СПОСОБ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2006 года по МПК G21F9/06 C02F1/469 

Предлагаемое изобретение относится к процессам извлечения и очистки радиоизотопов стронция и цезия и может быть использовано в радиохимических технологиях при переработке жидких радиоактивных отходов. В современных процессах ядерного топливного цикла образуются жидкие радиоактивные отходы различного солевого состава, содержащие радионуклиды стронция-90 и цезия-134/137. Большие объемы занимают так называемые средне- и низкоактивные отходы, содержащие в своем составе незначительные концентрации радионуклидов стронция и цезия, при сравнительно низких концентрациях примесей стабильных элементов.

В большинстве известных способов переработки средне- и низкоактивных отходов используются комплексообразователи индивидуальных радионуклидов, причем это относится как к экстракционным, так и к сорбционным методам переработки жидких радиоактивных отходов. (1. А.с. 1706661 СССР, В 01 D 11/04. Опубл. БИ №3, 1992; 2. А.с. 1693438 СССР, G 01 N 1/28. Опубл. БИ №43, 1991; 3. А.С. 972704 СССР, В 01 D 13/02. Опубл. БИ №15, 1985)

Известен способ экстракционного извлечения цезия, согласно которому экстракцию ведут путем электродиализа в двухкамерном электродиализаторе с жидкой мембраной, содержащей изооктиловый эфир монометилфосфоновой кислоты, 4,4-дитетрабутилбензо-24-краун-8 и толуол, в течение 30 мин со степенью извлечения цезия, равной 99,9%. (А.с. 1005350 СССР, B 01 D 13/02. Опубл. БИ №15, 1985, прототип.)

В существующем способе жидкую мембрану с двух сторон ограничивают полупроницаемыми перегородками из целлофана, вследствие чего при наложении на систему постоянного электрического тока катионы примесей осаждаются на поверхности перегородок. При этом повышается омическое сопротивление мембраны, вплоть до полного прекращения процесса. Кроме того, селективность органической фазы к цезию не позволяет внутри мембранный перенос катионов цезия и стронция в едином процессе.

Техническим результатом изобретения является возможность совместного извлечения и очистки радионуклидов стронция и цезия от сопутствующих примесей при общей интенсификации процесса.

Технический результат достигается тем, что совместно извлекается стронций и цезий из нейтральных и слабо кислых сред. Совместную экстракцию катионов проводят путем электродиализа в двухкамерном диализаторе с жидкой органической мембраной, содержащей краун-эфир и полифторированный спирт при следующем соотношении компонентов: дибензо-18-краун-6 - 0,36-3,6 мас.% и 1,1,7-тригидрододекафторгептиловый спирт - остальное, с подачей в анодное пространство исходного водного раствора азотнокислых солей стронция, цезия и примесей, а в катодное - раствора азотной кислоты. Жидкая органическая мембрана имеет непосредственный контакт с водными растворами анолита и католита.

Совместное извлечение стронция и цезия из жидких радиоактивных отходов проводят следующим образом.

На дно электродиализатора (см. чертеж) с анолитом (1) и католитом (2) наливают жидкую органическую мембрану (3) в количестве, необходимом для перекрытия разделительной перегородки (4) на 5÷6 мм. В анодное (5) и катодное (6) пространство одновременно помещают соответственно исходный раствор, содержащий азотнокислые соли металлов, и азотную кислоту концентрацией 0,2-0,4 моль/л. В качестве электродов используют пластины платинированного титана. Процесс ведут при температуре 60-80°С и плотности тока 0,5-35 МА/см².

При наложении на систему постоянного электрического тока катионы стронция и цезия экстрагируются в органическую фазу на границе анолит/мембрана и реэкстрагируются в водную фазу на границе мембрана/католит. Перенос катионов внутри органической фазы осуществляется за счет электромиграции, конвективного переноса и диффузии.

Пример 1. Водный раствор в количестве 0,1 литра, состав и концентрации которого приведены в табл. 1, и такое же количество раствора азотной кислоты концентрацией 0,2÷0,4 моль/л одновременно помещают в анодную и катодную (соответственно) камеры двухкамерного электродиализатора, на дно которого предварительно помещена жидкая органическая мембрана, состоящая из 0,01 моль/л (0,36 мас.%) раствора дибензо-18-краун-6 в 1,1,7-тригидрододекафторгептаноле. Систему разогревают до температуры ˜60°С. К электродам подключают электроток и ведут электродиализ при средней плотности тока 10-20 МА/см², с периодическим отбором проб. Анализ радионуклидов проводят по радиометрическим методикам, для чего в исходный раствор предварительно вводят аликвоты изотопов цезия-137 и стронция-85. Сводные данные представлены в табл.2

Таблица 1№КомпонентыКонцентрация, мг/л1.Натрий10002.Цезий2503.Стронций2504.Медь10005.Алюминий10006.Железо10007.Хром10008.Никель10009.Марганец100010.Азотная кислота5000

Пример 2. Условия и реагенты электродиализа подобны прим.1, но в качестве жидкой органической мембраны использовался 0,1 моль/л (3,6 мас.%) раствор дибензо-18-краун-6 в 1,1,7-тригидрододекафторгептаноле. Плотность тока при электродиализе повысилась до 20-35 МА/см² при одинаковом с прим.1 потенциале. Сводные результаты представлены в табл.2.

Таблица 2Время электродиализа, мин.Концентрация катионов в анолите, % от исходногоПример 1.Пример 2.СтронцийЦезийСтронцийЦезий1086,388,562,265,42066,376,329,432,63046,448,4<0,1<0,14034,338,6  5018,622,1  60<0,1<0,1  

Как следует из табличных данных, перенос катионов стронция и цезия в прим.2 происходит с большей скоростью, что связано с повышенной концентрацией краун-эфира в органической мембране. Дальнейшее повышение невозможно из-за предельной растворимости дибензо-18-краун-6 в разбавителе. Среднее содержание радионуклидов в католитах составляет ˜60% от исходного и зависит от остаточного содержания азотной кислоты. Спектральный анализ показал, что за исключением натрия, цезия и стронция других катионов в католите нет.

Пример 3. В термостатируемой катарометрической ячейке определили зависимость от температуры удельного электрического сопротивления органической мембраны, насыщенной азотной кислотой (см. табл.3).

Таблица 3Температура, °С30405060708090Удельное эл.сопр., Ом·см1200400240200170160180

Данные таблицы показывают, что электрическое сопротивление органической мембраны имеет сильную зависимость от температуры и при ее повышении значительно уменьшается. Оптимальной с точки зрения минимального испарения водных растворов при минимальном электросопротивлении является температура 60÷80°С.

Сопоставительный анализ с известным способом позволяет сделать вывод, что совместное извлечение стронция и цезия по предлагаемому способу более эффективно, так как дает возможность выделять оба радионуклида в одном процессе в сопоставимое время при одинаковых параметрах электродиализа.

Изобретение относится к области обращения с жидкими радиоактивными отходами. Сущность изобретения: способ экстракционной переработки жидких радиоактивных отходов осуществляют с помощью электродиализа с использованием жидкой мембраны, содержащей дибензо-18-краун-6 - 0,36-3,6 мас.% и 1,1,7-тригидрододекафторгептанол - остальное. Жидкая мембрана имеет непосредственный контакт с водными растворами. В качестве анолита используют водные растворы солей стронция и цезия, а в качестве католита - растворы азотной кислоты концентрацией 0,2-0,4 моль/л. Преимущества изобретения заключаются в возможности совместного извлечения радионуклидов стронция и цезия. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

1. Способ экстракционной переработки жидких радиоактивных отходов путем электродиализа с использованием жидкой мембраны, отличающийся тем, что жидкая органическая мембрана, содержащая дибензо-18-краун-6 и 1,1,7-тригидрододекафторгептиловый спирт при следующем соотношении компонентов, мас.%: дибензо-18-краун-6 0,36-3,6; 1,1,7-тригидрододекафторгептанол - остальное, имеет непосредственный контакт с водными растворами; в качестве анолита используют водные растворы солей стронция и цезия, а в качестве католита - растворы азотной кислоты с концентрацией 0,2-0,4 моль/л.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электродиализ проводят при температуре 60-80°С.