СПОСОБ ОЧИСТКИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ
METHOD OF CLEANING SANDY SOIL FROM RADIONUCLIDES

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, реабилитации территорий, загрязненных радионуклидами среднего и низкого уровня удельной активности. К этим территориям относятся промышленные зоны атомных электростанций, предприятия, осуществляющие хранение радиоактивных отходов, металлургические и радиохимические заводы, территории, загрязненные при авариях и катастрофах.
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 радионуклиды из почвы и перевести их в жидкую фазу (US 5045240 А 01.05.89, опуб. 03.09.91, G21F 9/28, C02F 1/42) [1].
Основным недостатком способа является совмещение функции разделения на фракции и выщелачивания в одном аппарате. Водно-гравитационные методы разделения частиц по гранулометрическим фракциям используют большие объемы воды, а совмещение функции разделения и реагентной обработки приводят к неоправданно большому количеству реагентов, которые после проведения дезактивации нужно очищать от радионуклидов пропусканием через колонки с сорбентами, что требует еще и больших временных затрат.
Наиболее близким к заявляемому способу (прототипом) является 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 возвращают на место отбора, 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 вышеуказанное место отбора (заявка №2008134421/06 (043649) от 25.08.08, с решением о выдаче патента от 19.11.09) [2].
Основным недостатком способа является высокое количество требуемого реагента при коэффициенте дезактивации (КД-70-80). Для полного удаления мелкодисперсного вещества, с которым связано ~90% радионуклидов, в способе-прототипе используют обработку 2 М серной кислотой при соотношении жидкой и твердой фаз 2/1 при температуре 80°С в течение 7 ч.
Техническим результатом предлагаемого способа является снижение количества реагента, требуемого для проведения дезактивации, при сохранении величины 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 0,5-1 М раствором серной кислоты в автоклаве при температуре 100-140°С, при соотношении жидкой и твердой фаз 0,5/1-1/1, по окончании которой реагентный раствор отделяют, а грунт промывают водой, смешивают отделенный реагентный раствор и промывные воды грунта и из полученной смеси осаждают радионуклиды, при этом осадок направляют в хранилище радиоактивных отходов, а песчаную фракцию после реагентной обработки и промывки водой 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 проведение реагентной обработки песчаной фракции 0,5-1 М раствором серной кислоты в автоклаве при температуре 100-140°С, при соотношении жидкой и твердой фаз 0,5/1-1/1.
Уменьшение количества реагента при дезактивации с сохранением величины коэффициента дезактивации возможно лишь за счет увеличения времени обработки или температуры обработки, то есть проведения ее в автоклавном режиме (t>100°С). Увеличение времени обработки приводит к крайнему усложнению технологического процесса, обработку можно проводить только отдельными циклами, после каждого из которых из раствора должен быть удален извлекаемый радионуклид (Патент РФ №2361301, опубл. БИ №19 от 10.07.2009 г.) [3]. Наиболее целесообразно проводить реагентную обработку в автоклавном режиме в интервале 100-140°С. Давление реагента при 140°С достигает 5 атм, поэтому использование больших температур предъявляет повышенные требования к составу реагента и материалу, из которого изготовлен автоклав. По прототипу для разложения гидроокисных пленок (условие полного отделения мелкодисперсной фракции, содержащей до 90% мелкодисперсного вещества) необходима обработка 2 М серной кислотой при соотношении жидкой и твердой фаз 2/1 и температуре обработки 80°С (Заявка РФ № 2008134421/06 (043649) от 25.08.08, с решением о выдаче от 19.11.09) [2]. Поэтому использование в автоклавном режиме соотношения жидкой и твердой фаз 1/1 при концентрации реагента 1 М раствор серной кислоты позволяет в 4 раза уменьшить количество реагента, а если загрязненность исследуемого образца невелика, может быть использован 0,5 М раствор серной кислоты при соотношении жидкой и твердой фаз 0,5/1, что позволяет уменьшить в 16 раз использование реагента.
137
Пример очистки песчаных грунтов, загрязненных радионуклидами Cs.
137
137
Пробы грунта были предоставлены Российским Научным Центром «Курчатовский Институт». На установке этого центра (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) [4] были выполнены: водно-гравитационное отделение мелкодисперсной фракции, включающее начальное разрушение почвенных агрегатов, поверхностного илистого слоя, покрывающего зерна песка и гальку, последующее механическое разделение исходного грунта на гальку (3-100 мм) и пульпу, содержащую частицы размером (<3 мм), разделение пульпы на песчаную фракцию (>0,1 мм) и мелкодисперсную фракцию (<0,1 мм). При исходной концентрации Cs в пульпе 1120±25 кБк/кг после отделения мелкодисперсной фракции удельная активность Cs песчаной фракции составила величину 299±3 кБк/кг, мелкодисперсная фракция, составляющая по весу 15,5% веса пульпы была направлена в хранилище радиоактивных отходов. Реагентная обработка песчаной фракции проводилась при навеске образца 6 г, помещенной в фарфоровый стаканчик, в который заливалось 6 г 1 М раствора серной кислоты (по прототипу использовалась 2 М серная кислота при соотношении жидкой и твердой фаз 1/1, это соответствует уменьшению количества реагента в 4 раза). Стаканчик помещался в автоклав, представляющий собой цилиндрическую капсулу, изготовленную из нержавеющей стали и герметизированную фторопластовой прокладкой. Капсулы помещались в высокотемпературную печь, в которой и происходила реагентная обработка в течение 7 часов при температуре 100°С. После проведения обработки грунт с реагентным раствором переносился в 250 мл коническую стеклянную колбу с использованием промывных вод, количество которых должно обеспечить 1 см превышение жидкой фазы в колбе над песчаным грунтом. Энергичными круговыми движениями грунт и раствор перемешивали в течение 1 мин, через 2 сек после окончания перемешивания отстоявшийся раствор с взвешенным в нем мелкодисперсным веществом декантацией переносился в 1 л стакан, в последующих операциях в остаточный грунт добавлялась вода и процесс повторялся до тех пор, пока после 2 сек отстаивания раствор не становился прозрачным.
137
-3
После 24 ч отстаивания мелкодисперсного вещества в стакане первоначально декантацией, а затем фильтрацией через бумажный фильтр жидкая и твердая мелкодисперсная составляющие грунта разделялись и проводилось измерение массы мелкодисперсной фракции и содержание Cs в этой фракции и в суммарном объеме жидкой фазы, содержащей остатки реагентного раствора и промывных вод. В жидкую составляющую (остатки реагентного раствора и промывные воды) вводят 1 мл ферроцианида калия с концентрацией 10 М, раствор перемешивался и после отстаивания декантацией отделялся от осадка ферроцианида калия, который поступал в хранилище радиоактивных отходов.
По вышеприведенной схеме была проведена дезактивация при температурах в диапазоне 100°С-140°С, результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1.Результаты проведения дезактивации по предложенному способу песчаного грунта с исходной удельной активностью радионуклида <sup>137</sup>Cs 299±3 кБк/кг, A<sub>i</sub> - удельная активность грунта после i-го этапа обработки, KД<sub>i</sub> - коэффициент дезактивации после i-го этапа обработки, δ<sub>i</sub> - остаточное количество грунта после i-го этапа обработки, реагентная обработка проводилась 1 М серной кислотой при соотношении жидкой и твердой фаз (ж/т) 1/1 в течение 7 часов.
Водно-гравитационное разделение пульпы
Реагентная обработка
Водно-гравитационное разделение песчаной фракции
A<sub>1</sub>, кБк/кг
КД<sub>1</sub>
δ<sub>1</sub>, %
Т, °С
А<sub>2</sub>, кБк/кг
КД<sub>2</sub>
δ<sub>2</sub>, %
А<sub>3</sub>, кБк/кг
КД<sub>3</sub>
δ<sub>3,</sub>
299±3
4,4±1,1
85,5
100
59,3±3,5
22,9±1,3
83,6
41,5±3,3
32,6±2,6
83,0
110
47,3±2,8
28,6±1,8
83,2
33,3±2,6
40,9±3,1
82,6
120
10,9±0,7
123±8
83,8
7,9±0,7
172±15
82,9
130
12,1±0,8
110±7
84,0
7,9±0,6
171±18
83,2
140
10,7±0,8
125±9
83,2
7,0±0,8
195±18
82,3
При обработке в автоклавном режиме достичь и превысить величину КД (практически в 2 раза) по сравнению с прототипом удалось при температуре обработки в диапазоне температур 120-140°С.
Следующая серия экспериментов по дезактивации по предложенному способу была проведена при содержании реагента, в 8 раз меньшем по сравнению с прототипом, - 0,5 М раствор серной кислоты при соотношении жидкой и твердой фаз (ж/т) 0,5/1 при времени обработки 7 ч и температурах обработки 100°С и 140°С. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2.Реагентная обработка проводилась 0,5 М серной кислотой при соотношении жидкой и твердой фаз (ж/т) 0,5/1 в течение 7 часов, 260±3 кБк/кг - удельная активность песчаной фракции после водно-гравитационного разделения пульпы A<sub>i</sub> - удельная активность грунта после i-го этапа обработки, K<sub>i</sub> - коэффициент дезактивации после i-го этапа обработки, δ<sub>i</sub> - остаточное количество грунта после i-го этапа обработки, реагентная обработка проводилась 1М серной кислотой при соотношении жидкой и твердой фаз (ж/т) 1/1 в течение 7 часов.
Водно-гравитационное разделение пульпы
Реагентная обработка
Водно-гравитационное разделение песчаной фракции
A<sub>1</sub>, кБк/кг
КД<sub>1</sub>
T, °C%
Т А<sub>2</sub>, кБк/кг
КД<sub>2</sub>
А<sub>3</sub>, кБк/кг
КД<sub>3</sub>
260±3
4,4±0,1
100
23,0±3,1
7,7±1,1
14,4±3,0
21,1±2,9
140
7,0±1,1
41,3±6,7
2,4±0,4
129±22
Из таблицы 2 следует, что величина коэффициента дезактивации в предлагаемом способе при температуре 140°С практически в 1,5 раза превышает результаты, полученные для прототипа.
Приведенные примеры показывают высокую эффективность предложенного способа очистки грунтов, позволяющего проводить реагентную обработку при значительно меньшем количестве реагента при сохранении, а в некоторых случаях и увеличении коэффициента дезактивации.
Предложенный «Способ очистки песчаных грунтов от радионуклидов» включен в план НИОКР ГУЛ МосНПО «Радон», проведены лабораторные и стендовые испытания предложенного способа.
Литература
1. US 5045240 A 01.05.89, опуб. 03.09.91, G21F 9/28, C02F 1/42.
2. Заявка № 2008134421/06 (043649) от 25.08.08, с решением о выдаче патента от 19.11.09.
3. Патент РФ № 2361301, БИ № 19 от 10.07.2009 г.
4. 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.