способ защиты природных вод от радиоактивных и токсичных веществ из хранилищ жидких отходов

Формула изобретения

1. Способ защиты природных вод от радиоактивных и токсичных веществ из хранилищ жидких отходов, заключающийся в создании на путях миграции противофильтрационного барьера путем нагнетания в скважины гелеобразующего раствора, отличающийся тем, что гелеобразующий раствор получают путем кислотного разложения породы группы ийолита - уртита, причем для разложения породы используют 10-15%-ную азотную кислоту, при соотношении порода:кислота - 1:10-1:20, при времени разложения 2-2,5 ч, при температуре 40°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время гелеобразования регулируют степенью разбавления гелеобразующего раствора и значением рН.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, касается создания изолирующих противофильтрационных барьеров и может быть использовано для предотвращения загрязнения территорий радиоактивными и токсичными веществами в зонах размещения хранилища отходов.

Жидкие радиоактивные отходы радиохимической промышленности, полученные при переработке облученного ядерного топлива, направляют на хранение в глубинные или поверхностные хранилища.

Известен способ хранения жидких радиоактивных отходов в открытых искусственно созданных бассейнах [1] (Вторая Российская конференция по радиохимии. Сборник тезисов докладов. Димитровград, 1997, с.111). Конструктивно они представляют собой специальные гидротехнические сооружения, по дну и откосам которых уложен противофильтрационный экран из многослойно укатанной глины (толщиной до 1,5 м). Борта хранилищ укреплены поверх экрана бетонными плитами. На дно хранилищ уложен защитный песчаный слой (до 1,3 м). Глиняный экран и пригрузочный слой из песка надежно изолируют водоносный горизонт от попадания в него радиоактивных и токсичных веществ.

Недостатком известного способа является то, что открытая поверхность является источником загрязнения радионуклидами прибрежной зоны за счет аэрозольного уноса и сезонных переливов. Кроме того, возможно загрязнение геологической среды в случае нарушения целостности защитных экранов бассейнов.

Известен способ предотвращения загрязнения геологической среды токсичными и радиоактивными металлами [2] (Патент России, RU 2075125 С1, 10.03.97), который включает формирование техногенного геохимического барьера на пути миграционных потоков металлоносных вод.

В этом способе барьер состоит из буферного слоя (преимущественно из сульфидов) и непосредственно барьера из гранулированных мелкодисперсных глин. Недостатком известного способа является то, что такой барьер не предотвращает фильтрации загрязненных растворов. При этом в начальный период очистка загрязненных растворов от токсичных и радиоактивных веществ может быть достаточной, но со временем, по достижении сорбционной емкости, эффективность барьера будет падать, через него будет проходить неочищенный загрязненный раствор и цель не будет достигнута.

Известен способ рекультивации почв, загрязненных радионуклидами [3] (Патент России, RU 2028016 С1, 27.01.95). Способ предназначен для предотвращения попадания флюидов в окружающую среду. Согласно этому способу в поверхностном почвенном слое бурят скважины, возбуждают в них мощные вибрационные колебания в диапазоне 60-1500 Гц и одновременно нагнетают в почву и грунт разупрочняющие растворы. Затем переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний почвы и грунта, и одновременно нагнетают раствор цеолита с добавкой 5-10% вяжущего. Создают до водоносного слоя в грунте три слоя цеолита, которые поглощают радионуклиды и предотвращают попадание радиоактивных загрязнений в реки, озера и грунтовые воды.

Недостаток известного способа, так же как и в предыдущем случае, заключается в том, что такой барьер не предназначен для предотвращения фильтрации раствора, и, кроме того, реализация способа сложна, особенно, когда загрязнен не только почвенный слой, но и водонасыщенные горизонты и загрязнение носит объемный характер.

Известен способ создания искусственного геохимического барьера для удержания тяжелых металлов, мигрирующих в техногенно-загрязненных потоках [4] (Патент России, RU 2050334 С1, 20.12.95). На пути миграции потока создают поглотительный барьер путем бурения цепи скважин на расстоянии 4-5 м, в которые нагнетают растворы, с временем гелеобразования 1-1,5 ч, формирующие гель, например щавелево-алюмосиликатный, поглощающий тяжелые металлы.

По технической сущности и достигаемому положительному эффекту этот способ является наиболее близким к заявляемому техническому решению и взят нами в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что барьер частично проницаем для жидкого потока (коэффициент фильтрации 1·10^-2 -5·10^-3 м/сут) и сорбционное насыщение происходит достаточно быстро, за 50-85 суток, что ограничивает срок действия данного барьера по своему прямому назначению.

Целью предлагаемого изобретения является создание в водонасыщенном пористом горизонте противофильтрационного барьера, ограничивающего или изменяющего направление загрязненного радиоактивными и токсичными веществами водного потока и предотвращающего загрязнение природных вод и пород.

Это достигается тем, что на пути мигрирующего потока за пределами источника загрязнения создают противофильтрационный барьер путем нагнетания в скважины гелеобразующего раствора, причем в качестве гелеобразующего раствора используют раствор кислоторастворимых продуктов разложения пород группы ийолита - уртита. Для разложения породы применяют 10-15% азотную кислоту. Соотношение порода: кислота составляет 1:10-1:20, время разложения 2-2,5 ч; t=40°C. В результате получают раствор, содержащий ионы алюминия, щелочных, щелочноземельных и переходных элементов, а также ортокремневую кислоту. Образование плотного геля в поровом пространстве породы происходит за счет полимеризации ортокремневой кислоты, адсорбции гидратированного алюминия и катионов Са, Mg, Fe на поверхности кремнезема в процессе формирования геля и образования между ними соединения, имеющего низкую растворимость.

Время полимеризации раствора регулируется степенью разбавления раствора, величиной рН раствора и устанавливается, исходя из условий применения.

Для определения переноса радионуклидов через барьер из полимерного алюмокремниевого геля, включающего катионы Са, Mg и Fe, использовали колонку из тефлона, диаметром 5 см, высотой 50 см. В колонку на высоту 30 см загружали песчаную породу, отобранную из проницаемого горизонта, вмещающего хранилище жидких радиоактивных отходов. Вес породы 1050 г. Породу насыщали природной водой, а затем, с помощью шприцевого дозатора, вводили гелеобразующий раствор. После образования плотного геля колонку доверху заполняли природной водой, содержащей радионуклиды: Т, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²³⁹Pu. Затем колонку герметично закрывали для полного исключения испарения. Продолжительность эксперимента составляла 1 год. По истечении этого времени не обнаружено следов радионуклидов на выходе из колонки. Следовательно, перенос радионуклидов через барьер возможен только по механизму молекулярной диффузии. Для определения такого переноса породу послойно извлекали из колонки и определяли в каждом слое концентрацию радионуклидов, на основании которых были рассчитаны значения кажущихся коэффициентов диффузии (D _a).

Полученные значения D_a составляют (м²/сек): для Т - 1,4·10 ^-8, ⁹⁰Sr - 6,5·10 ^-9, ¹³⁷Cs- 7,9·10 ^-10, ²³⁹Pu - 3,4·10 ^-11. Эти значения D_a соизмеримы с данными, полученными для плотных глиняных экранов, что свидетельствует о высоких задерживающих свойствах полимерного барьера по отношению к радионуклидам.

Таким образом, заявленный способ обеспечивает создание противофильтрационного барьера в результате образования Si-Al-Ca-Mg-Fe-содержащего полимера, формирующего гель непосредственно в поровом пространстве породы.

Пример 1.

Участок противофильтрационного барьера создавали в зоне аэрации, моделируя протечку загрязненных вод из поверхностных хранилищ отходов. На чертеже приведена схема расположения скважин и шурфов, сооруженных для определения изменения фильтрационных свойств пород зоны аэрации при организации противофильтрационного барьера, где 1, 2 - скважины для нагнетания гелеобразующего раствора, 3, 4 - шурфы с замерными емкостями для заполнения индикаторным раствором хлорида натрия.

В нагнетательные скважины (1, 2), оборудованные перфорацией на глубине 1,5-2,5 м, расстояние между которыми составляло 1,6 м, закачено по 1 м³ воды для обводнения песков зоны аэрации, а через 1 ч - по 0,7 м³ гелеобразующего раствора, полученного разложением породы группы ийолита - уртита 10% азотной кислотой в течение 2,5 ч при соотношении порода: кислота - 1:10, при температуре 40°С.

Через 36 часов, необходимых для полного формирования полимерного геля (12°С), между скважинами в зоне, где образовался противофильтрационный барьер, сооружен шурф (3) и на расстоянии 2 м от нагнетательной скважины в неизмененной зоне - другой шурф (4). На дно шурфов установлены цилиндрические замерные емкости, дно шурфов вокруг емкости цементировали.

Замерные емкости обоих шурфов заполняли индикаторным раствором хлорида натрия (2 г/л), что имитировало поступление загрязненных вод. Выбор хлорид-иона связан с его высокой миграционной способностью и низкой концентрацией в природных водах участка (10 мг/л). Затем выполнена серия замеров уровней в емкостях и пьезометрах обоих шурфов.

Через 30 часов уровень жидкости в шурфе (4) снизился практически до нуля, а в шурфе (3) на 4,5 см. Анализ содержания хлорид-иона в межпоровой жидкости под обоими шурфами показал, что под шурфом (4) хлорид-ион обнаружен в концентрациях до 70 мг/л на глубине 40-45 см, а под шурфом (3) - только на глубине 0-5 см (до 45 мг/л).

Значение коэффициента фильтрации неизмененных песков зоны аэрации составляет 5,8·10 ^-2 м/сут, а для грунта, защищенного противофильтрационным барьером, - 3,0·10^-4 м/сут. Эта величина приближается к критерию для идеального барьера (˜8,5·10 ^-5 м/сут), что свидетельствует о высоких противофильтрационных свойствах созданного участка барьера.

После года наблюдений не отмечено изменений противофильтрационных свойств созданного участка барьера (в условиях Сибирского химического комбината).

Пример 2.

Участок противофильтрационного барьера создавали в зоне аэрации, моделируя протечку загрязненных вод из поверхностных хранилищ отходов.

Схема расположения скважин и шурфов такая же, как в примере 1.

В нагнетательные скважины (1, 2), оборудованные перфорацией на глубине 1,5-2,5 м, расстояние между которыми составляло 1,6 м, закачено по 1 м³ воды для обводнения песков зоны аэрации, а через 1 ч - по 0,7 м³ гелеобразующего раствора, полученного разложением породы группы ийолита - уртита 15% азотной кислотой в течение 2 ч при соотношении порода: кислота - 1:20, при температуре 40°С.

Через 48 часов, необходимых для полного формирования полимерного геля (12°С), между скважинами в зоне, где образовался противофильтрационный барьер, сооружен шурф (3) и на расстоянии 2 м от нагнетательной скважины в неизмененной зоне - другой шурф (4). На дно шурфов установлены цилиндрические замерные емкости, дно шурфов вокруг емкости цементировали.

Замерные емкости обоих шурфов заполняли индикаторным раствором хлорида натрия (2 г/л), что имитировало поступление загрязненных вод.

Выбор хлорид-иона связан с его высокой миграционной способностью и низкой концентрацией в природных водах участка (10 мг/л). Затем выполнена серия замеров уровней в емкостях и пьезометрах обоих шурфов.

Через 30 часов уровень жидкости в шурфе (4) снизился практически до нуля, а в шурфе (3) на 4,5 см. Анализ содержания хлорид-иона в межпоровой жидкости под обоими шурфами показал, что под шурфом (4) хлорид-ион обнаружен в концентрациях до 70 мг/л на глубине 40-45 см, а под шурфом (3) - только на глубине 0-5 см (до 45 мг/л).

Значение коэффициента фильтрации неизмененных песков зоны аэрации составляет 5,8·10^-2 м/сут, а для грунта, защищенного противофильтрационным барьером, - 1,5·10^-4 м/сут. Эта величина приближается к критерию для идеального барьера (˜8,5·10 ^-5 м/сут), что свидетельствует о высоких противофильтрационных свойствах созданного участка барьера.

После года наблюдений не отмечено изменений противофильтрационных свойств созданного участка барьера (в условиях Сибирского химического комбината).

Заявленный способ можно использовать в районах расположения существующих поверхностных и глубинных хранилищ жидких и твердых радиоактивных и токсичных отходов радиохимических производств и атомных станций.