, загрязненной радиоактивными изотопами, 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 радиоизотопы (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 в одном аппарате: 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, 3) используемые авторами выщелачивающие растворы переводят в жидкую фазу лишь слабосвязанные изотопы, к которым радиоизотопы не относятся, 4) извлечение радиоизотопов из наиболее загрязненной мелкодисперсной части грунта выщелачивающими растворами нецелесообразно, так как эта часть грунта все равно поступает в хранилища радиоактивных изотопов, а поступившие из этой фракции в раствор загрязняющие примеси еще нужно дополнительно извлекать, затрачивая на это время и реагенты.
Известен способ и устройство для очистки твердого материала, загрязненного тяжелыми металлами, радиоизотопами и органикой. Предварительно производится обработка материала раствором, содержащим выщелачивающие вещества, поверхностно-активные вещества или их смеси. После обработки разделяют жидкую и твердую фракции. Из жидкой фракции сорбентами извлекают загрязняющие примеси и направляют их в хранилище радиоактивных отходов. Остаточный грунт промывают водой и в сепараторном устройстве отделяют мелкодисперсную фракцию, которая поступает в хранилище радиоактивных отходов (US 5128068 А 25.05.90, опуб. 07.07.92, G21F 9/00, В03В 5/28) [2]. 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.
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 дезактивационные работы 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.
Техническим результатом предлагаемого способа является полное отделение мелкодисперсной фракции и увеличение коэффициента дезактивации.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ очистки песчаных грунтов от радионуклидов, 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 водно-гравитационной сепарацией в модуле классификации разделяют на песчаную фракцию (>0,1 мм) и мелкодисперсную фракцию (<0,1 мм), которую после сгущения и обезвоживания направляют в хранилище радиоактивных отходов; песчаную фракцию промывают водой, обезвоживают и подвергают реагентной обработке, по окончании которой реагентный раствор отделяют, а грунт промывают водой, смешивают отделенный реагентный раствор и промывные воды грунта и из полученной смеси осаждают радионуклиды, полученный осадок поступает в хранилище радиоактивных отходов, а песчаную фракцию после реагентной обработки и промывки водой повторно водно-гравитационной сепарацией в модуле классификации разделяют на мелкодисперсную (<0,1 мм) и песчаную (>0,1 мм) фракции, мелкодисперсную фракцию после сгущения и обезвоживания направляют в хранилище радиоактивных отходов, а песчаную фракцию возвращают на место отбора.
Отличительными признаками предлагаемого способа очистки песчаных грунтов от радионуклидов является то, что песчаную фракцию после промывки водой и обезвоживания подвергают реагентной обработке, по окончании которой реагентный раствор отделяют, а грунт промывают водой, смешивают отделенный реагентный раствор и промывные воды грунта и из полученной смеси осаждают радионуклиды, полученный осадок поступает в хранилище радиоактивных отходов, а песчаную фракцию после реагентной обработки и промывки водой повторно водно-гравитационной сепарацией в модуле классификации разделяют на мелкодисперсную (<0,1 мм) и песчаную (>0,1 мм) фракции, мелкодисперсную фракцию после сгущения и обезвоживания направляют в хранилище радиоактивных отходов, а песчаную фракцию возвращают на место отбора.
Предлагаемый способ позволяет осуществить полное отделение мелкодисперсной фракции, а следовательно, -90% загрязнения. Реагентную обработку песчаной фракции необходимо проводить после первичного разделения на мелкодисперсную и песчаную фракции, так как значительная часть загрязнения и мелкодисперсной фракции уже удалены в хранилище радиоактивных отходов и реагентная обработка проводится гораздо эффективнее, так как содержание радионуклидов в растворе значительно меньше, увеличивается градиент его концентрации на границе порового пространства (основной движущей силы процесса дезактивации), расход реагента в этом случае также минимален, так как его расход при обработке мелкодисперсной фракции в 2-3 раза выше по сравнению с обработкой чисто песчаной фракции.
Пленка трехвалентной гидроокиси железа крайне устойчива и разрушается лишь растворами кислот достаточно высоких концентраций. Состав реагента и условия обработки (температура, время, весовое соотношение между грунтом и реагентом) должны обеспечить это отделение. Для этого перед началом проведения очистки следует провести определение содержания гидроокисного железа в исследуемых грунтах и контрольные эксперименты по реагентной обработке, условия проведения которых должны обеспечить полный переход гидроокисного железа в реагентный раствор, как гарантия полного поступления в этот раствор ранее связанной с гидроокислами железа части мелкодисперсной фракции исходного грунта.
При реагентной обработке происходит дополнительное выщелачивание радиоизотопов из грунта, в том числе и из песчаной фракции, и этот процесс дополнительно увеличивает величину КД в предложенном способе очистки песчаных грунтов от радионуклидов.
137
Примеры очистки песчаных грунтов, загрязненных Cs.
137
137
Пример 1. Первоначальная обработка включала разрушение почвенных агрегатов, поверхностного илистого слоя, покрывающего зерна песка и гальку, механическое разделение исходного грунта на гальку (3-100 мм) и пульпу, содержащую частицы размером (<3 мм), галька после выделения и отмывки выводится из технологического цикла, содержание Cs в пульпе 94,9 кБк/кг, содержание гидроокисного железа в пробе по результатам 11 независимых определений 13,0±0,8% от полного содержания железа в анализируемой пробе. Пульпа водно-гравитационной сепарацией разделялась в модуле классификации на песчаную фракцию (>0,1 мм) и мелкодисперсную фракцию (<0,1 мм), составляющую 15,5 вес. % от веса пульпы, которая после сгущения и обезвоживания отправлена в хранилище радиоактивных отходов. Песчаная фракция промывается чистой водой и обезвоживается. Содержание Cs в этой фракции составляет 25,4 кБк/кг. На этой стадии очистки величина коэффициента дезактивации составила 4,4±0,2. Песчаный грунт подвергся реагентной обработке в специальном реакторе, изготовленном из химически стойких материалов, способных работать в диапазоне температур 80-95°С в течение длительного времени (~1 сут). Реагентная обработка проводилась серной кислотой с концентрациями в интервале 0,5-2 М. Обработка проводилась при температуре 80°С в течение 7 часов при соотношении жидкой и твердой фаз 2/1. По окончании реагентной обработки производятся отделение реагента и промывка грунта водой. Из смеси реагента и промывных вод осаждаются радионуклиды, осадок поступает в хранилище радиоактивных отходов, а грунт поступает в модуль классификации для повторного разделения на мелкодисперсную (<0,1 мм) и песчаную (>0,1 мм) фракции, мелкодисперсная фракция после сгущения и обезвоживания поступает в хранилище радиоактивных отходов, а песчаная считается очищенной. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты проведения дезактивации по предлагаемому способу. КД<sub>i</sub> - коэффициент дезактивации, отношение исходной активности грунта к активности после проведения соответствующего этапа обработки, A<sub>i</sub> - удельная активность грунта после соответствующего этапа обработки, δ<sub>i</sub> - относительное содержание очищенного грунта после проведения соответствующего этапа обработки, ж/т - отношение жидкой и твердой фаз при проведении реагентной обработки, Fe - содержание гидроокисного железа в растворе, % от полного содержания железа в грунте.
Первичное водно-гравитационное разделение
Реагент H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, моль/л
Реагентная обработка
Повторное водно-гравитационное разделение
A<sub>0</sub>, кБк/кг
КД<sub>0</sub>
δ<sub>0</sub>, %
A<sub>1</sub>, кБк/кг
КД<sub>1</sub>
δ<sub>1</sub>, %
Fe, %
А<sub>2</sub>, кБк/кг
КД<sub>2</sub>
δ<sub>2</sub>, %
25,4
4,4
84,5
0,5
10,3
11,0
84,0
8,9
7,2
16,7
78,7
±1,2
±0,2
±1,2
±1,3
±1,1
±2,6
1
5,6
20,3
83,3
10,6
3,4
36,2
77,2
±0,6
±2,2
±0,5
±5,3
1,5
4,4
26,0
82,9
11,7
2,7
46,8
75,0
±0,5
±3,0
±0,4
±6,9
2
3,7
31,0
82,6
13,9
1,9
68,5
72,9
±0,4
±3,4
±0,3
±10,8
По мере увеличения концентрации реагентного раствора содержание гидроокисного железа растет, и лишь при реагентной обработке 2М раствором серной кислоты гидроокись железа полностью перешла в раствор, следовательно, полностью разрушена гидроокисная пленка и вся связанная с ней мелкодисперсная фракция перешла в свободное состояние. В этих условиях величина коэффициента дезактивации только за счет реагентной обработки увеличилась до 31,0±3,4, последующее отделение этой ранее связанной мелкодисперсной фракции позволило довести величину КД до 68,5±10,8. После повторного водно-гравитационного разделения в хранилище было направлено еще 9,7 вес.% исходного грунта мелкодисперсной размерности. Таким образом, в хранилище радиоактивных изотопов суммарно направлено 25,2 вес.% исходного грунта мелкодисперсной размерности, а 72,9% исходного грунта песчаной размерности очищено до удельной активности 1,9±0,3 кБк/кг, 1,9 вес.% исходного грунта растворилось в реагенте, по мере выработки раствора эта часть грунта выделяется в форме солей и классифицируется как химические отходы.
137
Пример 2. Первичная обработка такая же, как в примере 1. Активность Cs в пульпе 289 кБк/кг, температура обработки 80°С, время обработки 7 ч, реагент 2 М серная кислота. Пример иллюстрирует возможность увеличения величины КД изменением параметров обработки (в данном случае соотношением жидкой и твердой фаз). Величина КД при необходимости может быть увеличена до 130 при использовании больших объемов реагента, что не всегда удобно, так как увеличивает затраты и время на очистку раствора. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты проведения дезактивации по предлагаемому способу
Первичное водно-гравитационное разделение
ж/т
Реагентная обработка
Повторное водно-гравитационное разделение
А<sub>0</sub>
КД<sub>0</sub>
δ<sub>0</sub>
A<sub>1</sub>
КД<sub>1</sub>
δ<sub>1</sub>
А<sub>2</sub>
КД<sub>2</sub>
δ<sub>2</sub>
79,9
4,30
84,0
0,5/1
22,3
15,7
82,4
8,1
46,6
76,6
±0,5
±0,03
±2,6
±1,8
±1,2
±6,9
1/1
14,7
19,7
82,2
4,6
80,3
78,2
±2,6
±3,5
±0,7
±12,2
1,5/1
14,9
23,4
82,7
4,5
84,1
76,4
±1,8
±2,8
±0,8
±15,0
2/1
16,1
21,7
82,7
5,1
73,4
77,2
±1,9
±2,6
±0,8
±11,5
2,5/1
14,9
23,5
82,5
2,7
139
77,0
±2,0
±3,2
±0,5
±26
3/1
11,9
29,6
82,1
3,2
119
76,1
±1,5
±3,7
±0,6
±22
4/1
10,9
32,2
82,2
2,7
138
77,6
±1,4
±4,1
±0,5
±26
исх
сан
исх
сан
При дезактивации по предлагаемому способу параметры реагентной обработки подбираются для достижения определенной величины КД, которое рассчитывается по соотношению: КД=А/А, где А- исходная активность грунта, А- активность, определяемая санитарными нормами.
Таким образом, по сравнению с прототипом в примере 1 величина коэффициента дезактивации увеличилась с 4,4±0,2 до 68,5±10,8, а в примере 2 с 4,30±0,03 до 138±26. Кроме того, достигнуто полное отделение мелкодисперсной фракции, составляющей в примере 1 - 25,2 вес.%, а в примере 2 - 20,6 вес.%.
3
В настоящее время в Сергиево-Посадском отделении МосНПО «Радон» функционирует установка по очистке песчаных грунтов с использованием реагентной обработки от радионуклидов с объемом реактора 1,2 м, позволяющая при весовом соотношении реагента и грунта 2/1 проводить дезактивацию 0,5 т загрязненного грунта до требуемых санитарными нормами удельных активностей.