Способ очистки сточных вод от радиоактивного сs-137

 

Изобретение относится к материалам для очистки сточных вод атомной и радиохимической промышленности, а также природных водных сред от радиоактивных изотопов. Способ включает загрузку железосодержащего сорбента на основе высокодисперсного магнетита, модифицированного полиалюмоэтилсиликонатом натрия (ПАЭСН-3) с соотношением Si/Al = 2,5-3, с последующей его термообработкой при 150-160°С в течение 60-70 мин при следующем соотношении компонентов, мас.% (в пересчете на сухой остаток): магнетит 89,19-95,14, полиалюмоэтилсиликонат натрия 4,86-10,81, причем сорбцию ведут в статических условиях при независимых значениях рН среды, загрузку сорбента производят при температуре сточных вод 20-60°С, а время достижения сорбционного равновесия составляет 5-10 мин. Способ обеспечивает повышение степени очистки сточных вод и радиационную безопасность отработанных сорбентов. 5 табл.

Изобретение относится к материалам для очистки сточных вод атомной и радиохимической промышленности, а также природных водных сред от радиоактивных изотопов и обеспечение радиационной безопасности обслуживающего персонала и окружающей среды.

Наиболее широко в качестве сорбента используется силикагель марки ШСМ фракции 1-2 мм для очисти воды от радиоактивного цезия Cs-137 [1]. Сорбцию данного радионуклида проводят в кислой среде при pH среды, равным 4. Степень очистки сточных вод составляет (90 ± 7)%.

Недостатком известного способа очистки воды от радиоактивного цезия Cs-137 является невысокая степень очистки, использование кислых агрессивных сред, низкая скорость установления сорбционного равновесия и набухание сорбента в процессе очистки. Кроме этого, отработанный сорбент становится источников радиационной опасности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки воды от ионов тяжелых металлов, включающий введение в воду сорбента на основе магнетита и пропускание ее через магнитный фильтр с загрузкой из постоянно намагниченных элементов, регенерируемых обратной водовоздушной промывкой. После достижения предельной грязеемкости фильтра перед его регенерацией pH снижают до 3-3.5. Активацию отработанной суспензии осуществляют электрохимическим путем [2].

Недостатком известного способа является невысокая степень очистки сточных вод от одновалентных радиоактивных изотопов, использование кислых агрессивных сред и сложность технологического цикла очистки.

Изобретение направлено на повышение степени очистки сточных вод и радиационной безопасности отработанных сорбентов на основе железооксидных систем.

Это достигается тем, что в известном способе очистки сточных вод, включающем операцию по загрузке железосодержащего сорбента на основе магнетита в очищаемую воду, сорбцию до установления сорбционного равновесия, согласно предлагаемому решению в качестве сорбента используют высокодисперсный магнетит, модифицированный полиалюмоэтилсиликонатом натрия с соотношением Si/Al= 2.5-3, с последующей термообработкой модифицированного сорбента при температуре 150-160^oC в течение 60-70 мин при следующем соотношении компонентов, % маc. (в пересчете на сухой остаток): Магнетит - 89.19 - 95.14 Полиалюмоэтилсиликонат натрия - 4.86 - 10.81 причем загрузку сорбента производят при температуре сточных вод 20-60^oC, а время достижения сорбционного равновесия составляет 5-10 минут.

Кроме того, сорбцию ведут в статических условиях при независимых значениях pH среды.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ очистки отличается наличием у сорбента модифицированной полиалюмоэтилсиликонатом натрия поверхности с соотношением Si/Al=2.5-3, термообработкой модифицированного сорбента при температуре 150-160^oC в течение 60-70 мин, загрузку сорбента производят при температуре сточных вод 20-60^oC, а время достижения сорбционного равновесия составляет 5-10 минут. Кроме того, сорбцию ведут в статических условиях при независимых значениях pH среды. Таким образом, заявляемый способ очистки соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области, а именно обработка магнетита щелочами, в частности полиалюмоэтилсиликонатом натрия, не обнаружена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

В качестве железосодержащего сырья используется высокодисперсный магнетитовый концентрат Лебединского месторождения КМА с плотностью 5800 кг/м³ фракции 10-20 мкм, имеющий следующий химический состав (табл. 1).

Модификатор полиалюмоэтилсиликонат натрия (ПАЭСН-3) [3-4] получают путем обработки широко распространенного в строительстве водного раствора полиэтилсиликоната натрия (ГКЖ-10, ТУ 6-02-696-76), алюминиевой пудрой марки ПАП-1 при соотношении Si/Al = 2.5-3. В результате химического взаимодействия указанных компонентов происходит образование пространственного металлоолигомера с повышенной молекулярной массой. В процессе получения металлоолигомера установлено впервые, что с увеличением молекулярной массы повышается его сорбционная способность.

В качестве одновалентных радиоактивных изотопов использованы водные растворы, содержащие изотопы радиоактивного цезия Cs-137 (период полураспада T_1/2 = 30 лет, удельная активность A = 49.9 кБк/кг), широко распространенного не только в атомной и радиохимической промышленности, но и в природных водах (особенно после аварии на Чернобыльской АЭС).

Количественное содержание компонентов предлагаемого и известного сорбентов приведено в табл.2.

Пример 1. 4.61 г магнетита дисперсностью менее 50 мкм модифицировали путем тщательного перетирания с 1.36 мл полиалюмоэтилсиликоната натрия (ПАЭСН-3) в течение 5 минут. Полученную смесь подвергали термообработке при температуре 150^oC в течение 60 минут. В результате модификации образуется 5 г сорбента.

К 100 мл раствора, содержащего радиоизотоп Cs-137 и имеющего удельную активность 49.9 кБк/л, добавляли 5 г сорбента. Суспензию перемешивали в течение 10 минут при температуре 40^oC и pH, равном 2, до установления адсорбционного равновесия. Сорбент отделяли центрифугированием. Удельная активность очищенного раствора 2.24 кБк/л. Степень очистки составляет 95.5% (мас).

Пример 2. 4.61 г магнетита дисперсностью менее 50 мкм модифицировали путем тщательного перетирания с 1.36 мл полиалюмоэтилсиликоната натрия (ПАЭСН-3) в течение 5 минут. Полученную смесь подвергали термообработке при температуре 150^oC в течение 60 минут. В результате модификации образуется 5 г сорбента.

К 100 мл раствора, содержащего радиоизотоп Cs-137 и имеющего удельную активность 49.9 кБк/л, добавляли 5 г сорбента. Суспензию перемешивали в течение 10 минут при температуре 40^oC и pH, равном 12, до установления адсорбционного равновесия. Сорбент отделяли центрифугированием. Удельная активность очищенного раствора 2.24 кБк/л. Степень очистки составляет 95.5% (мас.).

Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты на других составах сорбента. Результаты испытаний сорбционных свойств в зависимости от состава сорбентов представлены в табл. 3 (начальная активность радионуклида Cs-137 в водном растворе составляла 49.9 кБк/л).

Из табл. З-4 видно, что предлагаемый способ очистки сточных вод от радиоактивного цезия Cs-137 при температуре суспензии 20-60^oC и периоде времени, равном 10 минут, позволяет повысить степень очистки воды в 2.1-2.2 раза по сравнению с известным способом.

Зависимость степени очистки водного раствора от радиоактивного Cs-137 при соотношении Si/Al в модификаторе приведена в табл. 5 (с активностью Cs-137 49.9 кБк/л).

Из табл. 5 видно, что наиболее высокая степень очистки воды от радиоактивного цезия Cs-137 достигается при соотношении Si/Al в полиалюмоэтилсиликонате натрия, равном 3.

Измерение активности используемых водных систем, содержащих радиоактивный цезий Cs-137, до и после очистки осуществлено гамма-спектральным методом на базе многоканального анализатора с программным обеспечением "Прогресс" в аккредитованной в Госстандарте РФ лаборатории радиационного контроля "Спектр" (аттестат аккредитации N 41143-96).

После очистки водных систем предлагаемым сорбентом концентрация радиоактивного цезия Cs-137 не превышала 96 Бк/кг, что соответствует нормам радиационной безопасности НРБ-96. Кроме того, отработанный сорбент обладает удельной эффективной активностью не более 370 Бк/кг, что соответствует 1 классу радиационной безопасности и может применяться во всех видах строительства согласно ГОСТ 30108-94 ("Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов").

Источники информации: 1. Антонова В. А., Прокофьев О.Н. Методика определения Cs-137 в пробах воды / Технический прогресс в атомной промышленности. М.: Энергоатомиздат. Вып. 1. 1987. с. 148-149.

2. Патент РФ N 1836299. Способ очистки сточных вод. МКИ C 02 F 1/48, 1/28 / А.Н.Кучина, И.А.Забулонский, Г.Н.Кочетов, Б.М.Емельянов; Киев инж.-строит. ин-т. - N 4939904/26; Заявл. 29.05.1991; Опубл. 23.08.1993 г., Бюл. N 31 (прототип).

3. А. С. СССР N 151686. Способ повышения гидрофобизирующей способности водных растворов силиконатов щелочных металлов. МКИ C 07 F 7/02 / А.Я.Вайвад, Л. А. Май, Э.А.Лагздинь, О.К.Цериньш: Заявл. 21.10.1961, Опубл. бюл. N 22, 1962 г.

4. Павленко В.И. Гидрофобизация. Л.: ЛТИ. 1979. - 19с.

Формула изобретения

Способ очистки сточных вод от радиоактивного Cs-137, включающий загрузку железосодержащего сорбента на основе магнетита в очищаемую воду, сорбцию до установления сорбционного равновесия, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют высокодисперсный магнетит, модифицированный полиалюмоэтилсиликонатом натрия с соотношением Si/AI = 2,5 - 3, с последующей термообработкой при 150 - 160^oC в течение 60 - 70 мин при следующем соотношении компонентов мас.% (в пересчете на сухой остаток): Магнетит - 89,19 - 95,14 Полиалюмоэтилсиликонат натрия - 4,86 - 10,81 причем сорбцию ведут в статических условиях при независимых значениях рН среды, загрузку сорбента производят при температуре сточных вод 20 - 60^oC, а время достижения сорбционного равновесия составляет 5 - 10 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4