Экология/3. Радиационная безопасность и социально-экологические проблемы

к.т.н. Тюпина Е.А., Тучкова А.И., Сергеечева Я.В.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия

Влияние измельчения датолита и сорбентов

на его основе на сорбционную очистку

отработавшего масла от Cs-137

В настоящее время все большую обеспокоенность вызывают проблемы экологии, которые переходят в разряд глобальных; отрицательное воздействие оказывается как на отдельного человека, так и на человечество в целом. Дальнейшее развитие зависит от того, как будут решены эти проблемы.

Особенно сильную озабоченность среди экологов вызывает загрязнение окружающей среды радиоактивными веществами. Большое количество радиоактивных отходов (РАО) с различным химическим и радионуклидным составом образуется в результате работы объектов ядерного топливного цикла (ЯТЦ), а также исследовательских институтов и медицинских учреждений.

Одними из наиболее проблемных РАО являются органические отходы, большую часть которых составляют отработавшие масла. Для переработки таких отходов наиболее эффективным и простым в техническом исполнении является сорбционная очистка природными сорбентами (которая по сравнению с термическими методами не требует сложной системы газоочистки) с последующим отверждением. В качестве матрицы для низкоактивных отходов (НАО) чаще всего используют цементы, также не требующие сложной технологии получения.

В предыдущих работах [1] нами был исследован широкий спектр природных сорбентов для очистки отработавших масел от ¹³⁷Cs и на основе полученных результатов выбран датолит (CaBSiO₄OH). Подробно изучена его активация серной кислотой и подобраны условия ее проведения [2].

Целью настоящей работы являлось изучение влияния измельчения на сорбционную способность датолита и сорбентов, синтезированных на его основе, по отношению к ¹³⁷Cs при очистке отработавшего масла, а также исследование комбинирования методов измельчения и кислотной активации.

В работе использовано отработавшее масло с начальной активностью по цезию 15 кБк/кг, по результатам сорбционной очистки которого рассчитаны коэффициент очистки (К_оч) и степень извлечения (Е) – по представленным формулам:

где А_уд.нач. и А_уд.кон. – начальная и конечная удельные активности масла, Бк/кг.

Проведено три следующие серии экспериментов: I – измельчение исходного датолита; II – измельчение активированного серной кислотой датолита; III – измельчение исходного датолита с последующей активацией серной кислотой. Для измельчения использована шаровая мельница с барабанами и помольными шарами из стали.

Для всех серий исследована сорбционная очистка и определена удельная поверхность, являющаяся одним из основных критериев, характеризующих измельчение материала. Показано, что для образцов I серии с ростом времени измельчения исходного датолита и, как следствие, с уменьшением размера частиц и увеличением удельной поверхности (рис. 1), происходит улучшение сорбционного извлечения цезийсодержащих компонентов (рис. 2). Можно видеть, что уже через 60 мин минимальная остаточная активность масла составляет 1200 Бк/кг.

Для II серии при увеличении времени измельчения происходит ухудшение сорбционной очистки масла со 120 Бк/кг до значений активности масла, полученных на исходном, не активированном, образце (3600 Бк/кг). При этом наблюдается рост удельной поверхности до 9000 см²/см³, что ниже величины, достигнутой при измельчении исходного не активированного порошка: 20000 см²/см³.

Рис. 1. Зависимость удельной поверхности образцов трех серий от времени измельчения

Рис. 2. Зависимость остаточной удельной активности очищаемого масла от времени измельчения образцов трех серий

Для образцов III серии отмечено, что ни извлечение цезийсодержащих компонентов из масла, ни удельная поверхность не зависят от времени измельчения сорбента. Остаточная активность масла составляет 300 Бк/кг, а величина поверхности в этом случае такая же, как и для порошков, подвергнутых только кислотной обработке.

Результаты рентгенофазового анализа показывают, что исходный образец на 85% представлен датолитом CaBSiO₄OH с незначительным содержанием Fe₂O₃, SiO₂ и алюмосиликата кальция. Измельченный образец отвечает тому же составу. Отмечен более высокий фон дифрактограммы, что свидетельствует о наличии в образце большего количества аморфной фазы по сравнению с не измельченным образцом.

После кислотной активации образуются совершенно новые фазы, в основном сульфаты, как результат взаимодействия составных компонентов исходного датолита с активирующим раствором серной кислоты. При измельчении кислотного образца происходит уменьшение количества борной кислоты и исчезает фаза, относящаяся к гипсу.

Приведенные данные подтверждают, что при сернокислотной активации происходят значительные изменения как в структуре, так и в составе получаемых образцов сорбентов.

На заключительном этапе определено содержание свободной серной кислоты для образцов II и III серий титриметрическим методом.

Для образцов II серии при увеличении времени измельчения происходит уменьшение содержания свободной серной кислоты в сорбенте. Для III серии получено, что содержание кислоты не зависит от времени измельчения (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость содержания свободной серной кислоты в образцах серий II и III от времени измельчения

Из полученных данных можно проследить четкую зависимость между остаточной активностью масла после очистки и содержанием серной кислоты в сорбенте.

Установлено, что измельчение исходного датолита оказывает положительное воздействие на сорбционную очистку отработавшего масла, в то время как измельчение активированного серной кислотой образца – отрицательное. Измельчение перед кислотной активацией не оказывает влияния ни на сорбционную очистку масла, ни на удельную поверхность полученного сорбента, ни на содержание свободной серной кислоты на его поверхности.

В ходе проделанной работы показано, что на эффективность сорбционной очистки оказывают влияние сразу несколько факторов, однако ключевым является содержание серной кислоты на поверхности сорбента.

Литература:

1. Тюпина Е.А., Магомедбеков Э.П., Тучкова А.И., Тимеркаев В.Б. Сорбционная очистка жидких органических радиоактивных отходов от 137Cs. – Перспективные материалы, 2010, № 8, с. 329–333.

2. Тюпина Е.А., Тучкова А.И., Клименко О.М. Получение нового материала для извлечения радионуклидов из отработавшего масла путем обработки датолита минеральными кислотами. – Физика и химия обработки материалов, 2012, № 2, с. 83–86.