Консервант на основе алюмофосфатной связки и способ его приготовления
Владельцы патента RU 2271588:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" (RU)
Изобретение относится к области обращения с твердыми радиоактивными отходами. Сущность изобретения: консервант включает жидкую связку, состоящую из ортофосфорной кислоты и гидроокиси алюминия. Кроме того, в состав связки дополнительно включены борная кислота, вода и оксид цинка. Причем борная кислота составляет 1,5-2,0 мас.%, вода - 35-36 мас.%, оксид цинка - 9,5-11 мас.%, ортофосфорная кислота - 48-49 мас.% и гидроокись алюминия - 1,5-2,0 мас.% в приготовленной цинкалюмофосфатной связке. Также консервант дополнительно включает порошкообразный наполнитель, состоящий из оксида цинка в количестве 72-75 мас.%, оксида магния в количестве 6,0-7,0 мас.%, оксида висмута в количестве 7,0-8,0, мас.%, оксида кремния в количестве 4,0-4,5 мас.%, оксида алюминия в количестве 5-5,5 мас.% и буры в количестве 4,0-5,0 мас.% от общего количества порошкообразного наполнителя. Способ приготовления консерванта включает приготовление жидкой связки и порошкообразного наполнителя. Для приготовления порошкообразного наполнителя его прокаливают при температуре 900-950°С в течение 45-60 минут, после чего спекшийся порошкообразный наполнитель охлаждают до температуры 20-25°С. Затем его размалывают и отбирают из него фракции с размерами не более 50 мкм. Отобранный порошкообразный наполнитель засыпают в емкость с цинкалюмофосфатной связкой и перемешивают до полного растворения отобранного порошкообразного наполнителя. Преимущества изобретения заключаются в упрощении способа. 2 н. и 1 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области обращения с твердыми радиоактивными отходами и облученным ядерным топливом и может быть использовано при консервации дефектных твэлов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому консерванту является алюмофосфатная связка, состоящая из ортофосфорной кислоты - Н3РО4 и гидроокиси алюминия - Al(ОН)3 (Коварская Е.Н., Колычева Т.И., Алой А.С. Низкотемпературная фосфатная керамика для иммобилизации низкоактивных отходов. Тезисы докладов международной конференции "Радиоактивные отходы. Хранение, транспортировка, переработка. Влияние на человека и окружающую среду". С.-Пб., 1996, с.А-22)
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ приготовления вязкой жидкой алюмофосфатной связки, путем растворения гидроокиси алюминия Al(ОН)3 в ортофосфорной кислоте (Коварская Е.Н., Колычева Т.И., Алой А.С. Низкотемпературная фосфатная керамика для иммобилизации низкоактивных отходов. Тезисы докладов международной конференции "Радиоактивные отходы. Хранение, транспортировка, переработка. Влияние на человека и окружающую среду". С.-Пб., 1996, с.А-22).
Недостатком известного консерванта является относительно низкая механическая прочность и слабая адгезия, связанные с отсутствием высокотемпературной сушки консерванта.
Недостатком известного способа приготовления консерванта является необходимость осуществления операции высокотемпературной сушки алюмофосфатной связки (Т=250-350°С). При кондиционировании РАО и ОЯТ использование таких высоких температур является нежелательным.
Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки, а именно, разработать консервант с необходимыми физико-химическими свойствами и исключить высокотемпературную сушку.
Для решения поставленной задачи в состав консерванта, включающего жидкую алюмофосфатную связку, состоящую из ортофосфорной кислоты (Н3РО4), гидроокиси алюминия Al(ОН)3 и воды (Н2О), предлагается:
- в состав алюмофосфатной связки дополнительно включить борную кислоту (Н3ВО3) и оксид цинка (ZnO);
- в состав приготавливаемой алюмофосфатной связки включить 1,5-2,0 мас.% борной кислоты, 9,5-11 мас.% оксида цинка, 35-36 мас.%, воды, 48-49 мас.% - ортофосфорной кислоты и 1,5-2,0 мас.% гидроокиси алюминия;
- дополнительно включить наполнитель, состоящий из оксида цинка (ZnO) в количестве 72-75 мас.%, оксида магния (MgO) в количестве 6,0-7,0 мас.%, оксида висмута (Bi2O3) в количестве 7,0-8,0 мас.%, оксида кремния (SiO2) в количестве 4,0-4,5 мас.%, оксида алюминия (Al2O3) в количестве 5,0-5,5 мас.% и буры в количестве 4,0-5,0 мас.% от общего количества наполнителя;
- отношение массовых долей наполнителя к алюмофосфатной связке обеспечить равным 1:2, при котором консервант имеет жидкое состояние.
Для решения поставленной задачи в способе приготовления консерванта, включающем приготовление вязкой жидкой цинкалюмофосфатной связки, состоящей из ортофосфорной кислоты (Н3РО4), гидроокиси алюминия (Al(ОН)3) и воды (Н2О), предлагается:
- в состав алюмофосфатной связки дополнительно включить борную кислоту (Н3ВО3) и оксид цинка (ZnO);
- в состав приготавливаемой алюмофосфатной связки включить 1,5-2,0 мас.% борной кислоты, 9,5-11 мас.% оксида цинка, 35-36 мас.%, воды, 48-49 мас.% - ортофосфорной кислоты и 1,5-2,0 мас.% гидроокиси алюминия;
- приготовить порошкообразный наполнитель, представляющий собой гомогенную смесь, состоящую из оксида цинка в количестве 72-75 мас.%, оксида магния в количестве 6,0-7,0 мас.%, оксида висмута в количестве 7,0-8,0 мас.%, оксида кремния в количестве 4,0-4,5 мас.%, оксида алюминия (Al2О3) в количестве 5,0-5,5 мас.% и буры в количестве 4,0-5,0 мас.% от общего количества наполнителя;
- порошкообразный наполнитель прокалить при температуре 900-950°С в течение 45-60 минут;
- спекшийся наполнитель охладить до температуры 20-25°С, размолоть и отбирать из него фракции с размерами не более 50 мкм;
- отобранный наполнитель засыпать в емкость с цинкалюмофосфатной связкой;
- обеспечить соотношение масс отобранного наполнителя к цинкалюмофосфатной связке, равное 1:2;
- перемешать образовавшуюся жидкую смесь до полного растворения отобранного наполнителя и образования гомогенной жидкой смеси.
В частных случаях реализации способа предлагается следующее:
- во-первых, отбор фракций из размолотого наполнителя осуществлять путем просеивания его через сито с диаметром отверстий 50 мкм;
- во-вторых, осуществляют контроль кинематической вязкости цинкалюмофосфатной связки и обеспечивают ее в диапазоне 90-100 мм2/с;
- в-третьих, образуют гомогенную смесь при растворении приготовленного наполнителя в цинкалюмофосфатной связке.
В состав консерванта входит жидкая цинкалюмофосфатная связка, состоящая из ортофосфорной кислоты (Н3PO4), гидроокиси алюминия Al(ОН)3, воды (H2O), борной кислоты (Н3ВО3) и оксида цинка (ZnO).
Причем борная кислота составляет 1,5-2,0 мас.%, оксид цинка - 9,5-11 мас.%, вода - 35-36 мас.%, ортофосфорная кислота - 48-49 мас.% и гидроксид алюминия - 1,5-2,0 мас.% от приготовленной цинкалюмофосфатной связки.
В состав консерванта также включен порошкообразный наполнитель.
Порошкообразный наполнитель состоит из оксида цинка (ZnO) в количестве 72-75 мас.%, оксида магния (MgO) в количестве 6,0-7,0 мас.%, оксида висмута (Bi2O3) в количестве 7,0-8,0 мас.%, оксида кремния (SiO2) в количестве 4,0-4,5 мас.%, оксида алюминия (Al2О3) в количестве 5,0-5,5 мас.% и буры в количестве 4,0-5,0 мас.% от общего количества наполнителя.
Отношение массовых долей наполнителя к цинкалюмофосфатной связке равно 1:2.
Консервант имеет жидкое состояние.
Способ приготовления консерванта включает следующие операции.
Приготавливают вязкую жидкую цинкалюмофосфатную связку.
В состав цинкалюмофосфатной связки включают ортофосфорную кислоту (Н3PO4), гидроокись алюминия (Al(ОН)3), воду (H2О), борную кислоту (Н3ВО3) и оксид цинка (ZnO).
Борная кислота составляет 1,5-2,0 мас.%, оксид цинка - 9,5-11 мас.%, вода - 35-36 мас.%, ортофосфорная кислота - 48-49 мас.% и гидроксид алюминия - 1,5-2,0 мас.% от приготовленной цинкалюмофосфатной связки.
Приготавливают порошкообразный наполнитель.
Порошкообразный наполнитель представляет собой гомогенную смесь, состоящую из оксида цинка в количестве 72-75 мас.%, оксида магния в количестве 6,0-7,0 мас.%, оксида висмута в количестве 7,0-8,0 мас.%, оксида кремния в количестве 4,0-4,5 мас.%, оксида алюминия (Al2О3) в количестве 5,0-5,5 мас.% и буры в количестве 4,0-5,0 мас.% от общего количества наполнителя.
Затем порошкообразный наполнитель прокаливают при температуре 900-950°С в течение 45-60 минут.
После чего спекшийся наполнитель охлаждают до температуры 20-25°С.
Затем его размалывают и отбирают из него фракции с размерами не более 50 мкм.
Отобранный наполнитель засыпают в емкость с цинкалюмофосфатной связкой.
Обеспечивают соотношение масс отобранного наполнителя к цинкалюмофосфатной связке, равное 1:2.
Перемешивают образовавшуюся жидкую смесь до полного растворения отобранного наполнителя и образования гомогенной жидкой смеси.
В частных случаях реализации способа выполняют следующее.
Во-первых, отбор фракций из размолотого наполнителя осуществляют путем просеивания его через сито с диаметром отверстий 50 мкм.
Во-вторых, проводят контроль кинематической вязкости цинкалюмофосфатной связки и обеспечивают ее в диапазоне 90-100 мм2/с.
В-третьих, образуют гомогенную смесь при растворении приготовленного наполнителя в цинкалюмофосфатной связке.
Пример конкретного состава консерванта.
В лабораторных условиях получен консервант, состоящий из цинкалюмофосфатной связки с составом: Н3PO4 - 49 мас.%, Н2О - 36 мас.%, Н3ВО3 - 2,0 мас.%, ZnO - 11 мас.%, Al(ОН)3 - 2,0 мас.% и наполнителя, состоящего из ZnO - 75 мас.%, MgO - 7,0 мас.%, Bi2О3 - 8,0 мас.%, SiO2 - 4,5 мас.%, Al2О3 - 5,5 мас.% и буры в количестве 5,0 мас.% от общего количества наполнителя, причем, отношение массовых долей наполнителя к цинкалюмофосфатной связке равно 1:2.
Консервант находится в жидком состоянии в течение 30 минут после приготовления.
Пример конретного осуществления способа приготовления консерванта.
Способ приготовления консерванта осуществляют следующим образом. Цинкалюмофосфатную связку с составом: Н3PO4 - 49 мас.%, Н2О - 36 мас.%, Н3ВО3 - 2,0 мас.%, ZnO - 11 мас.%, Al(ОН)3 - 2,0 мас.% готовят в стеклянном термостойком сосуде с обратным холодильником следующим образом. Растворяют 5,0% борную кислоту в дистиллированной воде (приготовлена по ГОСТ 6709-72) при нагревании до 65°С до полного растворения, которое определяют визуально на просвет в рассеянном потоке света. После охлаждения раствора до 35°С добавляют ортофосфорную кислоту при нагревании до температуры 100°С и перемешивают, добавляют оксид цинка и нагревают до полного его растворения.
Добавляют гидроокись алюминия и после полного его растворения, выдерживают связку в сосуде при температуре 100°С в течение одного часа.
Охлаждают связку до комнатной температуры 20°С.
Измеряют для контроля кинематическую вязкость, которая равна 100 мм2/с.
Наполнитель готовят из смеси оксидов: ZnO - 75 мас.%, MgO - 7,0 мас.%, Bi2O3 - 8,0 мас.%, SiO2 - 4,5 мас.%, Al2О3 - 5,5 мас.% и буры - 5,0 мас.% от общего количества оксидов.
Полученную смесь прокаливают при температуре 950°С в течение 45 минут. Затем после остывания смеси до комнатной температуры размалывают в мельнице и просеивают через сито с отверстиями 50 мкм.
Консервант готовят путем тщательного перемешивания наполнителя в цинкалюмофосфатной связке в соотношении 1:2 до получения однородной суспензии.
В результате применения данного способа получаем консервант, который после отверждения при комнатной температуре при 20°С, образует фосфатный камень с высокой водоустойчивостью (скорость выщелачивания 137Cs и 90Sr в воду составляет 10-5-10-6 г/см2·сут; норма 1·10-3 г/см2·сут) и механической прочностью (предел прочности на сжатие 8,0-20 МПа при норме 5,0 МПа [Сбор, переработка, хранение и кондиционирование жидких радиоактивных отходов НП-019-2000, Москва, 2000].
Техническим результатом изобретения является приготовление консерванта, позволяющего омоноличивать твердые РАО и ОЯТ для целей кондиционирования, либо наносить покрытие фосфатным консервантом на металлическую оболочку твэла, либо на другую твердую поверхность для создания дополнительного защитного барьера. Отверждение консерванта протекает при комнатной температуре без дополнительного нагрева, и образуется механически прочный и водоустойчивый фосфатный камень.
1. Консервант, включающий жидкую связку, состоящую из ортофосфорной кислоты и гидроокиси алюминия, отличающийся тем, что в состав связки, состоящей из ортофосфорной кислоты и гидроокиси алюминия, дополнительно включены борная кислота, вода и оксид цинка, причем борная кислота составляет 1,5-2,0 мас.%, вода - 35-36 мас.%, оксид цинка - 9,5-11 мас.%, ортофосфорная кислота - 48-49 мас.% и гидроокись алюминия - 1,5-2,0 мас.% в приготовленной цинкалюмофосфатной связке, а также консервант дополнительно включает порошкообразный наполнитель, состоящий из оксида цинка в количестве 72-75 мас.%, оксида магния в количестве 6,0-7,0 мас.%, оксида висмута в количестве 7,0-8,0 мас.%, оксида кремния в количестве 4,0-4,5 мас.%, оксида алюминия в количестве 5-5,5 мас.% и буры в количестве 4,0-5,0 мас.% от общего количества порошкообразного наполнителя, причем соотношение массовых долей порошкообразного наполнителя и цинкалюмофосфатной связки равно 1:2, а консервант имеет жидкое состояние.
2. Способ приготовления консерванта, включающий приготовление жидкой связки, состоящей из ортофосфорной кислоты и гидроокиси алюминия, отличающийся тем, что в состав связки, состоящей из ортофосфорной кислоты и гидроокиси алюминия, дополнительно включают борную кислоту, воду и оксид цинка, причем борная кислота составляет 1,5-2,0 мас.%, вода - 35-36 мас.%, оксид цинка - 9,5-11 мас.%, ортофосфорная кислота - 48-49 мас.% и гидроокись алюминия - 1,5-2,0 мас.% в приготовленной цинкалюмофосфатной связке, и приготавливают порошкообразный наполнитель, состоящий из оксида цинка в количестве 72-75 мас.%, оксида магния в количестве 6,0-7,0 мас.%, оксида висмута в количестве 7,0-8,0 мас.%, оксида кремния в количестве 4,0-4,5 мас.%, оксида алюминия в количестве 5-5,5 мас.% и буры в количестве 4,0-5,0 мас.% от общего количества порошкообразного наполнителя, для приготовления порошкообразного наполнителя его прокаливают при температуре 900-950°С в течение 45-60 мин, после чего спекшийся порошкообразный наполнитель охлаждают до температуры 20-25°С, затем его размалывают и отбирают из него фракции с размерами не более 50 мкм, отобранный порошкообразный наполнитель засыпают в емкость с цинкалюмофосфатной связкой, обеспечивают соотношение масс отобранного порошкообразного наполнителя и цинкалюмофосфатной связки, равное 1:2, перемешивают образовавшуюся жидкую смесь до полного растворения отобранного порошкообразного наполнителя и образования гомогенной жидкой смеси.
3. Способ приготовления консерванта по п.2, отличающийся тем, что отбор фракций из размолотого порошкообразного наполнителя осуществляют путем просеивания его через сито с диаметром отверстий 50 мкм.
