СОРБЕНТ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ Российский патент 1996 года по МПК B01J20/00 G21F9/12 

Изобретение относится к области сорбции, в частности, к сорбентам для извлечения радионуклидов из объектов в зоне радиоактивного заражения (почва, донные отложения и др.)
Известен сорбент для извлечения радионуклидов, содержащий синтетический цеолит /1/.

Недостатком сорбента является трудность удаления его с поверхности объекта после окончания процесса обработки.

Задачей изобретения является облегчение удаления сорбента с поверхности обработанного им объекта.

Указанная задача решается сорбентом, содержащим синтетический цеолит NaX, KX, СaX, NaA, KA, CaA или Na-морденит, неорганическое связующее гипс, цемент, каолинитовую глину или кремнезоль и магнитоактивный компонент - карбонильное железо, сплав железа, молибдена и никеля или магнитный железняк при следующем соотношении компонентов, мас. синтетический цеолит NaX, KX, CaX, NaA, KA, CaA или Na-морденит 25-50; неорганическое связующее гипс, цемент, каолинитовая глина или кремнезоль 25-33; магнитоактивный компонент - карбонильное железо, сплав железа, молибдена и никеля или магнитный железняк
17-50.

В качестве основы композиции использовали синтетические цеолиты, содержащие катионы щелочных или щелочноземельных металлов (натрия, калия или кальция). Применяемые синтетические цеолиты выпускаются промышленностью по ТУ38-10268-85 и представляют собой алюмосиликаты, со строго заданной структурой, в состав которых входит окись кремния, окись алюминия и катионы щелочных металлов. Данные цеолиты предназначаются для применения в реакциях изомеризации, трансалкирования и диспропорционирования ароматических углеводородов, для сушки, очистки и разделения кислых, газообразных и жидких сред, а также в вакуумной и криогенной технике для создания и поддержания глубокого вакуума адсорбционно-криогенным методом и в процессах селективного гидрокрегинга бензиновых фракций в качестве катализатора. Применение других цеолитов, как например, эрионита, пентасила, не привело к желаемым результатам: механическая прочность не превышала 0,4 кг/мм², водостойкость 82%
Как нами экспериментально установлено, вышеназванные синтетические цеолиты обладают достаточными сорбционными свойствами и могут быть использованы для извлечения радионуклидов стронция и цезия. Так, сорбционная емкость цеолита NaX составляет 0,37 мг.экв/г. Однако данные цеолиты не обладают магнитными свойствами и удаление их после взаимодействия с объектом крайне затруднено.

Для придания сорбенту магнитных свойств с целью осуществления его последующего удаления с обработанной поверхности к цеолиту добавлен магнитоактивный компонент, в качестве которого использовали железосодержащее соединение, а именно, карбонильное железо Р-10, выпускаемое в промышленности по ТУ 6-09-300-78 или сплав железо-молибден-никель марки П 250 ТУ 8-15-360-87, или окисел железа магнитный железняк, представляющий собой смесь окиси железа Fe₂O₃ ТУ 6095346 и записи железа FeO ТУ 60914-04-71.

Как показали результаты проведенных экспериментов, добавление именно этих соединений позволило придать сорбенту магнитные свойства. При добавлении других железосодержащих соединений и солей железа (FeCl₃, FeBr₂, Fe₂/SO₄/₃) магнитные свойства сорбента оказались недостаточными, а сорбционная способность ухудшилась.

В качестве неорганического связующего в композиции предлагаемого сорбента использовали: гипс ГОСТ 125-57 с 1 или цемент ПЦ-400 ГОСТ 101 78-85, или глину каолинитовую ГОСТ 39-202-86, или кремнезоль ТУ 38.102188 марки СН-2.

Как показали проведенные эксперименты, применение других веществ в качестве связующих, например, магнезиала вяжущего ГОСТ 1216-41, не дало положительных результатов.

Именно данные вещества позволили создать сорбент, обладающий стабильными механической прочностью и водостойкостью при нахождении во влажной среде.

Сорбент готовили путем смешения компонентов в смесителе при температуре окружающей среды до получения однородной массы. Затем небольшими порциями добавляли воду до получения пастообразной массы, подвергали ее пластификации и формовали на шнековом грануляторе с матрицей диаметром 1-3 мм.

Гранулы подсушивали при температуре 100-120^oC, прокаливали при 530^oC в течение 4 часов.

Ниже приведены примеры конкретного выполнения при получении композиций предлагаемого сорбента.

Пример 1. Взяли 50 г сухого цеолита NaX-1001, 33 г цемента (марки 100) и 17 г карбонильного железа. Компоненты тщательно перемешали в смесителе СМ-30 до получения однородной массы. Затем добавили воду до получения пастообразной массы, пластифицировали и гранулировали на шнековом грануляторе. Гранулы выдерживали во влажном состоянии в течение 4-5 суток.По окончании этой операции гранулы промывали и высушивали при температуре 120-150^oC в течение 5-10 час.

Получили сорбент следующего состава, мас.

цеолит 50
цемент 33
карбонильное железо 17
Характеристика сорбента.

Размер гранул 2 мм
Общая объемная емкость* по Sr²⁺
Удельная емкость** по Sr²⁺
Магнитная активность*** Ma 1,3 м/с²
Коэффициент десорбции**** α=0,22
Механическая прочность начальная***** P_н 1,5 кг/мм²
Механическая прочность после нахождения в течение 2-х суток на влажной почве P₁ 1,5 кг/мм²
Механическая прочность после нахождения в течение 10 суток на влажной почве P₂ 1,5 кг/мм²
Водостойкость****** B_н 99,5%
Водостойкость после нахождения в течение 2-х суток на влажной почве B₁ 99,5%
Водостойкость после нахождения в течение 10 суток на влажной почве В₂ 99,5%
*Общая объемная емкость по стронцию А в мг•экв/г сорбента определялась по количеству стронция, сорбированного из раствора 0,01 N NaCl в течение двух суток и вычислялась по формуле:

где С_Sr0 исходная концентрация раствора стронция, равная 0,01 N (0,01 N SrCl₂;
C_Srост остаточная концентрация стронция в растворе;
m_c масса сорбента, г.

**Удельная объемная емкость по рассчитывалась по формуле:

где m_к масса цеолита в сорбенте.

***Магнитная активность (Ма) характеризуется ускорением а м/с² в магнитном поле 10 эрст и определялась по градуировочным кривым в координатах а (m/c²) n (n состав композиции сорбента).

****Коэффициент десорбции α отношение количества стронция, извлеченного из сорбента, при обработке его растворами с рН 1-6 к первоначальному количеству стронция.

*****Механическая прочность сорбента в кг/мм² определялась на приборе ПР-1 с помощью набора гирь, как средняя величина из 20 однородных гранул.

****** Водостойкость устойчивость цеолита к воздействию на него воды - определялась по формуле:

где B массовая доля водостойкости,
c₁ навеска цеолита в дегидратированном состоянии, г;
с₂ вес крошки после прокалки при 800^oC, г.

Пример 2. Взяли 48 г сухого цеолита СаХ 1001, 26 г гипса, 26 г карбонильного железа, далее по примеру 1. Получили сорбент следующего состава, мас.

цеолит СаХ 48
гипс 26
карбонильное железо 26
Характеристика сорбента.

d 2,3 мм


Ма 1,2 м/с²
α 0,20
Р_н 1,4 кг/см²
Р₁ 1,4 кг/см²
В₁ 99,3%
В₂ 99,3%
Пример 3. Взяли 25 г сухого цеолита КА 997, 25 г глины каолинитовой, 50 г карбонильного железа, далее по примеру 1, за исключением режима сушки. Режим сушки: t 550^oC, t 2 час.

Получили сорбент следующего состава, мас.

цеолит КА 25
глина каолитовая 25
карбонильное железо 50
Характеристика сорбента.

d 2 мм


Ma 2 м/с²
α 0,13
P_н 1,35 кг/мм²
Р₁ 1,35 кг/мм²
P₂ 1,35 кг/мм²
В₁ 99,8%
В₂ 99,8%
Пример 4. Взяли 34 г сухого цеолита NaM-872, 32 г кремнезоля, 34 г сплава железо-молибден-никель, далее по примеру 1. Получили сорбент следующего состава, мас.

NaM-872 34
кремнезоль 32
сплав железо-молибден-никель 34
Характеристика сорбента.

d 2 мм


Ma 2,3 м/с²
α 0,14
Р_н 1,45 кг/мм²
Р₁ 1,45 кг/мм²
Р₂ 1,45 кг/мм²
В_н 99,8%
B₁ 99,8%
B₂ 99,8%
Пример 5. Взяли 50 г сухого цеолита КХ-1001, 33 г цемента (марки 100) и 17 г магнитного железняка, далее по примеру 1. Получили сорбент следующего состава, мас.

цеолит КХ-1001 50
цемент 33
магнитный железняк 17
Характеристика сорбента.

Размер гранул 2 мм


Ма 1,3 м/с²
α 0,22
Р 1,5 кг/мм²
Р₁ 1,5 кг/мм²
В_н 99,5%
B₁ 99,5%
B₂ 99,5%
Проведенные эксперименты показали, что выбранные соотношения компонентов обеспечивают оптимальные свойства композиций сорбентов. Цеолит содержится в композиции в количестве от 25 до 50 мас. Именно в этом интервале наблюдается оптимальная величина общей объемной емкости сорбента. Неорганическое связующее содержится в композиции от 25 до 33 мас. Уменьшение количества неорганического связующего приводит к уменьшению прочности сорбента, увеличение его содержания более 33% к снижению сорбционных свойств.

Магнитоактивный компонент содержится в композиции сорбента в интервале от 17 до 50 мас. Содержание магнитоактивного компонента менее 17 мас. приводит к уменьшению магнитной активности сорбента, а более 50 мас. нецелесообразно, так как не вызывает дальнейшего роста его магнитных свойств.

Сорбент для извлечения радионуклидов содержит синтетический цеолит NaX, KX, CaX, NaA, KA, CaA или Na-морденит (25-50 мас.%), неорганическое связующее - гипс, цемент, каолинитовую глину или кремнезоль (25-33 мас.%) и магнитоактивный компонент - карбонильное железо, сплав железа, молибдена и никеля или магнитный железняк (17-50 мас.%).

Сорбент для извлечения радионуклидов, содержащий синтетический цеолит, отличающийся тем, что он содержит синтетический цеолит NaX, КХ, СaX, NaA, КА, СаА или Na-морденит и дополнительно содержит неорганическое связующее гипс, цемент, каолинитовую глину или кремнезоль и магнитоактивный компонент
карбонильное железо, сплав железа, молибдена и никеля или магнитный железняк при следующем соотношении компонентов, мас.

Cинтетический цеолит NaX, КХ, СaX, NaA, КА, СаА или Na-морденит 25-50
Неорганическое связующее гипс, цемент, каолинитовая глина или кремнезоль 25-33
Магнитоактивный компонент карбонильное железо, сплав железа, молибдена и никеля или магнитный железняк 17-50