Способ дезактивации зараженных радионуклидами природных и техногенных объектов
Изобретение относится к дезактивации природных и техногенных объектов в районах загрязнения радионуклидами. Сущность изобретения: способ включает обработку объектов агентом, содержащим кислоты гумусового типа, с последующим удалением из растворов радионуклидных загрязнителей. Вне доступности природных фульвокислотно (ФК)-содержащих вод обработку ведут искусственно приготовляемым слабосернокислотным (рН 2,0-3,0) раствором с микродобавкой ФК-комплексона (до 100 мг/л). В обычных условиях процесс очистки почвенного объекта и увеличения мощности обеззараживаемого слоя должен продолжаться на глубину не менее 70 см. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности обеззараживания грунтов за пределами гумидных климатических поясов, а также упрощение и удешевление способа дезактивации. 1 н. и 1 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к дезактивации природных и техногенных объектов в районах загрязнения радионуклидами в результате аварий АЭС, на предприятиях атомной промышленности.
Известен способ дезактивации природных и техногенных объектов путем обработки (орошения) их раствором гумусовых веществ (Лиштван И.И. Шенец А.В. Смеловский В.Е. Результаты заводской технологии дезактивации с применением гумусовых препаратов. Тезисы доклада межгосударственной конференции "Химия радионуклидов и металл-ионов в природных объектах" Минск, 1992, стр.94-95). Гумусовый препарат получают обработкой экстракта из торфа щелочными растворами с последующим его окислением. В состав раствора в основном входит гуминовая кислота (80-85%) а также полифенолы, фульвокислоты (ФК) и минеральные вещества. Недостатком способа является его неэффективность, поскольку присутствующие в растворах полифенолы снижают степень сорбции гуминовыми кислотами радионуклидов. Кроме того, приготовление водного раствора гумусовых веществ из торфа является трудоемкой операцией.
Пригодные для дезактивации воды, содержащие из гумусовых веществ в основном фульвокислоты (поскольку они легко растворимы в воде), есть во многих районах: в тундровых и таежных низменностях типа полесий Русской равнины и Западной Сибири. Речные, озерные и частично грунтовые воды с фульвокислотами диагностируются по своей окраске крепкого чая (отсюда Черное озеро, Мещера, Черная речка С.-Петербург и др.). В мерзлотных районах такие речные воды возможны и в горных условиях, например река Амалат на Витимском нагорье. Для конкретных районов диагностика возможна в результате обычных маршрутных исследований, ланшафтно-геохимического картирования, аэрофотометодами, дешифрированием аэрофотоснимков.
Теоретически применение гумусовых комплеконов в качестве почвоочитающих реагентов при создаваемом в почвогрунтах промывном режиме открывает реальные перспективы достижения успеха в этой области. ФК-комплексон является продуктом природных биогеохимических процессов подзолообразования, обеспечивает вертикальную миграцию металлов в почвенном профиле, активизирует перемещение урана на десятки метров в рудовмещаюших пластах при ПВ и несомненно способен произвести «отлавливание» радиоактивных и других химических токсикантов ниже корневого слоя (всего лишь на 1 м ниже земной поверхности). Ионно-обменная (поглотительная) способность полуторных окислов и глинистых фракций пород зоны аэрации, как правило, неизмеримо выше весовых количеств техногенных загрязнений почвенного покрова. Вследствие этого можно уверенно прогнозировать прочное связывание «отжимаемых» токсикантов природными сорбентами ниже очищаемого слоя и слабую при этом вероятность заражения ими грунтовых вод. ГК-комплексон (гуминовые кислоты) может активно участвовать в процессах детоксикации почвогрунтов, так как обладает способностью сорбировать не только металлы, но и связывать органические экотоксиканты - различные пестициды, хлорорганические соединения (диоксины), полициклические ароматические углеводороды (бензопирен) и другие, подвергающиеся впоследствии постепенной микробиологической деградации. Фульвокислоты (ФК-комплексоны) входят в состав гумусовых стимуляторов роста растений и способствуют этим сохранности и даже повышению плодородия очищаемых почв.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ дезактивации зараженных радионуклидами природных и техногенных объектов, включающий обработку объектов водой, содержащей кислоты гумусового типа, с последующим удалением из растворов радионуклидных загрязнителей, при этом обработку ведут природными водами гумидных климатических поясов, содержащими фульвокислоты в количестве не менее 60 мг/л при рН 3,5-6,5 (RU №2088988, G21F 9/28, опубл. 27.08.1997).
Известный способ используется при дезактивации любых природных и техногенных объектов при наличии рядом с ними источников вод с фульвокислотами (озерная, речная, болотная вода). Воду насосами подают на поверхность загрязненного объекта. Контроль за степенью очистки объектов осуществляют радиометрически. Природные воды гумидных климатических поясов, содержащие фульвокислоты не менее 60 мг/л при рН 3,5-6,5, имеют окраску крепкого чая, широко распространены в областях России с гумидными климатом и в среднем содержат в мг/л:
| Фульвокислоты | 5,6-134,0 |
| Na+ | 1,8-2,5 |
| K+ | 1,2-2,5 |
| Са++ | 4,7-11,4 |
| Mg++ | 2,0-7,9 |
| SO4 -- | 1,0-21,1 |
| Cl | 0,7-6,1 |
Недостатком данного решения является то, что его практическое использование ограничено лишь пределами гумидных климатических поясов при содержании фульвокислот в природных водах не менее 60 мг/л и рН 3,5-6,5. Это решение не может эффективно применяться при отсутствии в доступной близости источников ФК-содержащих природных вод.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности обеззараживания грунтов за пределами гумидных климатических поясов за счет использования искусственно приготовляемого слабосернокислотного с рН 2,0-3,0 раствора с микродобавкой ФК-комплексона для растворения радионуклидов с одновременным упрощением и удешевлением способа дезактивации.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе дезактивации зараженных радионуклидами природных и техногенных объектов, включающем обработку почвенного объекта агентом, содержащим кислоты гумусового типа, с последующим удалением из растворов радионуклидных загрязнителей, вне доступности природных вод, содержащих фульвокислоты, обработку почвенного объекта ведут до трех раз путем внесения на поверхность почвенного объекта фульвокислот по 5 г/м2 в виде слабосернокислотного раствора с фульвокислотной фракцией до 100 г/м3 при рН 2,0-3,0 или в виде распыляемого на увлажненную слабосернокислотным раствором с рН 2,0-3,0 в объеме до 10 л/м поверхность почвенного объекта сухого дезактивирующего препарата, представляющего собой смесь гумусовых веществ, обогащенную фульвокислотной фракцией до 60 вес.%.
При этом в обычных условиях процесс очистки почвогрунтов и увеличения мощности обеззараживаемого слоя должен продолжаться не менее чем 70 см, а в зонах развития вечной мерзлоты и небольшой мощности оттаявшего поверхностного слоя очистка его от радионуклидов представляет собой орошение (дождевание) почвогрунтов дезактивирующими ФК-растворами и отсос образующейся радиоактивной жидкости иглофильтрами.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Ниже рассматривается изобретение по существу.
Общая площадь российской территории, обладающей гумидным климатом, весьма велика, что позволяет рассчитывать на существенное сокращение расходов, необходимых для очистки окружающей среды страны от радиоактивных и химических токсикантов. Однако такое техническое решение не может быть эффективно применено при отсутствии в доступной близости источников ФК-содержащих природных вод. Это ограничение, тем не менее, может быть успешно преодолено путем использования специально приготовляемого растворителя на основе ФК-реагента или его модификаций.
Кроме того, такие масштабные природные объекты как почвенный покров и приповерхностные грунты могут при благоприятных условиях достаточно экономично очищаться от радиоактивных загрязнений и без затрат на последующие химические операции по концентрированию токсикантов, выделяемых из почвогрунтов, и их захоронению.
В первую очередь это касается территорий, обладающих достаточно мощной зоной аэрации, измеряемой метрами. Сорбционно-емкостные параметры пород таких зон велики, что допускает оперативное обеззараживание верхнего слоя почвогрунтов путем «отжатия» радиоактивных загрязнений ниже корневого слоя и прочного захоронения перемещаемых вниз токсикантов на «вечные времена». При этом уже не потребуются указанные выше химические операции или экскавация и вывоз загрязненного радионуклидами грунта с последующей его очисткой в заводских условиях. Обнадеживающие результаты в этой области были получены в 90-х годах при натурных экспериментах по обеззараживанию почв, загрязненных радионуклидами чернобыльского спектра.
Для дезактивации почв в любых климатических условиях, в том числе при отсутствии в доступной близости источников ФК-содержащих природных вод, в них в зависимости от степени загрязнения вносится до трех раз по 5 г/м2 фульвокислот (ФК) либо в виде их слабосернокислотного раствора (ФК до 100 г/м3, рН 2,0-3,0), либо распылением сухого дезактивирующего препарата, представляющего собой смесь гумусовых веществ, которая обогащена фульвокислотной фракцией (до 60 вес.%). Во втором случае внесение сухого реагента должно сопровождаться первичным увлажнением (до 10 л/м) обеззараживаемых земельных массивов слабосернокислотным раствором (рН 2,0-3,0) с последующим использованием для режима вертикальной миграции токсикантов атмосферных осадков (дождевых и талых вод). Под воздействием ФК-комплексона уран и другие радионуклиды «отдавливаются» в нижние слои зоны аэрации, где прочно сорбируются породообразующими минералами. Использование гумусового ФК-реагента позволяет избежать экскавации загрязненного токсикантами грунта, усиливает плодородные свойства почвенного слоя и будет способствовать производству экологически кондиционных продуктов питания на очищаемых сельскохозяйственных угодиях.
На территориях с развитием вечной мерзлоты проблема очистки почв от радионуклидов путем использования гумусового ФК-препарата может быть решена также оперативно и экономично. При малой мощности оттаявшего слоя почвогрунтов целесообразно переводить радионуклиды в жидкую фазу путем орошения поверхности загрязненного участка ФК-раствором (ФК до 100 мг/л; рН=2,0) с одновременной организацией отсоса образующихся радиоактивных растворов иглофильтрами (в качестве иглофильтров следует использовать известные конструкции). Возникающие при последующей обработке этих растворов концентраты радионуклидов подлежат захоронению.
Обработку почвенного объекта рекомендуется производить не менее трех раз путем внесения на поверхность почвенного объекта фульвокислот в виде раствора или сухого дезактивирующего препарата. В качестве дезактивирующего состава рекомендуется слабосернокислотный ФК-раствор (H2SO4=5 г/м2; рН 2,0-3,0, ФК до 100 г/м3).
Величины указываемых в заявке параметров были определены, исходя из следующих соображений:
1. Одним из основных загрязнителей окружающей среды в сфере влияния радиационно-опасных объектов является уран. При лабораторных и натурных испытаниях ФК-комплексона положительные результаты по извлечению металла из урансодержащих минералов в жидкую фазу достигались в широком диапазоне содержания в ней гумусового реагента - от 50 до 500 мг/л. Для получения экономически оправданного гарантированного успеха в переводе урана из твердой фазы в рабочий раствор опытным путем было установлено, что достаточно концентрации ФК в этом растворе, равной 100 мг/л.
При этой концентрации выщелоченный из горнорудной массы уран способен перемещаться вместе с растворами в рудовмещающих породах на десятки метров, находясь в водорастворенном состоянии, по всей вероятности, в форме ассоциатов с молекулами фульвокислот.
Как показали исследования Г.М.Варшал (ГЕОХИ РАН), уже при незначительных концентрациях в воде фульвокислот другие радионуклиды-загрязнители (106Ru, l44Ce, 90Sr, 137Cs) на 80% переходят в растворенное состояние даже при однократной обработке природных и техногенных объектов (патент №2088988).
2. Сравнительно низкая степень кислотности дезактивирующих растворов (рН 2-3) предпочтительна по двум обстоятельствам:
- для этих значений рН характерно нахождение фульвокислот в виде доминирующих мономерных форм со средневесовой молекулярной массой, близкой к 300. Это активизирует развитие процессов комплексообразования ФК с металлами-загрязнителями окружающей среды;
- низкое содержание серной кислоты в рабочих дезактивирующих растворах резко снижает опасность загрязнения почвенного покрова сульфат-ионом. Оптимальная мощность очищаемого почвенного слоя - 70 см (среднестатистически предельное проникновение в грунты корневой системы травяного покрова).
При средней пористости водопроницаемых пород зоны аэрации, равной 20%, общий объем пор ориентировочно будет равен 140 дм3/м2. При этом среднее количество ФК в заполняющем поры дезактивирующем растворе будет равным 0,1 г/дм3×140 дм3=14 г/м2 (≈15 г/м2).
3. Загрязняющие почву компоненты, как правило, сосредоточены в приповерхностной части почвы или в верхней трети подлежащего дезактивации очищаемого слоя (70:3=23,3 см). При однократной обработке почвенного покрова раствором фульвокислот (5,0 гФК/м2) грубой очистке от токсикантов с отдавливанием их в нижележащие породы гарантированно может подвергнуться лишь его верхняя треть.
При трехкратной обработке почв достигается более полная их дезактивация. В результате рекомендуемого режима очистки верхняя треть очищаемого слоя будет промыта 3 раза, ниже него лежащий прослой - 2 раза, а самый нижний - 1 раз, вынося все накопившиеся в почве загрязнения просачивающимися вниз растворами ФК за пределы 70 см.
4. При ориентировке в основном на атмосферные осадки необходимое для очистки почвы количество ФК в сухом виде (15,0 гФК/м2) вносится в почву в процессе осенней пахоты или во влажную почву после первичных осенних дождей.
5. Для осуществления дезактивации почв можно использовать ФК-препараты с любой изначальной концентрацией в них ФК, однако с экономической точки зрения предпочтительнее использовать более концентрированные продукты с целью сокращения транспортных расходов. К настоящему моменту отработана технология промышленного производства ФК-реагента со стабильным получением гумусовых экстрактов, содержащих не менее 60 вес.% ФК.
Таким образом, использование гумусового дезактивирующего ФК-препарата в сухом или растворенном состоянии существенно расширяет (по сравнению с областью применения патента №2088988) возможности оперативной очистки природной среды от радионуклидов, тяжелых металлов и других токсикантов.
1. Способ дезактивации зараженных радионуклидами природных и техногенных объектов, включающий обработку почвенного объекта агентом, содержащим кислоты гумусового типа, с последующим удалением из растворов радионуклидных загрязнителей, отличающийся тем, что вне доступности природных вод, содержащих фульвокислоты, обработку почвенного объекта ведут до трех раз путем внесения на поверхность почвенного объекта фульвокислот по 5 г/м2 в виде слабосернокислотного раствора с фульвокислотной фракцией до 100 г/м3 при рН 2,0-3,0 или в виде распыляемого на увлажненную слабосернокислотным раствором с рН 2,0-3,0 в объеме до 10 л/м поверхность почвенного объекта сухого дезактивирующего препарата, представляющего собой смесь гумусовых веществ, обогащенную фульвокислотной фракцией до 60 вес.%.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс очистки почвенного объекта и увеличения мощности обеззараживаемого слоя производят на глубину не менее 70 см.
