СПОСОБ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОЧВ И ГРУНТОВЫХ ВОД Российский патент 1996 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к способам локализации радиоактивных загрязнений почв и грунтовых вод и может использоваться как для предотвращения утечки радионуклидов (р/н) из мест загрязнения, так и для очистки поверхностных и сточных вод в пунктах захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО).

Известен способ захоронения радиоактивных отходов (РАО) в скальных формациях, где роль защитного барьера выполняет скальный грунт [1[. Недостатком барьера данного типа является неспособность таких формаций к самозалечиванию образовавшихся и имевшихся ранее трещин, что ухудшает защитные функции барьера и создает угрозу утечки радиоактивности из них.

Известен также способ захоронения РАО, включающий захоронение РАО в глинистых отложениях, которые сами служат защитным барьером, причем более благоприятным фактором является большое содержание глинистых минералов [2] Однако в природных условиях однородные глинистые массивы встречаются достаточно редко и сами глины часто переслаиваются с суглинками, карбонатными и другими породами, что на практике приводит к утечке радиоактивности из мест захоронения РАО.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ локализации радиоактивных загрязнений почв, включающий создание вокруг места загрязнения защитного барьера, путем бурения на путях миграции радионуклидов четного числа рядов фронтально расположенных скважин, в нечетные ряды которых вводят 0,1% раствор соли, содержащей катион щелочно-земельного металла, а в четные ряды 0,1% раствор соли, содержащей анион минеральной кислоты при мольном соотношении количеств вводимых солей 1:1 [3]
Недостатком известного способа является то, что при временном прекращении поступления реагентов в скважины может быть прорыв радиоактивности через геохимический барьер.

Целью изобретения является повышение степени локализации радиоактивных загрязнений почв и грунтовых вод.

Цель достигается тем, что сначала вокруг места загрязнения создают водонепроницаемую защитную оболочку из силиката натрия и глины, а внутри очага загрязнения бурят скважины, расположенные по гексагональной сетке, в которые вводят 0,1% растворы солей, содержащие катионы кальция, железа или марганца и анионы фосфорной и серной кислот, причем в нечетные ряды растворы вводят в следующей последовательности ионы кальция, фосфорной кислоты, сульфата железа или марганца, а в четные ряды первыми вводят ионы сульфата железа или марганца, а затем ионы кальция и фосфорной кислоты.

Особенностью способа является то, что миграция р/н (в том числе и трансурановых элементов ТУЭ), содержащихся в грунтовых водах, затрудняется образующимся в порах и трещинах самого могильника РАО (из вводимых в него катионов кальция и анионов серной кислоты) гипса - CaSO₄•2H₂O, который запечатывает имеющиеся места возможных утечек р/н. Сами р/н осаждаются непосредственно на геохимическом барьере, который создает внутри самого могильника РАО в момент контакта растворенных р/н c кальций- и фосфат-ионами и с железо- (или марганец-) и гидроксил-ионами. При своем взаимодействии указанные ионы кальция и фосфорной кислоты дают плохо растворимую минеральную фазу апатит, в кристаллическую решетку которой входят за счет изоморфизма присутствующие в грунтовых водах р/н, другие же р/н сорбируются на одновременно образующихся (тоже плохо растворимых) минеральных фазах гидроксидов и оксидов железа или марганца.

Таким образом, предлагаемым способом достигается: 1) гидроизоляция мест загрязнения р/н; 2) заполнение оставшегося в теле могильника РАО порового и трещинного объема новообразованным гипсом; 3) изоморфное вхождение части р/н внутрь кристаллической решетки новообразованного плохо растворимого фосфата кальция и 4) сорбционный захват другой части р/н (особенно ТУЭ) на поверхности также новообразованных в теле самого могильника РАО плохо растворимых гидроксидов и оксидов железа или марганца.

Вышеуказанные составы катионов и анионов вводят в грунт в виде их водорастворимых солей через скважины или иглофильтры. Сначала вокруг места захоронения или загрязнения РАО создают водонепроницаемую защитную оболочку из силиката натрия и глины, причем первый нагнетается через скважины, а глина используется в виде верхнего покровного защитного экрана. Затем в тело могильника РАО через скважины или иглофильтры вводят водные растворы кальция, сульфата железа или марганца и водный раствор аниона фосфорной кислоты. Указанные растворы вводят через отдельные скважины, которые располагаются относительно друг друга по гексагональной сетке (фиг.1). Расстояние между скважинами от 2 до 5 м, т.к. при меньшем расстоянии эффект полного захвата р/н геохимическим барьером может быть не полным.

Способ локализации радиоактивных загрязнений почв и грунтовых вод осуществляется следующим образом.

Вокруг ПЗРО бурят скважины под углом навстречу друг другу таким образом, чтобы концы скважин, через которые подается жидкое стекло, перекрывали друг друга. Этим достигается гидроизоляция могильника РАО снизу и с боков (он оказывается как бы в корыте из окиси кремния). Диаметр и глубина скважин, а также расстояние между скважинами и от стен ПЗРО зависит и определяется конкретной геолого-гидрогеологической обстановкой района могильника РАО.

Для конкретного случая ПЗРО "Рыжий лес" в районе Чернобыльской АЭС предложено: диаметр скважин 57-89 мм; глубина скважин 15-20 м; расстояние между скважинами 4-6 м; удаление скважин от стенок могильника РАО 3-5 м.

После создания снизу и с боков ПЗРО защитного водонепроницаемого слоя из отвердевшего кремнезема могильник РАО сверху покрывается защитным глинистым экраном мощностью 0,5-1 м. Этим достигается практически полная гидроизоляция р/н в могильнике РАО. В само тело ПЗРО через скважины или иглофильтры вводят водорастворимые ионы кальция, сульфата железа (или марганца) и фосфорной кислоты. При этом, в зависимости от имеющихся в наличии реагентов, будут иметь место следующие реакции например:
2FeSO₄+3H₃PO₄+7CaO+0,5O₂+3H₂O= 2CaSO₄•2H₂O+Ca₅(PO₄)₃OH +2Fe(OH)₃ (1)
2Fe(OH)₃=Fe₂O₃+3H₂O (2)
2MnSO₄+3H₃PO₄+7CaO+O₂= 2CaSO₄•2H₂O+Ca₅(PO₄)₃OH+2MnO₂ (3)
Вместо фосфорной кислоты можно использовать также фосфат калия или натрия. Ионы кальция следует вводить в избытке 5-10% т.к. в кислой среде апатит растворяется.

Выпадающий в осадок гипс запечатывает поровое пространство и трещины в стенках могильника, апатит фиксирует р/н за счет их изоморфного захвата в свою кристаллическую решетку, гидроксид или оксид железа или марганца сорбирует другие р/н, особенно ТУЭ. Для подтверждения осуществления способа и достижения поставленной цели были проведены лабораторные испытания на воде, взятой из ПЗРО "Рыжий лес" в зоне Чернобыльской АЭС.

Пример 1. Исходные водорастворимые реагенты применялись в виде 0,1%-ных растворов при их мольном соотношении согласно приведенных выше реакций (1 - 2). Отбиралось 6 л загрязненной р/н воды из могильника "Рыжий лес" в районе Чернобыльской АЭС. Весь этот объем воды делился на три равные части. В первой порции (2 л) растворяли 6 г фосфорной кислоты (в пересчете на ее 100% содержание), в другой порции 3,8 г сульфата железа и в третьей порции 4,91 г оксида кальция. Затем эти три раствора смешивали (при постоянном перемешивании), причем сначала сливали растворы оксида кальция и фосфорной кислоты и уже потом добавляли сульфат железа.

Выпавший осадок представлял собой смесь гипса, апатита и гидpоксида железа, общий вес осадка был равен 12,5 г (после просушивания).

На анализ содержания радионуклидов отбирали 300 мл раствора. Оставшиеся 5,7 л раствора снова делили на три равные части. В первой из них растворили 5,7 г фосфорной кислоты, во второй 3,6 г сульфата железа и в третьей 4,66 г оксида кальция. Затем снова при перемешивании сливали все три раствора по аналогии с первым опытом. Выпавший осадок весил 11,9 г (после сушки).

На анализ содержания радионуклидов отбирали 300 мл раствора. Оставшиеся 5,4 л снова поделили на три равные части. В одной из них опять растворили 5,4 г фосфорной кислоты, во второй части 3,42 г сульфата железа и в третьей
4,42 г оксида кальция. Затем снова смешали аналогичным образом все три раствора. Вес выпавшего осадка составил 11,3 г (после просушивания).

На анализ содержания радионуклидов отобрали 300 мл раствора. Осадок был отфильтрован и высушен в течение 2 мес. За все время Опытов было получено 35,7 г осадка.

В результате опытов по очистке радиоактивной воды она стала удовлетворять нормам ДК_Б (НРБ 76/87) табл.1.

Пример 2. Исходные водорастворимые реагенты применялись в виде 0,1%-ных растворов при их мольном соотношении согласно приведенной выше реакции (3).

Отбиралось 6 л загрязненной радионуклидами воды из могильника "Рыжий лес" в районе Чернобыльской АЭС. Весь этот объем воды поделили на три равные части. В первой порции (2 л) растворяли 6 г фосфорной кислоты (в пересчете на ее 100% содержание), в другой порции 1,37 г сульфата марганца и в третьей порции 4,91 г оксида кальция. Затем эти три раствора смешивали (при постоянном перемешивании), причем сначала сливали растворы оксида кальция и фосфорной кислоты и уже потом добавляли сульфат марганца.

Выпавший осадок представлял собой смесь гипса, апатита и оксида марганца, общий вес осадка после просушивания был равен 12,7 г.

На анализ содержания радионуклидов отбирали 300 мл раствора. Оставшиеся 5,7 л раствора снова делили на три равные части. В первой из них растворили 5,7 г фосфорной кислоты, во втоpой 1,31 г сульфата марганца и в третьей - 4,66 г оксида кальция. Затем снова при постоянном перемешивании слили все три раствора по аналогии с первым опытом. Вес выпавшего осадка после просушивания составил 12,1 г.

На анализ содержания радионуклидов отобрали 300 мл раствора. Оставшиеся 5,4 л снова поделили на три равные части. В одной из них снова растворили 4,5 г фосфорной кислоты, во второй части 1,23 г сульфата марганца и в третьей 4,42 г оксида кальция. Затем снова смешали все три раствора сначала фосфорную кислоту с оксидом кальция и затем добавили сульфат марганца. Вес выпавшего осадка после сушки составил 11,4 г.

На анализ содержания радионуклидов отобрали 300 мл раствора. Осадок был отфильтрован и высушен в течение 2 мес. За все время опытов было получено 36,2 г осадка.

В результате опытов по очистке радиоактивной воды она стала удовлетворять нормам ДК_Б (НРБ 76/87) табл. 2.

Пример 3. Проводили натурные испытания геохимических барьеров в районе самого ПЗРО "Рыжий лес" района Чернобыльской АЭС (аналогично опытам, описанным в патенте РФ N 1806411 (3).

Испытания проводили в металлическом ящике размером 2000х500х350 мм, разделенном на 8 секций, 4 перегородки не достигают дна ящика, 3 перегородки не достигают верха ящика на 95 мм. Ящик на высоту 30 см засыпан песком. В первую секцию наливали воду из раскопа в ПЗРО, в которую предварительно добавляли исходные реагенты оксид кальция и фосфорную кислоту, сначала один, а затем другой. Во вторую секцию добавляли в воду сульфат железа. Фильтрация воды через песок происходила медленно, в последнем 8-м секторе вода показалась через 18 дней. Она удовлетворяла всем нормам ДК_Б, что показано в табл. 3.

Пример 4. Проводили аналогично примеру 3, но в качестве сульфата использовался сульфат марганца. Результаты испытаний показали, что по всем радионуклидам достигнута конечная активность ниже требований НРБ-76/87 (Нормы радиационной безопасности НРБ-76/87 и основные санитарные правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП-72/87. M. Энергоатомиздат, 1988).

Полученные данные свидетельствуют, что активность воды после прохождения через защитный геохимический барьер снижается до норм ДК_Б.

Таким образом, использование заявляемого изобретения позволит:
Повысить степень локализации радиоактивных загрязнений почв и грунтовых вод в районах захоронения радиоактивных отходов и при возможных авариях атомных производств.

Предотвратить миграцию радионуклидов из зоны радиоактивного загрязнения как с грунтовыми водами, так и возможность их последующего испарения и поступления в состав атмосферной пыли, что будет способствовать улучшению экологической обстановки.

Перевести растворенные радионуклиды в нерастворимое состояние, в том числе и трансурановые элементы, и закрыть все возможные пути их миграции из мест загрязнения.

Использование: локализация радиоактивных загрязнений почв и грунтовых вод. Сущность: способ заключается в том, что вокруг очага загрязнения создают защитный барьер из силиката натрия и глины, а внутри очага загрязнения бурят скважины, расположенные в гексагональном порядке. В скважины нечетных рядов вводят последовательно 0,1%-ные растворы солей, содержащих ионы кальция, анионы фосфорной кислоты и сульфат железа или марганца. В скважины четных рядов сначала вводят раствор соли сульфата железа или марганца, а затем вводят растворы солей, содержащих ионы кальция и анионы фосфорной кислоты. Техническим результатом является повышение степени локализации радиоактивных загрязнений и предотвращения их распространения в окружающую среду. 3 табл., 1 ил.

Способ локализации радиоактивных загрязнений почв и грунтовых вод, заключающийся в том, что внутри очага загрязнения бурят скважины, в которые вводят 0,1%-ные растворы солей, отличающийся тем, что предварительно вокруг места загрязнения создают водонепроницаемую защитную оболочку из силиката натрия и глины, скважины располагают в гексагональном порядке, в скважины нечетных рядов вводят последовательно растворы солей, содержащих ионы кальция, анионы фосфорной кислоты и сульфат железа или марганца, а в скважины четных рядов сначала вводят раствор соли сульфата железа или марганца, а затем вводят растворы солей, содержащих ионы кальция и анионы фосфорной кислоты.