способ переработки отработанной биомассы микроорганизмов, использованной для извлечения радионуклидов и тяжелых металлов

Формула изобретения

1. Способ переработки отработанной биомассы микроорганизмов, использованной для извлечения радионуклидов и тяжелых металлов, включающий их термообработку, отличающийся тем, что термообработку проводят путем сушки при температуре выше 100^oС до получения сухого остатка, который затем обрабатывают избытком азотной или угольной кислот с последующим выделением полученного осадка, последний смешивают с керамизирующим материалом, содержащим кремний и алюминий в соотношении 1,3 - 1,4, и следовым количеством катионов щелочных и щелочноземельных металлов, кальцинируют и полученный кальцинат керамизируют под давлением в присутствии воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве керамизирующего материала используют минералы подгруппы каолинита и группы монтморрилонита.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что азотированный или карбонизированный осадок смешивают с керамизирующим материалом в отношении, при котором масса содержащегося в нем нитрата или карбоната относится к массе керамизирующего материала как 1:1 - 1,5.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что кальцинирование проводят чередующимися перетираниями смеси азотированного или карбонизированного осадка с керамизирующим материалом и отжигом до получения однородной массы постоянного веса.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что отжиг при кальцинировании проводят при 700 - 720^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биологическим методам очистки растворов от радионуклидов и тяжелых металлов и может быть использовано для очистки от них сточных вод, жидких отходов производства, а также твердых и газообразных материалов после приготовления из них растворов, содержащих радионуклиды и тяжелые металлы.

Известен способ утилизации отработанной биомассы организмов, использованной для извлечения тяжелых металлов, включающий ее термообработку (пат. США N 4033763, кл. 75-97, R, 1977). Термическая обработка биомассы по данному способу заключается в ее сжигании.

Недостатком данного способа являются большие выбросы в окружающую среду сорбированных биомассой металлов при ее сжигании.

Известен принятый за прототип способ переработки отработанной биомассы микроорганизмов, использованной для извлечения радионуклидов и тяжелых металлов, включающий ее термообработку путем сушки в условиях естественной конвекции при температуре воздуха не выше 95^oC со скоростью не выше 2 град./мин (RU N 2028678, кл. 6 G 21 F 9/18, 1995 г.).

Однако большие объемы рыхлого сухого остатка биомассы требуют специальных мер по ее компактированию перед захоронением для обеспечения сохранности окружающей среды.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения сохранности окружающей среды путем отверждения отработанной радиоактивной биомассы микроорганизмов для ее дальнейшего надежного захоронения.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе переработки отработанной биомассы микроорганизмов, использованной для извлечения радионуклидов и тяжелых металлов, включающем их термообработку, новым является то, что термообработку ведут при температуре выше 100^oC до получения сухого остатка, который затем обрабатывают избытком азотной или угольной кислот с последующим выделением полученного осадка, последний смешивают с керамизирующим материалом, содержащим кремний и алюминий в соотношении 1.3 - 1.4 и следовым количеством катионов щелочных и щелочноземельных металлов, кальцинируют и полученный кальцинат керамизируют под давлением в присутствии воды.

В качестве керамизирующего материала лучше использовать минералы подгруппы коалинита и группы монтморрилонита.

Азотированный или карбонизированный осадок можно смешивать с керамизирующим материалом в отношении, при котором масса содержащегося в нем нитрата или карбоната относится к массе керамизирующего материала как 1 : 1 - 1,5.

Кальцинирование можно проводить чередующимися перетираниями смеси азотированного или карбонизированного осадка с керамизирующим материалом и отжигом ее до получения однородной массы постоянного веса.

Отжиг при кальцинировании можно проводить при 700 - 720^oC.

Пример 1. 50 мл отработанной биомассы микроорганизмов, содержащей около 10 мас.% радиоактивного Sr, были высушены при температуре выше 100^oC до получения сухого остатка. Микрозондовый анализ показал наличие в сухом остатке 47,5% SrCl₂. В соответствии со стехиометрией в полученный осадок добавили избыток концентрированной азотной кислоты и по окончании бурной реакции после выпаривания получили 226 мл сухого остатка, содержащего 143 мг нитрата стронция. Полученный сухой остаток смешали с керамизирующим материалом, в качестве которого взяли простейший алюмосиликат - коалинит, в соотношении, при котором содержащийся в нем нитрат относится к коалиниту как 1 : 1,5 мас. Полученную смесь кальцинировали путем чередующихся перетираний и отжига при 700^oC до получения однородной массы постоянного веса. Готовый кальцинат, измельченный до 50 мкм поместили в платиновую ампулу, подсушили до постоянной массы, добавили 1 мас.% воды, герметизировали и спекали методом изостатического прессования в газостате в течение 1 суток при температуре 1100^oC и давлении 100 МПа (1 кбар). Полученная керамика имела плотность 2,7 г/см³, пористость 20%.

Полученная керамика представляла аналог природного стронциевого полевого шпата и имела физико-химическое соответствие породам, в которые ее можно захоронить (подобное в подобном). Тест на стабильность (стандарт МАГАТЭ МСС-1) выщелачивания стронция из полевого шпата при 90^oC со сменой воды через 1,7 и 14 суток показал, что скорость выщелачивания через 22 суток составила 0,2 г/м² сутки, что на порядок ниже, чем из боросиликатного стекла.

Пример 2. 50 мл отработанной биомассы микроорганизмов, содержащей около 10 мас. % радиоактивного цезия Cs, были высушены при температуре выше 100^oC до получения сухого остатка. Микрозондовый анализ показал наличие в сухом остатке 42,25% CsCl. В соотношении со стехиометрией в полученный осадок добавили избыток концентрированной угольной кислоты и по окончании бурной реакции после выпаривания получили 226 мл сухого остатка, содержащего 163 мг карбоната цезия. Полученный осадок смешали со 163 мг керамизирующего материала, в качестве которого взяли коалиновую вату (соотношение массы карбоната и массы коалиновой ваты 1 : 1). Полученную смесь кальцинировали путем чередующихся перетираний и отжига при 720^oC до получения однородной массы постоянного веса. Готовый кальцинат поместили в платиновую ампулу, подсушили до постоянного веса, добавили 1 мас.% воды, герметизировали и спекали методом горячего прессования в установке высокого давления в течение 3 суток при 700^oC и 100 МПа (1 кбар). Полученная керамика имела плотность 2,72 г/см³, пористость 12%.

Полученная керамика представляла аналог природного поллуцита и имела фазово-химическое соответствие породам, в которые ее можно захоронить (подобное в подобном).

Тест на стабильность (стандарт МАГАТЭ МСС-1) выщелачивания цезия из поллуцита при 90^oC со сменой воды через 1,7 и 14 суток показал, что скорость выщелачивания через 22 суток составила 0,15 г/м² сутки.

Подобным же образом можно осуществить фиксацию из высокоактивных отходов изотопов других щелочных и щелочноземельных элементов, получая различные формы полевых шпатов.

Пример 3. То же, что и в примере 1, только в качестве керамизирующего материала был взят бейделлит (минерал группы монтморрилонита). Полученная керамика имела плотность 2,72 г/см³, пористость 12%.

Полученная керамика представляла аналог природного стронциевого полевого шпата и имела фазово-химическое соответствие породам, в которые ее можно захоронить (подобное в подобном).

Тест на стабильность (стандарт МАГАТЭ МСС-1) выщелачивания Sr из стронциевого полевого шпата при 90^oC со сменой воды через 1,7 и 14 суток показал, что скорость выщелачивания через 22 суток составила 0,15 г/м² сутки.

Подобным же образом можно осуществить фиксацию из высокоактивных отходов изотопов других щелочных и щелочноземельных элементов, получая различные формы полевых шпатов.