способ переработки альфа-активных азотно-кислых растворов, содержащих трехвалентное железо

Формула изобретения

1. Способ переработки азотно-кислых альфа-активных растворов, содержащих трехвалентное железо, включающий предварительную упарку перерабатываемого раствора с получением регенерированной азотной кислоты и кубового остатка, его нейтрализацию до рН 1-2, частичное восстановление трехвалентного железа сульфитом натрия до соотношения между валентными формами Fe³⁺:Fe²⁺=2:1, последующую нейтрализацию щелочью до рН 10-11, образование осадка магнетита, который после отстаивания направляется на отверждение, декантацию раствора, магнитную сепарацию декантата и направление декантата на дополнительную очистку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительную очистку проводят ионным обменом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки и обезвреживания жидких радиоактивных отходов (ЖРО) среднего уровня активности и может быть использовано преимущественно на радиохимических производствах, где образуются растворы с высоким содержанием железа. В действующем процессе химико-металлургического производства плутония образуются кислые растворы с высоким (1-7 г/л) содержанием железа(III). В настоящее время данные отходы перерабатывают, нейтрализуя раствор щелочью. Выпадающий осадок гидратно-шламовой пульпы отправляют на хранение для последующей переработки. Недостатком данного способа является образование большого количества (до 30% от суммарного объема) гидратно-шламовых пульп, подлежащих дальнейшей локализации.

Известен способ обезвреживания жидких радиоактивных отходов, основанный на осаждении гидроксида железа [Кузнецов Ю.В., Щебетковский В.Н., Трусов А.Г. Основы дезактивации воды, 1968, М., Атомиздат, стр.80-88]. Однако пульпа гидроксида железа имеет относительно большой объем. Осадок смешанного оксида железа (магнетита) имеет кристаллическую структуру и поэтому обладает более высокой плотностью, лучшими седиментационными и фильтрационными свойствами, чем осадок гидроксида железа, что позволяет получить меньший объем вторичных отходов [Радовенчик В.М., Коростятинец В.Д., Иваненко Е.И. Исследование эффективности выделения ионов железа из водных растворов ферритным методом -Химия и технология воды, 2001, т.23, №2, стр.172-176; Кленышева Л.Д., Задорожная А.Б., Бунтури И.Н. Методы интенсификации разделения суспензии гидроксидов железа - Экотехнологии и ресурсосбережение, 1994, №5-6, стр.87-91].

Наиболее близким к предлагаемому является способ очистки альфа-активных ЖРО, заключающийся в формировании осадка магнетита смешиванием растворов двух и трехвалентного железа в соотношении Fe³⁺:Fe²⁺=2:1, введением полученного осадка магнетита в перерабатываемый раствор с последующей корректировкой рН обрабатываемого раствора до рН более 9, седиментацией осадка магнетита и декантацией очищенного раствора [Simidzy К. Waste water treatment by ferritization. - Chemical Economy And Engineering Review, 1975, vol.7, №7, p.32-37].

Недостатком данного способа является то, что для очистки кислых растворов химико-металлургического производства потребуется введение значительного количества двухвалентного железа, что приведет к увеличению общего количества отходов и сведет преимущества данного способа к минимуму.

Задачей изобретения является очистка азотнокислых альфа-активных растворов, снижение объема вторичных отходов, подлежащих дальнейшей локализации, сокращение количества щелочи, требующейся для нейтрализации.

Поставленная задача решается способом, включающим упарку перерабатываемого раствора, в результате которой получают регенерированную азотную кислоту, возвращаемую в процесс, и кубовый остаток, в котором локализованы химические и радиоактивные компоненты. Для корректировки рН до 1-2 в кубовый остаток дозируют щелочь, а затем вводят сульфит натрия для восстановления Fe³⁺ до Fe²⁺. Восстановитель дозируют в таком количестве, которое позволяет получить соотношение валентных форм Fe ³⁺:Fe²⁺=2:1. Полученный раствор нейтрализуется щелочью до рН 10-11. В результате нейтрализации образуется осадок магнетита и происходит очистка раствора от радионуклидов. После отстаивания осадок направляют на отверждение, а раствор декантируют и направляют на дополнительную очистку известными способами, например сорбционными. Поскольку магнетит обладает хорошими магнитными свойствами, предлагается перед дополнительной очисткой использовать магнитную сепарацию для гарантированной очистки декантата от частиц магнетита.

В таблице показаны характеристики осаждения смешанных оксидов железа, приготовленных химическим путем, для различных соотношений между Fe²⁺ и Fe³⁺ и для различных значений рН.

Таблица Изменение объема пульпы в зависимости от соотношения между валентными формами железа и рН раствора
РН	Соотношение Fe3+ :Fe2+	Объем пульпы, % от исходного объема раствора
10	10	35
10	4	22
10	2	13
10	0,67	30
10	0,29	35
8	2	30
9	2	27
10	2	13
11	2	16

Отличительной особенностью данного способа от прототипа является частичное восстановление трехвалентного железа, присутствующего в растворе, что дает возможность отказаться от введения солей двухвалентного железа и снизить объем вторичных отходов, подлежащих отверждению, а следовательно, и затрат на последующее хранение (захоронение). Кроме того, за счет регенерации азотной кислоты сокращается количество щелочи, требующейся для нейтрализации раствора.

Пример

Азотнокислый альфа-активный раствор с содержанием [НNO₃]=380 г/л, [Fe³⁺]=4 г/л, общей альфа-активностью ~ 1·10⁸ Бк/л, общей бета-активность ~ 1·10⁷ Бк/л подается на упарку, для того чтобы частично вернуть в производство азотную кислоту и снизить расход щелочи на последующую нейтрализацию.

В результате упарки получаются два раствора: регенерированная азотная кислота, возвращаемая в производство и кубовый остаток, направляемый на дальнейшую переработку.

В кубовый остаток со средним составом [НNО₃]=180 г/л, [Fe³⁺]=6 г/л, альфа-активностью ~ 1,5·10⁸ Бк/л, бета-активностью ~ 1,5·10⁷ Бк/л вводят щелочь для корректировки рН до 1-2 (концентрация свободной кислоты 0,6-6,0 г/л). В полученный раствор вводится раствор сульфита натрия для частичного восстановления трехвалентного железа. Количество восстановителя вводится с расчетом, чтобы соотношение между валентными формами железа соответствовало отношению Fe³⁺:Fe²⁺=2:1. Полученный раствор затем нейтрализуется щелочью до рН=10-11. После отстаивания осадка магнетита очищенный раствор со средним составом [НаNO₃ ]=250 г/л, альфа-активностью ~ 1·10² Бк/л, бета-активностью ~ 1·0² Бк/л декантируют, подвергают магнитной сепарации для полного удаления частиц магнетита и отправляют на дополнительную очистку совместно с низкоактивными отходами, а пульпу с альфа-активностью ~ 1·10⁹ Бк/л, бета-активностью ~ 1·10⁸ Бк/л отправляют на отверждение известными методами, например цементированием.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить регенерированную азотную кислоту, возвращаемую в производство, сократить количество щелочи, требующейся для нейтрализации перерабатываемого раствора, и снизить объем вторичных отходов в виде пульпы, подлежащей дальнейшей локализации.