Способ керамизации концентрата редкоземельных элементов

 

Способ керамизации концентрата редкоземельных элементов относится к области переработки и захоронения радиоактивных отходов ядерного топливного цикла и может быть использован для их фиксации в керамические матричные материалы. Достигаемый технический результат заключается в использовании простой технологии отверждения концентрата редкоземельных элементов с применением недорогого и легкодоступного исходного сырья, обеспечивающей повышение сохранности окружающей среды за счет создания многобарьерных защитных композиций и соблюдения принципа фазового и химического соответствия в системе матрица-вмещающая порода. Способ керамизации концентрата редкоземельных элементов включает осаждение ортофосфатов редкоземельных элементов из их концентрата, прокаливание полученной суспензии, смешивание полученного осадка с магматическими горными породами, содержащими кварц и минералы, кристалло-химические структуры которых способны к изоморфному вхождению в них редкоземельных элементов, перетирание смеси до гомогенного состава, прессование ее при комнатной температуре и обжиг при температуре 950-1050oС до получения керамики. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов ядерного топливного цикла и может быть использовано для их фиксации в керамические матричные материалы.

Известен способ включения высокоактивного концентрата редкоземельных элементов в устойчивую однофазную керамику на основе диоксида циркония путем смешения исходного концентрата с нитратом цирконила и кальцинирования полученной смеси с дальнейшим горячим прессованием кальцината (патент РФ N 2034345, МКИ 21 F 9/ 16, опуб. 95 г.) Недостатком этого способа является применение сложного высокотемпературного прессового оборудования и отсутствие ориентации матрицы на захоронение в какой-нибудь конкретной горной породе, что не обеспечивает надежности сохранности окружающей среды.

Известен способ керамизации концентрата редкоземельных элементов (принятый за прототип), включающий осаждения ортофосфатов РЗЭ из их концентрата - кислого раствора нитратов РЗЭ, добавление концентрированного раствора нитрата свинца, прокаливания до получения кальцината при температуре 800oC полученной суспензии ортофосфатов в азотной кислоте, компактирование полученного осадка методом горячего прессования при температуре 1000oC, давлении 300 кг/см2 и времени выдержки 1 час (патент РФ N 2062519, МКИ 21 F 9/16, опуб. 96 г.) Однако этот способ обладает теми же недостатками, что и описанный выше.

Задачей настоящего изобретения является использование простой технологии отверждения концентрата редкоземельных элементов с применением недорогого и легкодоступного исходного сырья, обеспечивающего повышение сохранности окружающей среды, за счет создания многобарьерных защитных композиций и соблюдения принципа фазового и химического соответствия в системе матрица - вмещающая порода.

Для решения этой задачи в способе керамизации концентрата редкоземельных элементов, включающем осаждение ортофосфатов редкоземельных элементов из их концентрата, прокаливание полученной суспензии и компактирование полученного осадка, новым является то, что после прокаливания полученный осадок смешивают с магматическими горными породами, содержащими кварц и минералы, кристалло-химические структуры которых способны к изоморфному вхождению в них редкоземельных элементов, смеси перетирают до гомогенного состава, прессуют при комнатной температуре и обжигают при температуре 950-1050oC до получения керамики.

Прокаливание лучше осуществлять при температуре 400-500oC. Полученные после прокаливания ортофосфаты желательно смешивать с горными породами в весовом соотношении 1:1-3.

Перечисленная совокупность действий приводит к появлению кварц-полевошпатового расплава между зернами шихты (зернами силикатов и ортофосфатов), на границах которых через расплав идет диффузия РЗЭ и межгранулярная расплавная цементация. При более низкой температуре обжига керамика получается рыхлой и нестойкой к выщелачиванию, а при более высокой преобразуется в тоже нестойкое - термически и химически - стекло.

Таким образом, полученные керамические матрицы представляют из себя многобарьерные композиции из монацитов (ортофосфатов РЗЭ) и РЗЭ-содержащих минералов, которые сами по себе являются барьером для потери радионуклидов, т. к. связывает их химически, силикатов, которые препятствуют диффузии элементов, третьим барьером будут служить вмещающие породы, с которыми синтезированная керамика будет находиться в фазовом и химическом равновесии.

Пример 1. Способ проверяли в лабораторных условиях на модельном концентрате РЗЭ, в который добавляли стехиометрическое количество ортофосфорной кислоты. Полученную суспензию ортофосфатов металлов в азотной кислоте высушивали и прокаливали при 400oC в течение 0,5 часов до распада азотной кислоты. Полученный осадок смешивали с гранитом (магматической горной породой, содержащей кварц и пертитовый полевой шпат*) в весовом соотношении 1:1, растирали в ступке до однородного состава, а затем спрессовывали при комнатной температуре в таблетки при помощи ручного пресса. Полученные таблетки спекали в платиновых тиглях в течение 3 суток при 1050oC в электронагревательной печи КО-14. Полученные образцы керамики имели состав, отвечающий природному натронортоклазу в смеси с ортофосфатами РЗЭ, плотность 2.68 г/см3. Содержание РЗЭ в полученной керамике 16.9 вес.%. Скорость выщелачивания РЗЭ в дистиллированную воду при температуре 90oC на 50-е сутки10-4(0,00278) г/м2сутки.

Пример 2. То же, что и в примере 1. Полученную суспензию ортофосфатов металлов в азотной кислоте высушивали и прокаливали при 500oC в течение 0,5 часов до распада азотной кислоты. В качестве горной породы, смешиваемой с прокаленными ортофосфатами РЗЭ, брали туф (магматическую горную породу, содержащую кварц, альбит* и кроссит*) в весовом соотношении к ортофосфатам 3:1. Таблетки спекали в платиновых тиглях в течение 3 суток при 950oC в электронагревательной печи КО-14. Полученные образцы керамики имели состав, отвечающий природному авгиту (минералу группы пироксена) в смеси с ортофосфатами РЗЭ, плотность 2.89 г/см3. Содержание РЗЭ в полученной керамике 25.8 вес.%. Скорость выщелачивания РЗЭ в дистиллированную воду при температуре 90oC на 50-е сутки10-4(0,00305)г/м2сутки.

Пример 3. То же, что и в примере 1, только в качестве горной породы, смешиваемой с прокаленными ортофосфатами РЗЭ, брали апатитовую руду (магматическую горную породу, содержащую кварц, нефелин* и апатит*) в весовом соотношении к ортофосфатам 2:1. Таблетки спекали в платиновых тиглях в течение 3 суток при 1000oC в электронагревательной печи КО-14. Полученные образцы керамики содержат ортофосфаты РЗЭ и фазу, структурно подобную кентролиту - диортосиликату R2M2(Si2O7)O2, где R - крупные двухзарядные ионы РЗЭ, а М - небольшие трехзарядные. Плотность образцов = 2.89 г/см3. Содержание РЗЭ в полученной керамике 20 вес.%. Скорость выщелачивания РЗЭ в дистиллированную воду при температуре 90oC на 50-е сутки10-4(0,00153) г/м2сутки.

* - минералы, способные к изоморфному вхождению в них элементов РЗ [Бетехтин А.Г. Минералогия. Москва, Геолит, 1950, с. 766].

Формула изобретения

1. Способ керамизации концентрата редкоземельных элементов, включающий осаждение ортофосфатов редкоземельных элементов из их концентрата, прокаливание полученной суспензии и компактирование полученного осадка, отличающийся тем, что после прокаливания полученный осадок смешивают с магматическими горными породами, содержащими кварц и минералы, кристаллохимические структуры которых способны к изоморфному вхождению в них редкоземельных элементов, смеси перетирают до гомогенного состава, прессуют при комнатной температуре и обжигают при температуре 950-1050oC до получения керамики.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокаливание осуществляют при температуре 400-500oC.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученные после прокаливания ортофосфаты смешивают с горными породами в весовом соотношении 1:1-3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к переработке минеральных радиоактивных отходов (РАО) методом переплавки
Изобретение относится к области совместной обработки твердых и жидких радиоактивных отходов и предназначено для перевода радиоактивного грунта, содержащего органические компоненты, и жидких радиоактивных отходов в цементный камень
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
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и предназначено для термической переработки твердых радиоактивных отходов
Изобретение относится к области переработки радиоактивных ионообменных смол (ИОС) путем их сжигания с получением продукта, пригодного для долгосрочного хранения

Изобретение относится к области обработки твердых радиоактивных отходов прокаливанием и предназначено для их сжигания и плавления образующихся продуктов сгорания до получения монолитного продукта

Изобретение относится к области атомной энергетики и технологии, а именно к устройствам для переработки радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности и может быть использовано для термического преобразования и компактирования отходов в химически устойчивый, монолитный и пригодный для длительного захоронения материал

Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к переработке твердых радиоактивных и токсичных отходов

Изобретение относится к переработке высокотоксичных неорганических отходов, таких как хром-, ртуть-, мышьяксодержащих, отходов гальванического производства, преимущественно радиоактивных отходов (РАО), в частности РАО переработки ядерного топлива высокой и средней активности
Изобретение относится к области переработки зольных остатков от сжигания твердых радиоактивных отходов
Изобретение относится к области совместной обработки твердых и жидких радиоактивных отходов и предназначено для перевода радиоактивного грунта, содержащего органические компоненты, и жидких радиоактивных отходов в цементный камень
Изобретение относится к способу переработки радиоактивных щелочных металлов и состоит во взаимодействии щелочного металла, находящегося в жидкой фазе, с твердым галоидсодержащим полимером

Изобретение относится к переработке жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, в частности к отверждению отходов путем их включения в искусственные минералоподобные формы, пригодные для последующего безопасного хранения

Изобретение относится к способу очистки жидких радиоактивных отходов и может быть использовано в радиохимической технологии при обращении с отходами

Изобретение относится к технологии переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) путем их отверждения

Изобретение относится к переработке солевых отходов АЭС путем их отверждения

Изобретение относится к обработке жидких радиоактивных отходов (ЖРО) путем отверждения

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), в частности отработавших моющих растворов, таких как воды спецпрачечной АЭС
Изобретение относится к утилизации жидких радиоактивных отходов ядерных энергетических установок, в частности атомных электростанций, с борным регулированием в том числе

Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов ядерного топливного цикла и может быть использовано для их фиксации в керамические матричные материалы

Наверх