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


ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОФОСФАТНОГО ЦЕМЕНТА

Волкова Т.С., Танкович Е.С.

Озерский технологический институт (филиал) МИФИ

Ряков А.В.

ФГУП «ПО «Маяк»

В последние годы особый интерес у исследователей вызывают ортофосфорные соединения. На основе фосфатных связующих получены различные виды высокоэффективных жаростойких материалов, отличающихся термостойкостью, прочностью, малой плотностью, стойкостью в агрессивных средах. Одним из преимуществ таких материалов по сравнению с керамическими и огнеупорными является возможность их получения без высокотемпературного обжига.

Весьма актуальным является использование ортофосфатов в качестве потенциальных матриц для создания первого иммобилизационного барьера при захоронении радиоактивных отходов. Новый метод иммобилизации альфа-активных твердых отходов предполагает использование металлофосфатного связующего, которое образуется в результате взаимодействия ортофосфорной кислоты с оксидами металлов. Измельченные альфа-активные отходы смешиваются с данным связующим и при затвердевании смеси образуется твердый композит, наподобие цементного блока. Наиболее перспективными для этого с точки зрения стоимости и простоты технологии являются композиции на основе оксидов железа.

Цель настоящей работы - исследование технологии синтеза железофосфатного цемента (ЖФЦ) с включением имитаторов ТРО.

Основным процессом при синтезе фосфатных связующих является растворение в фосфорных кислотах (чаще всего применяется H3PO4) окисных соединений.

Как показывают результаты исследования, твердение пасты на основе Fe2O3 и 60%-ной H3PO4 при 20оС происходит очень медленно, а достаточная прочность образцов достигается лишь через 10 суток. Наоборот, смесь FeO и H3PO4 очень активна, твердение происходит быстро с выделением большого количества тепла, что не позволяет остановить реакцию в определенный момент времени. Поэтому, для достижения оптимальных скоростей химических реакций, а, следовательно, и оптимальных условий для протекания структурообразующих процессов, при твердении пасты требуется варьировать содержание FeO и Fe2O3 в смесях.

Большой практический интерес представляет в этом плане магнетит Fe3O4, который является смешанным соединением FeO и Fe2O3, относящимся к классу шпинелей. Выбор магнетита в качестве основного компонента шихты обусловлен его распространенностью не только в природе, но и в отходах металлургического производства (прокатная окалина). В работе использован магнетит, приготовленный из соли Мора и хлорида железа (III).

Важной характеристикой цементоподобных связывающих материалов является величина их удельной поверхности. Измерение удельной поверхности полученных образцов железофосфатных порошков проводили методом газовой адсорбции с помощью установки СОРБИ N.4.1. В качестве газа-носителя использовался гелий, а газа-адсорбата – жидкий азот. Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые образцы имеют достаточную пористость.

Для формирования прочных железофосфатных матриц необходимо знать не только состав и свойства структуры магнетита, но и примерный состав отходов, так как фосфорная кислота способна бурно реагировать с оксидами стронция, бария, кальция и марганца, а также с их карбонатами. Для каждого вида отходов потребуется, по-видимому, подбирать свое оптимальное соотношение оксидов железа так, чтобы матрица имела приемлемую механическую и химическую стойкость при максимальном содержании твердых радиоактивных отходов.

В целом результаты проделанной работы позволяют заключить, что отсутствие вторичных отходов, невысокая стоимость материалов, а также низкие энергозатраты (процесс ведется при комнатной температуре) делают железофосфорные цементы перспективным материалом для иммобилизации твердых измельченных альфа-активных отходов. Однако недостаток информации по данной теме требует уточнения основных параметров ЖФЦ с точки зрения его надежности и долговечности.