СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОЧВЫ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ Российский патент 1998 года по МПК G21F9/28 

Изобретение касается дезактивации радиоактивно загрязненных почв методом изотопного разбавления и может быть использовано преимущественно в атомной технике при очистке от радионуклидов небольших участков почвы, загрязненных в результате каких-либо аварийных ситуаций на предприятиях атомной промышленности, разлива жидких радиоактивных отходов (ЖРО).

Известны технологии по дезактивации почв, находящиеся на стадии научных лабораторных разработок [1, 2] Среди них можно выделить несколько подходов, направленных на решение проблемы дезактивации почв:
удаление верхнего слоя почвы и захоронение его в качестве радиоактивных отходов;
фитодезактивация;
глубокое перепахивание почвы;
удаление верхнего слоя с последующей его дезактивацией.

Первый из перечисленных способов дезактивации почв является дорогостоящим, поскольку требует расходов на транспортировку и захоронение больших объемов почвы. Кроме того, применение такого способа дезактивации почв не способствует выделению и концентрированию радионуклидов в компактном виде. Глубокое перепахивание почв также не решает задачу очистки почвы, поскольку радионуклиды лишь перемещаются вглубь почвы, а направление их дальнейшей миграции по глубине трудно спрогнозировать. Фитодезактивация будет способствовать решению проблемы дезактивации почв, но требует повышения определенных агрохимических мероприятий для решения поставленной задачи. Действительно, ряд проведенных исследований показывает, что радионуклиды с большим трудом и в значительных количествах переходят из почвы в водные растворы. Поскольку в переходе радионуклидов по цепочке почва растения и т.д. важную, а, возможно, и первоочередную роль играет почвенный раствор, то на основании имеющихся данных можно с определенной степенью вероятности утверждать об относительно невысокой эффективности данного способа. Кроме этого возникает дополнительная задача по обращению с вторичными радиоактивными отходами, к которым следует отнести загрязненные растения. На наш взгляд наиболее оправданным способом дезактивации почвы является последний из перечисленных способов, т.е. удаление верхнего слоя почвы с последующей его дезактивацией. В этом случае небольшая часть почвы захоранивается в виде радиоактивных отходов, основная часть почвы возвращается на место, а радионуклиды удаляются из окружающей среды и концентрируются в небольшом объеме.

Наиболее близким к заявленному является способ очистки почвы от радионуклидов путем удаления верхнего слоя почвы и его последующей дезактивации, включающей выделение мелкодисперсной фракции и обработку раствором химических реагентов [3] Почву доводят до частиц размером менее 420 мкм. Каждую фракцию (в зависимости от размера частиц) исследуют на содержание радиоактивных веществ, определяют химический состав фракции. Затем измельченная почва подается в аппарат, работающий в режиме псевдоожижения, куда дезактивирующий раствор подается снизу вверх. В результате процесса гидросепарации происходит выделение наиболее загрязненных фракций почвы. При этом образуются и жидкие радиоактивные отходы.

Однако по этому методу необходимо, чтобы образцы загрязненной почвы содержали только растворимые радиоактивные вещества. В настоящее время показано, что радионуклиды цезия находятся в почвах, загрязненных радионуклидами после аварии на ЧАЭС, преимущественно в ионном состоянии. Тем не менее, опыты по десорбции показывают, что наблюдается зависимость величины перехода радиоцезия из почвы в десорбирующий раствор в зависимости от состава применяемого раствора. При этом величина извлечения радиоцезия даже достаточно концентрированными растворами неорганических и органических веществ, например, 1 моль/л HSl, 1 моль/л SH₃COONH₄, составляет небольшую величину 1 6% Это является существенным ограничением применимости вышеуказанного метода для дезактивации почв, загрязненных радионуклидами "чернобыльского" происхождения. Кроме того, применение концентрированных растворов может вызвать нарушение биохимического состава почв, а также вызвать определенные затруднения при дальнейшем обращении с использованными дезактивирующими растворами.

Задачей настоящего изобретения является способ дезактивации почв, обеспечивающий снижение содержания радионуклидов в почвах, с возможностью возврата в землепользовании наиболее важной части почвы. Кроме этого способ дает возможность сконцентрировать и удалить из биосферы радиоцезий за счет увеличения степени извлечения радиоцезия из почвы при минимальных затратах.

В результате решения данной задачи достигается новый технический результат, заключающийся в возможном использовании загрязненных земель и в снижении объемов вторичных радиоактивных отходов за счет повышения эффективности процесса дезактивации почв и за счет эффективного извлечения радиоцезия из растворов, образующихся в процессе обезвреживания вторичных ЖРО.

Данный технический результат достигается тем, что очистка почв проводится путем снятия верхнего загрязненного радионуклидами слоя почвы с его последующей дезактивацией, включающей выделение мелкодисперсной фракции и обработку растворами химических реагентов.

Отличительной особенностью изобретения является проведение дезактивации, которую осуществляют растворами, содержащими стабильный изотоп цезия в количестве 1•10^-5 1•10^-2 моль/л при величине pH раствора 4 8. В настоящем изобретении предлагается для дезактивации почв использовать явление изотопного обмена с целью вывода радионуклидов из почвы. Механизм вероятного перехода радиоцезия из почвы в десорбирующий раствор приводится ниже. При "радиоактивной" концентрации Cs-137 в почве, равной 1•10^-5 Ки/кг, его абсолютное содержание составит величину, равную 1•10^-9 моль/кг. Поэтому при введении в дезактивирующий раствор, контактирующий с почвой, стабильного изотопа цезия можно ожидать перераспределения всех изотопов цезия как в почве, так и в растворе пропорционально их массовому соотношению. Т.о. небольшие количества стабильного изотопа цезия в растворах могли бы привести к значительному снижению содержания радиоактивного изотопа цезия в почве. При этом отделение почвы от раствора приводит к удалению радиоцезия из биологического цикла, а почва освобождается от радиоактивных загрязнений.

Пример 1. Были поставлены опыты по изучению сорбционного поведения радиоцезия в системе илистая фракция почвы раствор. В раствор вводили радиоактивный изотоп цезия-137, концентрация которого составляла величину порядка 1•10^-5 Ки/л. Навеску почвы 0,2 г заливали этим раствором, объем которого составлял 20 мл. Составы растворов приведены в табл. 1. Сорбция изучалась в статических условиях. Для характеристики величины сорбции использовали коэффициент распределения (К_р), определяющий соотношение концентрации радионуклида в фазе сорбента и в растворе в каждый момент времени. Расчет К_р производили по убыли активности исходного раствора и рассчитывали по формуле:

где A_o, A_р содержание радиоцезия в растворе до и после сорбции;
V объем раствора, мл;
m навеска сорбента, г.

Определение содержания радиоцезия проводили путем измерения активности аликвот растворов до и после сорбции. Измерение активности аликвот растворов проводили с помощью Ge (Li) детектора ДГДК 100В с использованием анализатора импульсов LP-4900 В.

Кроме величины К_р для количественной оценки процесса сорбции использовали величину, названную сорбции и обозначенную (a), которую определяли по формуле:

Полученные данные, представленные в табл. 1, показывают, что по мере увеличения концентрации стабильного изотопа цезия в растворе уменьшается величина его сорбции почвой. Из приведенных данных можно заключить, что сорбционная емкость почвы по отношению к цезию имеет конечную и, вероятно, небольшую величину. Действительно, достаточно небольших количеств стабильного изотопа цезия (10 микромолей в литре) в растворе, чтобы заметно снизить его поглощение почвой. А это означает, что с ростом концентрации цезия (стаб. ) изотопы цезия остаются преимущественно в растворе, а не в почве. А это, в свою очередь, подтверждает, что метод изотопного обмена принципиально применим для того, чтобы уменьшить содержание цезия-137 в почвах и перевести его из почвы в раствор при наличии в растворе стабильного изотопа цезия.

Пример 2. В этом примере приведены результаты опытов по десорбции радиоцезия из илистой фракции почвы в модельных условиях. Моделирование заключалось в предварительной адсорбции Cs-137 почвой из раствора, который содержит лишь радиоактивный изотоп цезия-137. При этом время сорбции было выбрано небольшим (менее 24 ч), чтобы исключить возможную диффузию радионуклидов Cs-137 вглубь почвы. Полученные данные в виде сорбции приведены в табл. 2. Из полученных данных следует, что десорбция радиоцезия растворами, содержащими стабильный изотоп цезия в количестве 1•10^-5-1•10^-2 моль/л, выше по сравнению с растворами, не содержащими цезия. При этом с увеличением времени сорбции количество десорбированного радионуклида цезия-137 увеличивается. На основании данных, представленных в табл. 1 и табл. 2, можно заключить, что метод гетерогенного изотопного обмена позволяет перераспределить стабильный и радиоактивный изотопы цезия в системе почва-раствор.

Пример 3. Илистая фракция почвы, загрязненная радионуклидами цезия "чернобыльского" происхождения (реальные опыты), имела удельную активность 9,2 Бк/г. Навеску почвы весом 5 г заливают десорбирующим раствором объемом 100 мл. Количественно процесс десорбции радионуклидов цезия оценивали в виде процента десорбции (a), который рассчитывается по формуле:

где A_о, A удельная активность почвы перед десорбцией и после десорбции соответственно, Бк/г.

Составы десорбирующих растворов приведены в табл. 3. Из полученных данных по десорбции радиоцезия растворами, содержащими стабильный изотоп цезия, из реальных загрязненных почв следует, что десорбция радиоцезия растворами растет с увеличением концентрации стабильного изотопа цезия в десорбирующем растворе. Кроме того, увеличение времени концентрации раствора с почвой также приводит к увеличению десорбции радиоцезия из реальных образцов почв. Из приведенных данных также следует, что ни растворами воды, ни раствором 0,1 моль/л HSl, нейтрализованной концентрированным раствором NaOH, не удается выделить радиоцезий из почв. В то же время введение незначительных количеств стабильного изотопа цезия 1•10^-5 1•10^-4 моль/л приводит к перераспределению радиоцезия между почвой и раствором. При этом происходит переход его из почвы в раствор, что способствует снижению содержания цезия в почвах.

Пример 4. Образцы реальных, загрязненных радионуклидами почв без разделения их на отдельные фракции были подвергнуты дезактивации растворами, содержащими стабильные изотопы цезия. Методика проведения опытов, а также количественное описание процесса десорбции описаны в примере 3. Составы десорбирующих растворов приведены в табл. 4.

Из полученных данных следует, что введение относительно небольших количеств стабильного изотопа цезия приводит к увеличению количества радиоцезия, извлекаемого из почвы десорбирующими растворами. Причем растворами воды (без введения каких-либо химических реагентов) переход цезия из почвы в раствор незначителен.

Приведенные результаты показывают, что технология дезактивации радиоактивно загрязненной почвы, основанная на принципе изотопного обмена радионуклидов, способна решать задачу по очистке почв, загрязненных радионуклидами. Указанные значения концентрации стабильного изотопа цезия обеспечивают эффективное извлечение радиоцезия из почвы в десорбирующий раствор. Выбранные значения величины pH раствора позволяют сохранить структуру и биохимический состав обрабатываемой почвы.

Предлагаемая технология, ввиду отсутствия каких-либо других готовых предложений, позволяет на научной основе подойти к решению задачи по дезактивации почвы. В основе ее положены принципы, существенно отличающиеся от принципов, лежащих в основе приведенных выше предложений.

Таким образом, использование изобретения позволяет:
решить проблему реабилитации территорий, загрязненных радионуклидами;
использовать загрязненные территории;
удалить из биологического цикла радионуклиды цезия;
уменьшить вредное воздействие на биологически активный слой почвы;
снизить объем вторичных твердых (почвы) радиоактивных отходов;
сконцентрировать радионуклиды цезия в небольшом объеме.

Источники информации
1. Обеспечение радиационной безопасности и жизнедеятельности населения, проживающего на загрязненных радионуклидами территориях Республики Беларусь. Под ред. В.Н.Бурьяка, вып. 1. Минск, 1991, с.186.

2. Совместная программа ЕС-СНГ КЕС. Директорат 12. Научно-исследовательский отчет по работам, выполненным исследовательскими центрами стран СНГ в 1994 году: "Стратегия дезактивации". Под ред. Ю.П.Давыдова. Минск, ИРЭП АН РБ, 1994, с. 40.

3. Патент США N5045240, кл.G 21 F 9/28, опубл. 91.09.03, т. 1130, N 1.

Использование: дезактивация загрязненных радионуклидами цезия почв методом изотопного обмена. Сущность: способ заключается в удалении слоя загрязненной почвы, выделении мелкодисперсной фракции почвы и обработке выделенной фракции раствором, содержащим стабильный изотоп цезия в количестве 1•10^-5-1•10^-1 моль/л и имеющим значения pH 4 - 8. Достигаемый технический результат: повышение эффективности процесса дезактивации, увеличение степени извлечения радионуклида цезия из почв при минимальном объеме образующихся отходов. 4 табл.

Способ очистки почвы от радионуклидов путем удаления верхнего слоя почвы и его последующей дезактивации, включающий выделение мелкодисперсной фракции и обработку растворами химических реагентов, отличающийся тем, что обработку осуществляют растворами, содержащими стабильный изотоп цезия в количестве 1 • (10^- 5 10^-1) моль/л при pH раствора 4 8.