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


ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИГОДНОСТИ ЖЕЛЕЗОФОСФАТНЫХ ЦЕМЕНТОВ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ТВЁРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, ИЗВЛЕЧЕННЫХ ИЗ СПЕЦКАНАЛИЗАЦИОННЫХ ВОД

Созыкина В.Л., Малышев А.И.

Озерский технологический институт (филиал) МИФИ

Ряков А.В.

ФГУП «ПО «Маяк»

Расширение областей применения вяжущих веществ и использование их для нужд новой техники заставляют предъявлять к ним все более разнообразные требования. Актуальной становится задача создания таких вяжущих материалов, как жаростойкие цементы, цементы для защиты от радиации, со специальными электротехническими и теплофизическими свойствами, с определенным коэффициентом линейного расширения и т.д. Ортофосфорные соединения рассматриваются в перспективе как матрицы для создания первого иммобилизационного барьера при захоронении радиоактивных отходов.

Цель работы - исследование технологии синтеза железофосфатного цемента (ЖФЦ) с включением имитаторов твёрдых радиоактивных отходов (ТРО). Среди основных задач были: поиск оптимального соотношения компонентов, контроль условий синтеза (температуры, времени текучести и твердения), а также исследование полученных образцов на гидролитическую устойчивость и механическую прочность.

Имитатор отходов выбирался таким образом, чтобы химический состав элементов в нём был близким к составу прокаленных концентратов от переработки вод заводской спецканализации. Соотношение отходов и FeOx в опытах варьировалось от 1:1 до 1:3.

Результаты экспериментов могут быть суммированы следующим образом:

·         у образцов с имитаторами отходов, прокалённых при 600OС, средняя температура синтеза составила 73OС; время текучести пасты (12±9) мин. Максимальная плотность (2,31 г/см3) наблюдается у образца с соотношением отходов и FeOx 1:1;

·         для образцов с имитаторами отходов, прокалённых при 1050OС, наблюдается снижение температура реакции со 100OС до 88OС, средняя температура синтеза составила 94OС. Плотность образцов увеличивается от 1,7 до 2,5 г/см3
с уменьшением содержания отходов в шихте;

·         для образцов с непрокалёнными имитаторами отходов обнаружено, что при уменьшении доли отходов в шихте температура реакции снижается с 82OС до 62OС, средняя температура синтеза составила 76OС Плотность образцов не зависит от состава шихты и имеет значение (1,98 ± 0,53) г/см3;

·         снижение концентрации H3PO4 с 70 % до 60 % приводит к увеличению времени текучести и времени твердения для всех смесей (с прокалкой и без). При этом образцы получались менее пористыми;

·         исследование образцов на прочность показало, что наиболее оптимальным составом является тот, в котором соотношение отходов и FeOx составляло 1:1. Плотность образцов - (2,0±0,5) г/см3, время текучести 60 – 240 мин, время твердения
24 – 96 ч, прочность 67 – 141 кг/см2. Таким образом, из изготовленных образцов лишь 15% имеют удовлетворительные параметры;

·         при изготовлении образцов с использованием вторичного синтеза обнаружено, что образцы с 60% и 70%-ными кислотами получились плотными, на их поверхности есть неглубокие поры размером от 0,1 до 1,5 мм, а также микротрещины. В этих опытах добились одновременного снижения температуры реакции и увеличения периода текучести;

·         скорость выщелачивания фосфора в воду из образцов, синтезированных в одну стадию, к концу третьей недели составила соответственно 1,7х10-4 и 2,5х10-4 г/(см2·сут). У образцов, синтезированных в две стадии, она составила соответственно 6,0х10-5 и 1,4х10-5 г/(см2·сут), что почти на порядок меньше. Следовательно, улучшение механических свойств образцов за счет двустадийного синтеза увеличило химическую стойкость.

Данные исследований позволяют заключить, что для формирования прочных железофосфатных матриц необходимо знать примерный состав отходов, так как фосфорная кислота способна бурно реагировать с оксидами железа (II), стронция, бария, кальция и марганца. Концентраты и осадки, содержащие влагу, перед включением в ЖФЦ необходимо прокаливать. Для каждого вида отходов потребуется подбирать своё оптимальное соотношение компонентов (FexOy, H3PO4), так чтобы матрица имела приемлемую механическую и химическую стойкость при максимальном содержании ТРО. Наиболее оптимальным для синтеза цемента на основе имитаторов отходов вод спецканализации (ВСК) является состав, в котором соотношение отходов к FeOx равно 1:1 при использовании 65%-ной кислоты. При данных параметрах синтеза большинство образцов имели удовлетворительную плотность, время текучести и прочность.

Технология изготовления цемента привлекательна с точки зрения простоты и отсутствия вторичных РАО. Однако применительно
к утилизации осадков ВСК, данная технология требует доработки с целью увеличения плотности цемента.