Патент на изобретение №2378723

(54) КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ И ХИМИЧЕСКИХ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к области атомной техники и технологии, касается вопросов переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности. Сущность изобретения: композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов на основе магнезиального вяжущего, включающем раствор отвердителя, состоящего из жидкости затворения, магнезиального вяжущего и наполнителя, по изобретению в раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения входит водный раствор сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см³, причем присутствующее в составе раствора отвердителя магнезиальное вяжущее входит в него в виде порошка магнезиального каустического, при этом сам композиционный материал дополнительно содержит каталитическую углеродосодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок магнезитовый каустический 30-50; наполнитель 30-50; каталитическая углеродосодержащая добавка 0,01-0,5; водный раствор сульфата магния – остальное.

При этом в качестве раствора сульфата магния используется раствор эпсомита плотностью 1,1-1,3 г/см³. Для решения поставленной задачи композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов по второму варианту исполнения аналогичен первому варианту за исключением того, что раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения содержит водный раствор хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³, при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок магнезитовый каустический 30-50; наполнитель 30-50; каталитическая углеродосодержащая добавка 0,01-0,5; водный раствор хлористого магния – остальное. По обоим вариантам исполнения в качестве каталитической углеродосодержащей добавки используются пирокарбон, белая сажа или порода шунгита. Кроме того, в качестве наполнителя композиционный материал содержит металлургический шлак с размерами частиц до 0,074 мм или золу от сжигания органических и/или неорганических веществ. Наряду с этим он дополнительно содержит остекловывающую добавку в виде бентонитовой глины в количестве до 0,5 мас.%.

Техническим результатом изобретения является высокая и равномерная степень наполнения компаунда отходами с образованием на нем низкопроницаемого для радионуклидов приповерхностного слоя, высокая механическая прочность и влагостойкость компаунда в течение длительного времени. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области атомной техники и технологии и касается вопросов переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности.

Известна композиция радиоактивной пульпосодержащей смеси для захоронения отходов в геологические формации методом гидравлического взрыва пласта, которая содержит в своем составе радиоактивную пульпу, цемент в качестве связующего, винную кислоту в качестве замедлителя схватывания, а также сухую овальную породу, образующуюся при добыче цемента. Композиция позволяет повышать прочность образующегося цементного камня в два раза (авт. св. РФ 1688713, 1993 г.).

Указанная композиция имеет недостаток, заключающийся в низком содержании твердой части в радиоактивной пульпе, 1:14, и, соответственно, низкое содержание отходов в композиции.

Известен монолитный блок для иммобилизации жидких радиоактивных отходов, включающий концентрированные жидкие радиоактивные отходы и отвердитель в виде минералоподобного материала, фиксирующего в своей структуре компоненты радиоактивных отходов. Причем блок имеет кристаллическую или аморфную структуру, а его компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: окислы компонентов радиоактивных отходов 30-60, минералоподобный материал – остальное (пат. РФ 2160937, 2000).

Однако природные материалы, используемые в качестве отвердителя жидких радиоактивных отходов, обладают невысокой механической прочностью и недостаточной стойкостью к выщелачиванию водой и, как следствие, может разрушиться монолитный блок. Кроме того, у монолитного блока, образующегося из природных соединений, использующихся в качестве отвердителя, отсутствует высокопрочный низкопроницаемый приповерхностный слой, препятствующий миграции радионуклидов, что также способствует их утечке в окружающую среду.

Известна также композиция для образования прочного твердого монолитного блока, фиксирующего в своей структуре компоненты жидких радиоактивных отходов, на основе магнезиального вяжущего, включающая раствор трехкомпонентного отвердителя, состоящего из жидкости затворения в виде раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³, магнезиального вяжущего и тонкодисперсного минерального наполнителя с размерами частиц 0,005-0,015 мм. При этом в качестве раствора хлористого магния используется раствор бишофита, а в качестве магнезиального вяжущего – смесь отходов металлургического производства, содержащих оксид и силикат магния с удельной поверхностью 3,0-7,0 м²/г, и бруситовой пыли. Причем в качестве тонкодисперсного минерального наполнителя используется порошок барита (полевого шпата) (пат. РФ 2214011) – прототип.

Однако композиция для получения иммобилизующего материала – компаунда, приведенная в известном способе по патенту РФ 2214011, имеет ряд недостатков.

Так, использование в композиции в качестве одного из компонентов отвердителя – раствора хлористого магния – экономически неэффективно, поскольку этот химический реактив имеет высокую стоимость, а использование раствора бишофита в качестве раствора хлористого магния значительно ограничивает сырьевую базу применения указанного материала для иммобилизации упомянутых отходов.

Кроме того, процесс отверждения иммобилизующего отходы материала осуществляется достаточно длительное время, настолько, что радиоактивные отходы с малым удельным весом за это время успевают всплыть в иммобилизующем растворе, и в результате в образовавшемся компаунде степень его заполнения отходами по всему объему становится неравномерной.

И, наконец, использование в составе отвердителя в качестве наполнителя порошков барита или полевого шпата сужает область применения указанной композиции, ограничивая ее использование для иммобилизации только жидких радиоактивных отходов и не позволяет распространить для иммобилизации твердых радиоактивных и химических токсичных отходов, таких, как, например, золы от сжигания отходов, шлаков от переплавки радиоактивно загрязненных металлов и т.д., поскольку в этом случае не обеспечивается достаточная для длительного хранения прочность образовавшегося монолитного блока, включающего в себя упомянутые отходы. Таким образом, в указанной композиции материал для иммобилизации жидких радиоактивных отходов, включающей отверждение последних в нем и выдержку до формирования прочного твердого монолитного блока – компаунда, не является экономически эффективным и универсальным и имеет ограниченную сырьевую базу.

Задачей предлагаемого изобретения является создание универсального композиционного материала, предназначенного для иммобилизации жидких и твердых радиоактивных и/или химических токсичных отходов с помощью недорогих широко распространенных природных материалов, обеспечивающего высокую и равномерную степень наполнения компаунда указанными отходами с образованием на нем низкопроницаемого для радионуклидов приповерхностного слоя и высокие механическую прочность и влагостойкость компаунда в течение длительного времени.

Для этого в композиционном материале для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов на основе магнезиального вяжущего, включающем раствор отвердителя, состоящего из жидкости затворения, магнезиального вяжущего и наполнителя, по изобретению в раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения входит водный раствор сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см³, причем присутствующее в составе раствора отвердителя магнезиальное вяжущее входит в него в виде порошка магнезиального каустического, при этом сам композиционный материал дополнительно содержит каталитическую углеродосодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

При этом в качестве раствора сульфата магния используется раствор эпсомита плотностью 1,1-1,3 г/см³.

Для решения поставленной задачи композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов по второму варианту исполнения аналогичен первому варианту за исключением того, что раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения содержит водный раствор хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

По обоим вариантам исполнения в качестве каталитической углеродосодержащей добавки используется пирокарбон, белая сажа или порода шунгита.

Кроме того, в качестве наполнителя композиционный материал содержит металлургический шлак с размерами частиц до 0,074 мм или золу от сжигания органических и/или неорганических веществ. Наряду с этим он дополнительно содержит остекловывающую добавку в виде бентонитовой глины в количестве до 0,5 мас.%.

Использование в отвердителе по первому варианту исполнения водного раствора сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см³, а по второму варианту исполнения – раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см позволяет применять дешевый для данного региона материал – сульфат магния и хлористый магний соответственно – при получении материала для иммобилизации рдиоактивных и/или химических токсичных отходов и тем самым снизить стоимость и повысить экономическую эффективность и экономичность иммобилизации указанных отходов.

Введение в композиционный материал по обоим вариантам исполнения каталитической углеродосодержащей добавки позволяет ускорить процесс твердения компаунда с включенными в него отходами, и благодаря этому за счет равномерного их распределения в иммобилизующем материале повысить степень заполнения компаунда радиоактивными и химическими токсичными отходами. Кроме того, каталитическая углеродосодержащая добавка ускоряет образование низкопроницаемого поверхностного слоя и повышает его прочностные и физико-химические характеристики. А использование в качестве каталитической углеродосодержащей добавки породы шунгита, который обладает высокой сорбционной способностью, повышает экологическую безопасность материала.

Включение в состав композиционного материала порошка магнезитового каустического, в качестве магнезиального вяжущего, повышает прочность монолитного блока с включенными в него отходами и его поверхностного слоя.

Использование в качестве наполнителя металлургических шлаков и золы от сжигания органических и/или неорганических веществ позволяет осуществлять иммобилизацию, кроме жидких радиоактивных отходов, также и твердых радиоактивных и химических токсичных отходов.

Дополнительное включение в композиционный материал остекловывающей добавки в виде бентонитовой глины повышает газо- и влагонепроницаемость поверхностного слоя компаунда, что обеспечивает эффективную изоляцию радиоактивных и химических токсичных отходов от биоцикла.

Для приготовления композиционного материала для иммобилизации радиоактивных и/или химических токсичных отходов готовят раствор отвердителя по первому варианту исполнения в виде раствора сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см³, а по второму варианту исполнения раствор отвердителя готовят в виде раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³, в каждый из которых добавляют магнезиальное вяжущее в виде порошка магнезитового каустического – 30-50 мас.%, наполнитель в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ или же металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм – 30-50 мас.% и каталитическую углеродосодержащую добавку – 0,01-0,5 мас.%. После выдержки приготовленного по соответствующему предлагаемому составу композиционного материала образуется прочный монолитный камнеобразный блок-компаунд, заключающий в себя радиоактивные и химические токсичные отходы, с образованием на его поверхности низкопористого прочного слоя, обладающий высокими механической прочностью и влагостойкостью и обеспечивающий длительное хранение указанных отходов, чем и обеспечивается радиационная и экологическая безопасность мест хранения иммобилизационных радиоактивных и химических токсичных отходов.

Как показали эксперименты, отверждение такого компаунда происходит в течение уже первых суток, и после 28 суток выдержки прочность образовавшегося твердого монолитного блока составляет 120-200 МПа.

Примеры по первому варианту исполнения предлагаемого композиционного материала

Пример 1.

Смесь водного раствора сульфата магния (эпсомита) плотностью 1,1-1,3 г/см³ – 33 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического – 32,9 мас.%, наполнителя в виде металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм (золы от сжигания органических и/или неорганических веществ) – 34,09 мас.%, каталитической углеродосодержащей добавки в виде пирокарбона (белой сажи) – 0,01 мас.% перемешивают вместе с радиоактивными и/или токсичными отходами и выдерживают до образования твердого монолитного блока.

Пример 2.

Смесь водного раствора сульфата магния (эпсомита) плотностью 1,1-1,3 г/см³ – 31,5 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического – 32 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) – 36 мас.%, каталитической углеродосодержащей добавки в виде породы шунгита – 0,5 мас.% перемешивают и выдерживают аналогичным образом, как в примере 1.

Пример 3.

Смесь водного раствора сульфата магния (эпсомита) плотностью 1,1-1,3 г/см³ – 32 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического – 35,8 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) – 32 мас.% и остекловывающей добавки в виде бентонитовой глины 0,2 мас.% перемешивают и выдерживают аналогичным образом, как в примере 1.

Примеры по второму варианту исполнения предлагаемого композиционного материала

Пример 4.

Смесь водного раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³ – 31 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического – 34 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) – 34,98 мас.%, каталитической углеродосодержащей добавки в виде пирокарбона (белой сажи) – 0,02 мас.% перемешивают вместе с радиоактивными и/или токсичными отходами и выдерживают до образования твердого монолитного блока.

Пример 5.

Смесь водного раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³ – 31,5 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического – 31 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) – 37,1 мас.%, каталитической углеродосодержащей добавки в виде породы шунгита – 0,4 мас.% перемешивают и выдерживают аналогичным образом, как в примере 4.

Пример 6.

Смесь водного раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³ – 32 мас.%, магнезиального вяжущего в виде порошка магнезиального каустического – 30 мас.%, наполнителя в виде золы от сжигания органических и/или неорганических веществ (металлургического шлака с размерами частиц до 0,074 мм) – 37,7 мас.% и остекловывающей добавки в виде бентонитовой глины 0,3 мас. % перемешивают и выдерживают аналогичным образом, как в примере 4.

Данные о свойствах композиционного материала с каталитической углеродосодержащей добавкой и без нее для обоих вариантов исполнения приведены в таблице.

Как видно из таблицы, в обоих вариантах исполнения введение в композиционный материал каталитической углеродосодержащей добавки значительно сокращает время ее отверждения и повышает прочность образовавшегося монолитного блока.

Формула изобретения

1. Композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов на основе магнезиального вяжущего, включающий раствор отвердителя, состоящего из жидкости затворения, магнезиального вяжущего и наполнителя, отличающийся тем, что в раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения входит водный раствор сульфата магния плотностью 1,1-1,3 г/см³, а магнезиальное вяжущее входит в виде порошка магнезитового каустического, при этом композиционный материал дополнительно содержит каталитическую углеродосодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве водного раствора сульфата магния используется раствор эпсомита плотностью 1,1-1,3 г/см³.

3. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит металлургический шлак с размерами частиц до 0,074 мм.

4. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит золу от сжигания органических и/или неорганических веществ.

5. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит пирокарбон.

6. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит белую сажу.

7. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит породу щунгита.

8. Композиционный материал по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он дополнительно содержит остекловывающую добавку в виде бентонитовой глины в количестве до 0,5 мас.%.

9. Композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов на основе магнезиального вяжущего, включающий раствор отвердителя, состоящего из жидкости затворения, магнезиального вяжущего и наполнителя, отличающийся тем, что в раствор его отвердителя в качестве жидкости затворения входит водный раствор хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³, а магнезиальное вяжущее входит в виде порошка магнезитового каустического, при этом композиционный материал дополнительно содержит каталитическую углеродосодержащую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

10. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит металлургический шлак с размерами частиц до 0,074 мм.

11. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит золу от сжигания органических и/или неорганических веществ.

12. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит пирокарбон.

13. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит белую сажу.

14. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что в качестве каталитической углеродосодержащей добавки он содержит породу шунгита.

15. Композиционный материал по любому из пп.9-15, отличающийся тем, что он дополнительно содержит остекловывающую добавку в виде бентонитовой глины в количестве до 0,5 мас.%.