способ локализации отработанных ионообменных смол

Формула изобретения

Способ локализации отработанных ионообменных смол путем включения их в твердую матрицу, отличающийся тем, что в матрицу включают гранулированные, порошковые или молотые отработанные ионообменные смолы в Na-форме или Н-форме, в сухом или влажном состоянии, а в качестве основы для матрицы используют смесь из молотого до фракции менее 0,075 мм доменного шлака и хризотил-асбеста в количестве 5 мас.%, которую затворяют раствором гидроксида натрия концентрацией 100-150 г/л.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки и обезвреживания жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности и может быть использовано преимущественно в атомной энергетике и на радиохимических производствах, где образуются отходы отработанных ионообменных смол (ОИОС). Изобретение может быть использовано для надежной локализации ОИОС.

В настоящее время основным способом локализации радиоактивных ОИОС является их включение в цементную, битумную или полимерную матрицы. Несмотря на то, что битумный и полимерный компаунды отличаются высокой степенью включения (до 40-50 мас.%) отработанных смол в матрицу, цементирование имеет определенные преимущества: получаемый компаунд негорючий и отличается высокой радиационной стойкостью, а технология проста и имеет относительно низкую себестоимость. Однако при отверждении ОИОС в портландцемент полученный компаунд характеризуется низкой степенью включения смол в матрицу (около 10 мас.%).

На АЭС Ringhals (Швеция) частично обезвоженные смолы в нейтрализованной (Na-форме) с остаточной влажностью 40-45% цементируют совместно с концентратами выпарных установок. Ионообменные смолы дозируются из расчета конечного содержания в компаунде 12-14 мас.% [Treatment of Spent Ion-Exchange Resins for Storage and Disposal. Final report of an IAEA co-ordinated research programme. Technical Reports Series №254, IAEA, Vienna, 1985, с.104].

Наиболее близким к предлагаемому способу локализации ОИОС является способ переработки ионитов, включающий предварительную обработку смолы гидроксидом натрия, смешивание с водой и минеральным связующим [Патент РФ №2089950 «Способ переработки радиоактивных ионообменных смол» С1, кл. G 21 F 9/30, опубл. 10.09.1997]. В данный состав включается до 18 мас.% нейтрализованных смол (в натриевой форме) в пересчете на сухой ионит, при этом полученная матрица удовлетворяет нормативным требованиям по механической прочности.

Недостатками данного способа является относительно невысокая степень наполнения компаунда ОИОС и ограничение условий применимости метода (включение нейтрализованных смол).

Целью изобретения является:

- повышение степени наполнения компаунда ОИОС;

- расширение границ применимости метода цементирования, заключающееся в возможности локализовать как цельные ОИОС (в прототипе), так и молотые, как кислые (например, после регенерации), так и нейтрализованные (в натриевой форме);

- расширение диапазона связующих, пригодных для фиксации в них ОИОС.

Поставленная задача достигается тем, что для локализации ОИОС предлагается использовать гранулированный доменный шлак, представляющий собой отход металлургического производства, размолотый до фракции менее 0,075 мм, и хризотил-асбест в количестве 5 мас.% в качестве армирующей добавки для повышения прочности компаунда. Затворение клинкера проводится раствором щелочи с концентрацией 100-150 г/л. Предложенный способ позволяет отверждать ОИОС в цельном, молотом, влажном, сухом, кислом (Н-форме) и нейтрализованном (Na-форма) виде.

Способ локализации отработанных ионообменных смол осуществляется следующим образом:

- размол доменного шлака до фракции менее 0,075 мм;

- смешивание молотого доменного шлака с хризотил-асбестом в количестве 5 мас.%;

- смешивание смеси молотого доменного шлака и хризотил-асбеста с молотой, порошковой или гранулированной смолами;

- затворение смеси раствором гидроксида натрия с концентрацией 100-150 г/л;

- перемешивание цементоподобного теста до получения однородной массы;

- разливка однородной цементоподобной массы в контейнер для последующего длительного хранения;

- твердение не менее 28 суток.

Оптимальное количество хризотил-асбеста для армирования компаунда определено в результате серии испытаний. Результаты данных исследований представлены в таблицах 1 и 2. Из таблицы 1 видно, что введение хризотил-асбеста в количестве 2, 10 и 15 мас.% менее эффективно, чем введение добавки в количестве 5 мас.%.

Таблица 1 - Прочность на сжатие компаунда при отверждении влажной (45%) ионообменной смолы КУ-2 в Н-форме
№ образца		Состав клинкера		Средний показатель прочности, кгс/см2
1		Шлак - 88%, ИОС - 10%, Асбест - 2%		191
2		Шлак - 83%, ИОС - 15%, Асбест - 2%		142
3		Шлак - 78%, ИОС - 20%, Асбест - 2%		95
4		Шлак - 85%, ИОС - 10%, Асбест - 5%		244
5		Шлак - 80%, ИОС - 15%, Асбест - 5%		183
6		Шлак - 75%, ИОС - 20%, Асбест - 5%		109
7		Шлак - 70%, ИОС - 25%, Асбест - 5%		154
8		Шлак - 65%, ИОС - 30%, Асбест - 5%		133
9		Шлак - 80%, ИОС - 10%, Асбест - 10%		218
10		Шлак - 75%, ИОС - 15%, Асбест - 10%		149
11		Шлак - 70%, ИОС - 20%, Асбест - 10%		96
12		Шлак - 65%, ИОС - 25%, Асбест - 10%		168
13		Шлак - 60%, ИОС - 30%, Асбест - 10%		138
14		Шлак - 75%, ИОС - 10%, Асбест - 15%		238
15		Шлак - 70%, ИОС - 15%, Асбест - 15%		211
16		Шлак - 65%, ИОС - 20%, Асбест - 15%		183
17		Шлак - 65%, ИОС - 25%, Асбест - 15%		152
18		Шлак - 55%, ИОС - 30%, Асбест - 15%		132
Таблица 2 - Прочность на сжатие компаунда при отверждении молотой (0,2-0,3 мм), влажной (45%) ионообменной смолы КУ-2 в Na-форме
№	Состав клинкера		Средний показатель прочности, кг/см2
1	Шлак - 75%, ИОС - 20%, Асбест - 5%		161,5
2	Шлак - 70%, ИОС - 25%, Асбест - 5%		146,5
3	Шлак - 65%, ИОС - 30%, Асбест - 5%		158
4	Шлак - 60%, ИОС - 35%, Асбест - 5%		94,8
5	Шлак - 55%, ИОС - 40%, Асбест - 5%		81,5
6	Шлак - 50%, ИОС - 45%, Асбест - 5%		92,8
7	Шлак - 45%, ИОС - 50%, Асбест - 5%		50,2
8	Шлак - 70%, ИОС - 20%, Асбест - 10%		168,75
9	Шлак - 65%, ИОС - 25%, Асбест - 10%		113,13
10	Шлак - 60%, ИОС - 30%, Асбест - 10%		127,75
11	Шлак - 55%, ИОС - 35%, Асбест - 10%		88,25
12	Шлак - 50%, ИОС - 40%, Асбест - 10%		83
13	Шлак - 45%, ИОС - 45%, Асбест - 10%		67
14	Шлак - 40%, ИОС - 50%, Асбест - 10%		61,5

Пример 1 конкретного выполнения.

45 г ионообменных смол в Na-форме с относительной влажностью 45 мас.% (25 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы) смешивают с 50 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного компаунда составляет в среднем 54 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 19,2% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 2

45 г ионообменных смол в Na-форме с относительной влажностью 45 мас.% (25 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы), предварительно измельченных до фракции 0,2-0,3 мм, смешивают с 50 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного компаунда составляет в среднем 75 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 19,2% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 3

50 г предварительно высушенных ионообменных смол в Na-форме смешивают с 40 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного монолита составляет 65 кгс/см ². Степень наполнения компаунда составляет 38,5% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 4

60 г предварительно высушенных ионообменных смол в Na-форме, измельченных до фракции 0,2-0,3 мм, смешивают с 35 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного монолита составляет 60 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 46,2% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 5

30 г ионообменных смол в Н-форме с относительной влажностью 45 мас.% (16,5 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы) смешивают с 65 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 150 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного компаунда составляет в среднем 70 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 12,7% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 6

35 г ионообменных смол в Н-форме с влажностью 45 мас.% (19,25 г ионообменных смол в пересчете на сухие смолы), предварительно измельченных до фракции 0,2-0,3 мм, смешивают с 60 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 150 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного компаунда составляет в среднем 70 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 14,8% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 7

40 г предварительно высушенных ионообменных смол в Н-форме смешивают с 55 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 150 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного монолита составляет 62 кгс/см. Степень наполнения компаунда составляет 30,8% (в пересчете на сухие смолы).

Пример 8

45 г предварительно высушенных ионообменных смол в Н-форме, измельченных до фракции 0,2-0,3 мм, смешивают с 50 г доменного шлака, молотого до фракции менее 0,075 мм, и 5 г хризотил-асбеста. Полученную смесь затворяют раствором щелочи NaOH с концентрацией 100 г/л, перемешивают до получения однородной массы. Смесь разливают в формы. После набора прочности во влагонасыщенных условиях в течение 28 суток образцы расформовывают. Механическая прочность на сжатие полученного монолита составляет 70 кгс/см². Степень наполнения компаунда составляет 34,6% (в пересчете на сухие смолы).

На чертеже показаны зависимости прочности компаунда от содержания смолы в исходном клинкере для различных вариантов локализации ионообменных смол.

Таким образом, предложенный способ позволяет надежно локализовать отработанные ионообменные смолы в твердую матрицу, повысить степень наполнения компаунда, расширить границы применимости метода цементирования, расширить диапазон связующих, пригодных для фиксации в них отработанных смол, повысить экономичность метода цементирования путем использования дешевых связующих.