Химия и химические технологии /

5. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

К.т.н. Григорьева В.Н., Храброва Е.А., Баштанар В.В, Соловей Т.В.

Севастопольский национальный университет ядерной энергии
и промышленности, Украина

Применение перекиси водорода для утилизации
ионообменных смол

Отработавший ионообменный материал в ядерной технологии иногда не подвергают регенерации, а после истощения удаляют пневмогидротранспортом на временное хранение и переработку с дальнейшим захоронением.

Утилизация отработанных ионообменных смол (ИОС) затруднена, так как на существующих установках сжигания система газоочистки позволяет перерабатывать их не более 2 кг в сутки. Включение в иммобилизующую матрицу также затруднено, так как цементный компаунд позволяет дозировку до 10 % отработанных смол по причине высокой скорости выщелачивания таких блоков, а битумы, в которые можно включать до 25 % ИОС не используются на Украине по причине их пожароопасности. В зарубежных странах используют разные методы утилизации отработанных ИОС: включение в различные иммобилизующие матрицы, сушка и прямое прессование в бочках с последующим цементирование полученных спрессованных блоков и т.д.

В Европейском Сообществе ионообменные смолы перерабатываются следующим образом: смолы, которые использовались в водоподготовке, утилизируются под кодом 190905. Возможна утилизация данных продуктов преимущественно путем сжигания бытового мусора. Иониты со специфическими примесями, остающиеся после водоочистки, например, в химической индустрии, попадают под действие предписаний для отходов группы № 190806. Утилизация в зависимости от действующих местных нормативов проводится путем сжигания в специальной установке или на специальных наземных свалках [1].

Многократное сокращение объема отходов и перевод их в безопасное для хранения состояние может быть решен, в основном, двумя способами: сжиганием или прессованием с последующим отверждением зольного остатка методом битумирования, цементирования и остекловывания или помещением спрессованных брикетов в бетонные контейнеры большой емкости [2].

Так же существует метод утилизации отработанных ИОС в коксовой батарее. Метод заключается в добавлении смол в качестве добавки к угольной шихте в коксовых печах, загружаемых трамбованной шихтой. Опыты проводили с угольной смесью, используемой при производстве промышленного кокса. Добавка отходов смол к шихте приводит к улучшению прочности кокса по показателям М80 и М40 без ухудшения качественных показателей кокса CRI и CSR. Качество каменноугольной смолы и организованная эмиссия газов остались неизменными, что подтверждает возможность осуществления термического рециклинга отработанных ИОС в качестве добавки (3 %) к угольной шихте при производстве кокса [3].

На Украине разработан новый метод дезактивации отработавших ИОС, загрязненных радионуклидами, ультразвуком. Процесс основан на явлении кавитации в жидкостях, способствующей отделению и растворению загрязняющих пленок, активному подводу к поверхностям свежих порций дезактивирующего раствора, а также возникновению звукокапиллярного эффекта, обусловливающего проникновение раствора в мельчайшие поры. Последнее имеет особое значение для дезактивации отработавших ИОС. В испытаниях использовали отработавшие ИОС исследовательского реактора ИР-100 (СНУЯЭиП) и смолы системы СВО-5 Южно-Украинской атомной электростанции [4].

На базе лаборатории кафедры химико-технологических процессов АЭС проведена серия опытов по растворению отработанных катионитов в перекиси водорода различной концентрации при различных температурных режимах. Для работы был выбран отечественный сильнокислотный катионит марки КУ-2-8, который до недавнего времени был практически единственным катионитом, применяемым в процессе водоподготовки на АЭС, ТЭЦ и других промышленных объектах Украины, подготовлен к работе.

После предварительной подготовки катионит насыщали, чтобы смоделировать ситуацию - «отработанный катионит». Для насыщения катионита был использован 0,05 Н раствор сульфата меди (II). Пропускание раствора производилось со скоростью 5 мл/мин, до момента, когда концентрация ионов меди на входе и на выходе из ионообменной колонки сравняются.

Отработанный катионит разделили на одинаковое количество в семь пробирок, и нагревали на водяной бане с различными концентрациями Н₂О₂. Концентрация перекиси водорода была взята из диапазона 5 - 35 %. Модельный раствор готовили без катионов железа и кобальта двухвалентных, для определения оптимальной концентрации раствора Н₂О₂ для дальнейшей работы с ИОС и ее переработки. Затем готовили раствор с той же концентрацией, добавляя ионы железа и кобальта в качестве каталитических добавок.

При нагревании модельных растворов до 58 градусов происходит изменение окраски. При нагревании до 90 градусов, происходит растворение ионообменной смолы после 7,35 мин. с концентрацией 25 %-го раствора. Результаты представлены на рис. 1 и в таблице 1.

Рисунок 1 - Зависимость времени разложения катионита в
зависимости от концентрации Н₂О₂

При повторении опытов при тех же концентрациях с добавлением катионов железа и кобальта двухвалентных наблюдался при нагревании раствора эффект «кипения» реакционной смеси, но изменений по ускорению растворения ИОС не происходило. При добавлении только катиона кобальта с последующим нагреванием происходили аналогичные процессы. Таким образом, не удалось подтвердить в данной серии экспериментов влияние катионов металлов на ускорение процесса окисления ИОС.

Таблица 1 - Эффективность растворения ИОС в перекиси водорода

Концентрация, %	Объем перекиси, мл	Объем КУ-2-8, мл	Время разложения катионита, мин
5	10	1	9,25
10	10	1	8,5
15	10	1	8,2
20	10	1	8,1
25	10	1	7,35
30	10	1	7,5
35	10	1	8

Выводы

При проведении эксперимента было выявлено, что отработанная ИОС полностью растворяется в растворе перекиси водорода практически любой концентрации, но при нагревании и за различные промежутки времени.

При добавлении катионов железа и кобальта в раствор, содержащий ИОС, не получено положительных результатов в ускорении процесса растворения ионообменных смол для их утилизации.

Литература

1. http://www.iaea.org/inis/search/Chernobyl/Key_documents/37075405.pdf

2. Исследования, разработка технологии и аппаратурно-технологическая схема утилизации отработавших ИОС ПО «Маяк», содержащих радионуклиды: отчет ПО «Маяк» / [Гужавин В.И., Бабинцев Е.С., Гелис В.М., Костюнина Т.В.]. - инв. № 5160. - Озерск, 1995.

3. Васелевски Р. Промышленные опыты по утилизации отработанных ионообменных смол в коксовой батарее / Р. Васелевски, А. Соболевски. - Кокс и химия. М.: Металлургиздат. - № 2, 2011, С. 36 - 40.

4. Балашевская Ю. В. Утилизация отработавших ионообменных смол, загрязненных радионуклидами / Ю.В. Балашевская, В.А. Герлига, Л.И. Терещенко / Сотрудничество для решения проблемы отходов: 9-я Международная конференция, 28 - 29 марта. - Харьков. - 2012. (http:// waste.ua / cooperation / 2012 / balashevskaya.html).