Способ иммобилизации и утилизации твердых отходов, загрязненных радиоактивными материалами

 

Изобретение относится к обработке радиоактивных отходов и может быть использовано для утилизации фильтров систем очистки воздуха радиационно-опасных производств, зараженных радионуклидами. Технический результат: повышение качества дезактивации отходов в виде ультратонких волокнистых гидрофобных слоев в составе фильтровальных элементов. Сущность изобретения: на размещенные в полости фильтровального элемента волокнистые слои воздействуют аэрозолем связующего на основе раствора эпоксисодержащего углеводорода и отвердителя. Обработанные волокнистые слои отверждают, брикетируют пакет слоев и подвергают термокомпрессионной обработке для перевода в твердую, экологически безопасную фазу. При этом раствор связующего материала первоначально диспергируют в потоке воздуха. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области технологии обработки радиоактивных отходов для защиты окружающей среды и может быть использовано для утилизации фильтров систем очистки воздуха радиационно-опасных производств фиксацией их в устойчивой твердой фазе.

Известен способ утилизации и иммобилизации твердых отходов в виде отработанных фильтрперлитовых материалов систем очистки промышленных зон от радионуклидов (заявка РФ 96115712, публ. 20.01.98 г., G 21 F 9/30) путем обработки их связующими материалами с последующим отверждением.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности вовлечения той части радионуклидных загрязнений, которая присутствует в виде аэровзвеси в массе отходов, в связи с чем возникает опасность попадания их в окружающую среду.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ иммобилизации и утилизации твердых отходов, загрязненных радиоактивными материалами, путем обработки твердых отходов связующим с последующим брикетированном и отверждением их для перевода в твердые экологически безопасные продукты (патент РФ 2123214, публ. 10.12.98 г., МПК G 21 F 9/28).

К недостаткам прототипа относится недостаточно высокая степень связывания аэрозольных радиоактивных частиц, находящихся в массе фильтровальных материалов или в примыкающей к ним зоне, а также то, что не предусмотрены мероприятия для отверждения несовместимых между собой материалов фильтра, радиоактивных частиц и растворителей для связующего в случаях, имеющих место в системах воздухоочистки.

Задачей изобретения является разработка способа надежной иммобилизации и утилизации ультратонких волокнистых материалов фильтровальных элементов систем воздухоочистки радиационно-опасных производств, характеризующихся гидрофобными свойствами и не совместимых с растворителями связующих и частицами радиозагрязнений.

Новый технический результат заключается в повышении качества дезактивации отходов в виде ультратонких волокнистых гидрофобных слоев в составе фильтровальных элементов вентиляционных систем очистки радиационно-опасных производств за счет повышения степени включения радиоактивных частиц, находящихся в волокнистом слое, на поверхности слоев и между слоями фильтровальных элементов, в твердые продукты утилизации.

Дополнительный технический результат заключается в повышении степени фиксации частиц радионуклидов с обеспечением вовлечения аэрозольной взвеси этих частиц в состав твердых продуктов утилизации за счет расширения времени жизнеспособности связующего материала.

Дополнительный результат заключается также в обеспечении улучшения качества дезактивации за счет повышения степени пропитки гидрофобного волокнистого материала фильтров, а также улучшения совместимости связующего с частицами радионуклидов, а также для обеспечения визуального контроля полноты пропитки волокнистой зоны.

Дополнительный результат заключается в повышении степени пропитки связующим материалом гидрофобного волокнистого слоя фильтрующего элемента.

Указанные задача и новые технические результаты обеспечиваются тем, что в известном способе иммобилизации и утилизации твердых отходов, загрязненных радиоактивными материалами, путем обработки их связующими материалами с последующим отверждением и прессованием для перевода в твердые и экологически безопасные продукты, в соответствии с предлагаемым способом первоначально диспергируют в потоке воздуха раствор связующего материала, которым в виде аэрозольной струи обрабатывают в полости фильтровального элемента поверхность и межслойное пространство волокнистой зоны, в качестве полимеризующегося компонента связующего материала используют раствор эпоксисодержащего соединения, затем отверждают обработанные связующим материалом волокнистые слои фильтровальных элементов путем брикетирования пакета из волокнистых слоев фильтровальных элементов в условиях термокомпрессионной обработки.

Кроме того, в предлагаемом способе волокнистую зону фильтровального элемента обрабатывают раздельно аэрозольной струей связующего материала: сначала эпоксисодержащим соединением, а затем струей отверждающих агентов, при этом в качестве эпоксисодержащего соединения используют раствор смеси эпоксидной смолы ЭД-20 и дибутилфталата в метилене хлористом, а отверждающих агентов - раствор полиэтиленполиамина в метилене хлористом, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: Смола эпоксидная ЭД-20 - 100 Дибутилфталат - 10 - 20 Полиэтиленполиамин - 12 - 20 Метилен хлористый - 40 - 60 Краситель нигрозин - 0,3 Кроме того, в предлагаемом способе в качестве связующего материала используют водный раствор эпоксисодержащего соединения - смолы ДЭГ-1 и водный раствор отвердителя при следующем содержании компонентов, мас.ч.: Смола ДЭГ-1 - 70 - 100 Полиэтиленполиамин - 20 - 25 Краситель нигрозин - 0,3
Вода - 25 - 50
Кроме того, в предлагаемом способе обработку связующим материалом производят путем сквозной двусторонней аэрации последнего в толщу волокнистого слоя фильтровального элемента.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующим образом.

Фильтровальные элементы вентиляционных систем очистки радиационно-опасных производств представляют собой полые, часто цилиндрические, корпуса, в полости которых особым образом уложены слон волокнистого материала, характеризующегося гидрофобными свойствами. Последнее обстоятельство является фактором, усложняющим решение проблемы дезактивационной промывки фильтров водными растворами дезактивирующих средств для удаления частиц радионуклидов, засоривших отработанные в технологическом цикле фильтровальные элементы, за счет значительного сопротивления волокнистого слоя поступлению в него потока водных растворов. Кроме того, наличие частиц радионуклидов, находящихся в межслойной зоне в полости фильтровальных элементов, является вторым фактором, негативно влияющим на качество дезактивации в связи с проблемой надежной фиксации их в слое связующего, наносимого путем обычной промывки фильтров дезактивационными растворами.

Наиболее высокоэффективным приемом обработки волокнистых слоев связующим в эксперименте явился прием диспергирования растворов связующего в потоке воздуха с получением системы аэроструй, обеспечивающих доставку связующего как в междоузлия волокнистого слоя фильтровальных элементов, так и в межслойное пространство при более высокой степени прокрытия поверхности слоев.

При этом все указанные частицы радионуклидов, засоривших фильтр, окажутся в зоне аэрозоля раствора связующего и приобретут липкость и способность к агломерации и к более надежной фиксации в составе пакета также липких слоев, который на этапе последующих операций брикетирования и термопрессования будет подвергнут компактированию для перевода в твердую фазу.

Известно использование аэрозольной обработки связующим разрозненных волокон, предварительно распыляемых в атмосфере, зараженной радионуклидами, с последующим контролируемым осаждением в расчетной зоне для отверждения в пригодной к утилизации твердой фазе (патент РФ 1748557, кл. МПК G 21 F 9/02, публ. 27.10.97 г., бюл. 30).

Однако в известном способе не достигнута гарантированная полнота сбора всей массы разобщенных в пространстве волокон с частицами радионуклидов, на что существенно может повлиять и состояние потоков атмосферы, в которой производится такая обработка, а вследствие этого полнота дезактивации поставлена под сомнение.

В предлагаемом способе аэрационная обработка связующим направлена на систему жестко связанных между собой волокон, организованных в слои, жестко фиксированных в полости фильтровального элемента, поэтому полнота фиксации всех частиц в твердых продуктах утилизации обеспечена таким дополнительным конструктивным признаком, отсутствующим в известном решении, и различной направленностью и последовательностью такой обработки - в известном способе обработке подвергают разрозненные первично волокна с последующим их сбором, а в предлагаемом - обрабатывают систему соединенных волокон, за счет чего нарабатывается новый эффект - повышение надежности дезактивации. На этом основании можно заключить, что данное техническое решение отвечает критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Экспериментально были опробованы для обработки фильтровальных элементов различные связующие материалы, наиболее эффективными из которых оказались растворы эпоксисодержащих углеводородов в воде или органических растворителях, имеющих высокую адгезию как к волокнистому материалу фильтров, так и к частицам радионуклидов, застрявших в ходе функционирования фильтровальных элементов в системе воздухоочистки производственной зоны.

Так, при обработке ультратонких волокон фильтров водным раствором эпоксисодержащего соединения - смолы ДЭГ-1 и отвердителя в заявляемых соотношениях компонентов отмечались высокая степень пропитки волокон и совместимость связующего с частицами радионуклидов и гидрофобным волокнистым материалом, за счет чего обеспечивалось лучшее качество дезактивации.

При использовании для обработки волокнистой зоны фильтровального элемента приема раздельной обработки аэрозольной струей связующего материала сначала раствором эпоксисодержащего соединения, а затем струей отверждающих агентов, отмечалось значительное повышение степени фиксации частиц радионуклидов с обеспечением вовлечения аэрозольной взвеси этих частиц в состав твердых продуктов утилизации за счет расширения времени жизнеспособности связующего материала, имеющего место в данном случае.

При этом в качестве эпоксисодержащего соединения использовался раствор смеси эпоксидной смолы ЭД-20 и дибутилфталата в метилене хлористом, а в качестве отверждающих агентов - раствор полиэтиленполиамина в метилене хлористом. Следует отметить, что наличие органического растворителя в составе связующего материала, наносимого свободным от отвердителя на волокнистый слой, может привести к неуправляемому растворению волокон фильтровальных элементов с образованием открытых микрополостей в объеме фильтровального элемента, что может повлечь за собой потери радионуклидов и снижение надежности дезактивации.

Однако при условии согласования скоростей аэрозольной обработки волокнистых слоев и скорости испарения растворителя при практическом использовании предлагаемого способа возникновение такой опасности можно предупредить.

После обработки волокнистого слоя фильтровального элемента связующим и отверждения производится демонтаж фильтра и брикетирование фильтрующего элемента при расчетных температуре и давлении.

Таким образом, использование всех мероприятий и материалов предлагаемого способа способствует повышению качества дезактивации отходов в виде ультратонких волокнистых гидрофобных слоев в составе фильтровальных элементов вентиляционных систем очистки радиационно-опасных производств за счет повышения степени включения радиоактивных частиц, находящихся в волокнистом слое, на поверхности слоев и между слоями фильтровальных элементов, в твердые продукты утилизации.

Дополнительно обеспечиваются повышение степени фиксации частиц радионуклидов с обеспечением вовлечения аэрозольной взвеси этих частиц в состав твердых продуктов утилизации за счет расширения времени жизнеспособности связующего материала, улучшение качества дезактивации за счет повышения степени пропитки гидрофобного волокнистого материала фильтров, улучшение совместимости связующего с частицами радионуклидов, повышение степени пропитки связующим материалом гидрофобного волокнистого слоя фильтрующего элемента.

Возможность промышленного применения подтверждается следующими примерами осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Предлагаемый способ опробован в лабораторных условиях.

В условиях данного примера был опробован способ нанесения раствора связующего материала на рабочую поверхность фильтра аэрозольного Д-23 ОСТ 954-80 с фильтрующим материалом ФПП-15-3,0 ТУ 6-16-2813-84, из ультратонких перхлорвиниловых волокон, предназначенного для очистки вентиляционных выбросов, содержащих радиоактивные или токсические аэрозоли. Фильтр представляет собой набор сепараторов из винилпластовой пленки, обтянутой полотном фильтрующего материала ФПП-15-3,0, марлевой подложкой со стороны выхода воздуха, волокнистой поверхностью со стороны входа воздуха в фильтр, установленных в корпус из фанеры с двумя отверстиями для входа и выхода воздуха. Фильтр установлен в воздуховоде вытяжной вентиляции.

В качестве полимеризующегося компонента связующего материала из продуктов конденсации многоатомных спиртов с эпихлоргидрином была выбрана растворимая в воде эпоксидная алифатическая смола марки ДЭГ-1 - продукт конденсации диэтиленгликоля с эпихлоргидрином ТУ 6-05-1823-77 в количестве 100 мас. ч. , полиэтиленполиамин из смеси полиаминов ТУ 6-02-594-80 в качестве отвердителя, в количестве 25 мас.ч., вода в качестве растворителя в количестве 25 мас. ч., в качестве красителя выбран нигрозин жирорастворимый из группы черных азиновых красителей ТУ 6-14-376-84 в количестве 0,3 мас.ч.

Навеску эпоксидной алифатической смолы ДЭГ-1 подкрашивали красителем нигрозином и наливали в бачок краскораспылителя ручного пневматического типа СО-71А, ОСТ 22-1606-84 для последующего формирования аэрозольной струи связующего материала.

Краскораспылитель закрепляли на подставке соплом в отверстие камеры, установленной в вытяжном шкафу перед фильтром. Распыление производили при давлении 2 ати от системы сжатого воздуха распыленной струей (сильное туманообразование) с пульсирующим напором с целью получения равномерного покрытия, проникающего на максимальную глубину фильтра. После чего фильтр демонтировали для оценки проникновения смолы в фильтрующий материал. По потемнению и липкости фильтрующего материала выявили, что смола ДЭГ-1 равномерно пропитала все слои фильтрующего материала. Кроме того, при наличии красителя можно контролировать равномерность покрытия и глубину проникновения связующего материала в фильтр. Затем фильтр собирали и устанавливали в воздуховоде вентиляции.

Готовили смесь полиэтиленполиамина с водой в заявляемых пропорциях, перемешивали в течение 3-5 мин. Распыление раствора полиэтиленполиамина в воде производили так же, как и смолы ДЭГ-1.

После выдержки в течение 6-12 ч фильтр демонтировали для оценки качества покрытия.

Обнаружено, что отвердитель равномерно адсорбировался на всю поверхность фильтрующего материала, липкость отсутствует, что определяет полноту отверждения. Обработанный фильтрующий материал сохранял гибкость.

Отверждение обработанных связующим материалом волокнистых слоев фильтровальных элементов путем брикетирования в условиях термокомпрессионной обработки при температуре 100^oС и давлении 0,2-0,5 МПа в течение 2-4 ч отрабатывали на образцах.

Далее, в примерах 2-4 в условиях примера 1 готовили связующие материалы, используя конкретные соотношения из заявляемого диапазона значений.

Данные по составам связующих материалов сведены в таблицу.

Формула изобретения

1. Способ иммобилизации и утилизации твердых отходов, загрязненных радиоактивными материалами, путем обработки их связующими материалами с последующим отверждением и прессованием для перевода в твердые и экологически безопасные продукты, отличающийся тем, что первоначально диспергируют в потоке воздуха раствор связующего материала, которым в виде аэрозольной струи обрабатывают в полости фильтровального элемента поверхность и межслойное пространство волокнистой зоны, в качестве полимеризующегося компонента связующего материала используют раствор эпоксисодержащего соединения, затем отверждают обработанные связующим материалом волокнистые слои фильтровальных элементов путем брикетирования пакета из волокнистых слоев фильтровального элемента в условиях термокомпрессионной обработки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что волокнистую зону фильтровального элемента обрабатывают раздельно аэрозольной струей связующего материала: сначала эпоксисодержащим соединением, а затем струей отверждающих агентов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего материала используют водный раствор эпоксисодержащего соединения - смолы ДЭГ-1 и водный раствор отвердителя полиэтиленполиамина при следующем содержании компонентов, мас.ч.:
Смола ДЭГ-1 - 70-100
Полиэтиленполиамин - 20-25
Вода - 25-50
Краситель нигрозин - 0,3
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве эпоксисодержащего соединения используют раствор смеси эпоксидной смолы ЭД-20 и дибутилфталата, а отверждающего агента раствор полиэтиленполиамина в растворителе-метилене хлористом, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Смола ЭД-20 - 100
Дибутилфталат - 10-20
Полиэтиленполиамин - 12-20
Метилен хлористый - 40-60
Краситель нигрозин - 0,3
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку связующим материалом производят путем сквозной двусторонней аэрации последнего в толщу волокнистого слоя фильтровального элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1