Сборник тезисов докладов IX Международной молодежной научной конференции

Полярное сияние 2006

Ядерное будущее: безопасность, экономика и право

Содержание сборника

Секция «Экология атомной отрасли»

Все доклады секции


КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ШЛАКОВ ОТ СЖИГАНИЯ ОТРАБОТАННЫХ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ

Бортникова М.С., Карлина О.К., Павлова Г.Ю., Семенов К.Н.

ГУП МосНПО «Радон»

В настоящее время в связи с возрастающими объемами отработанных ионообменных смол (ИОС) на предприятиях атомной промышленности проблема их кондиционирования является весьма актуальной, поскольку ионообменная смола способна к поглощению воды, набуханию и образованию новых потенциально опасных соединений.

Целью кондиционирования ионообменных смол является сокращение их исходного объема, а также перевод их в устойчивую форму, исключающую переход радионуклидов в окружающую среду
в условиях долговременного хранения.

В ГУП МосНПО «Радон» разрабатывается технология сжигания отработанных радиоактивных ИОС с помощью малогазового порошкообразного металлизированного топлива (ПМТ) на основе алюминия и магния с последующей переработкой шлаков в магний-фосфатную керамику.

Цель настоящей работы - разработка способа кондиционирования шлаков, получаемых при сжигании сульфосодержащих ИОС. Содержащиеся в этих шлаках сульфаты необходимо перевести в состав нерастворимых соединений и тем самым улучшить химическую стойкость конечного продукта.

Для этого проведена оптимизация состава ПМТ путем добавки оксидов кальция, магния и нитрата бария с целью получения в твердых продуктах сгорания нерастворимых сульфатов соответствующих металлов, а также повышения содержания магния в шлаке, поскольку этот показатель имеет определяющее значение для получения магний-фосфатной керамики.

Результаты рентгенофазового анализа (табл. 1) подтверждают присутствие в шлаках от сжигания ИОС нерастворимых сульфатов бария и кальция, а также снижение содержания водорастворимого сульфата натрия.

Таблица 1. Результаты рентгенофазового анализа шлака от сжигания сульфосодержащих ИОС

№ шлака

Вид топлива

Основные соединения

1

Исходное топливо
без добавок

MgO, CaSO4, Na2SO4

MgSO4.3H2O

MgAl2O4 (шпинель)

2

Оптимизированное топливо с добавкой CaO, Ba(NO3)2

BaSO4, MgAl2O4

MgO, Na2SO4, СaSO4

BaCa(CO3)2

3

Оптимизированное топливо с добавкой

MgO, Ba(NO3)2

MgAl2O4

MgO, Na2SO4, BaSO4

Na6Mg(SO4)4

 

Для кондиционирования шлака использована низкотемпературная магний-фосфатная композиция, основной структурообразующей фазой которой является гексагидрат магний-калий-фосфата MgKPO4.6H2O.

Процесс основан на реакции:

MgO + KH2PO4 +5Н2О KMgPO4.6H2O.

Магний-фосфатную керамику на основе шлака получали по следующей схеме: измельчение шлака - приготовление реакционной смеси из шлака и дигидрофосфата калия - затворение водой исходной реакционной смеси, получение вяжущего раствора - твердение вяжущего раствора до монолитного состояния.

Получаемая смесь легко сливается в форму, твердеет в течение нескольких часов и достигает максимальной прочности через несколько дней.

Ранее [1,2] были проведены работы по включению шлаков от сжигания отработанных радиоактивных ИОС в керамическую матрицу, и исследованы физико-химические свойства полученной керамики. Первоначальные данные показали, что при достаточной химической стойкости прочность керамической матрицы являлась довольно низкой (на 28 сутки – в пределах 6 МПа). Для повышения прочности оптимизировали как рецептуру металлизированного топлива, так и состав вяжущей системы. Оптимизацию состава вяжущих систем проводили двумя путями:

·         добавлением оксида магния в реакционную смесь при получении вяжущего раствора;

·         использованием в качестве затворителя растворов ортофосфорной кислоты.

Это позволило существенно повысить механическую прочность образцов магний-фосфатной керамики (табл. 2).

Таблица 2. Прочность образцов магний-фосфатной керамики

Состав вяжущего раствора

Содержа-
ние магния в шлаке, %

Затворитель

Прочность на сжатие конечного
продукта, МПа

Наполне-ние шлаком керамики, %

1

Без добавок

12,5

Дистиллиро-ванная вода

6,0

59,2

2

С добавкой MgO

15

Дистиллиро-ванная вода

7,0

52,5

Состав вяжущего раствора

Содержа-
ние магния в шлаке, %

Затворитель

Прочность на сжатие конечного
продукта, МПа

Наполне-ние шлаком керамики, %

3

С добавкой MgO

15

1 М раствор H3PO4

9,2

68,2

4

С добавкой MgO

25

1 М раствор H3PO4

12,5

52,2

Таким образом, оптимизация состава топлива для сжигания ИОС позволила добиться перевода большей части образующихся в шлаке сульфатов, в нерастворимую форму, а оптимизация состава вяжущей системы с включенными шлаками от сжигания ИОС — повышения механической прочности конечного кондиционированного продукта.

Литература

1.              Материалы международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005». Секция «Химия», т.2. М.: 2005

2.              III Международный симпозиум «Горение и плазмохимия». — Алматы: Казак университетi. – 2005. – 422 с.