Способ направленной обработки природного цеолита с целью получения сорбента Российский патент 2020 года по МПК B01J20/30 B01J20/18 

Изобретение относится к способам получения сорбентов, применяемых для иммобилизации радионуклидов из отработанного ядерного топлива.

Известен способ получения сорбирующих матричных материалов на основе цеолитсодержащих пород для иммобилизации радионуклидов (см. патент РФ №2664893, кл. МПК В01J 20/18, B01J 20/30, опубл. 23.08.2018), заключающийся в том, что водную суспензию цеолитсодержащих пород нагревают на водяной бане, подвергают обработке ультразвуком при частоте преобразования 20±2 кГц в течение 30-60 мин, отделяют осадок, сушат, пропаривают над кипящей водой в течение 30-90 мин и повторно сушат, причем соотношение масс твердой и жидкой фаз в суспензии выбирают от 1:3 до 1:10, сушку отделенного осадка проводят при температуре от 21 до 120°С, а сушку пропаренного осадка проводят при температуре от 21 до 120°С.

Известен способ модифицирования природных сорбентов (см. патент РФ №2620809, кл. МПК B01J 20/16, B01J 20/10, B01J 20/20, B01J 20/30, опубл. 29.05.2017), включающий введение в суспензию, содержащую мелкодисперсный цеолит или диатомит в 0,5% растворе сульфата алюминия, многостенных углеродных нанотрубок в количестве 0,1-1,0 мас. %. Проводят ультразвуковую обработку суспензии, добавляют в суспензию раствор гидроксида аммония до рН 7-8, отделяют жидкость и проводят термообработку полученного сорбента при температуре 120°С.

Недостатками данных способов является использование для модификации природных сорбентов энергозатратных технологий (пропаривания (патент РФ № 2664893, кл. МПК В01J 20/18, B01J 20/30, опубл. 23.08.2018), термообработки (патент РФ №2620809, кл. МПК B01J 20/16, B01J 20/10, B01J 20/20, B01J 20/30, опубл. 29.05.2017). Сущность предлагаемого способа направленной обработки природного цеолита с целью получения сорбента включает ступенчатую обработку природного минерального сорбента – цеолита: сначала проводят механоактивацию сорбента, а затем обработку его раствором деалюминирующего химического реагента в соотношении сорбент: раствор как 1:5, отделение раствора центрифугированием, сушку полученного осадка и классификацию полученного сорбента. Механоактивацию проводят путем обработки природного минерального сорбента на шаровой мельнице в течение 1-5 мин. В качестве раствора деалюминирующего химического реагента используют 5%-й раствор соляной кислоты, или 5%-й раствор уксусной кислоты, или 2%-й раствор динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты. Сушку осадка и классификацию полученного сорбента проводят одновременно в сушильно-дробильном агрегате.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает следующий технический результат: увеличение суммарной сорбционной емкости полученного сорбента и снижение скорости выщелачивания катионов радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов при существенном снижении энергозатрат при получении сорбента.

Указанный технический результат достигается за счет применения ступенчатой обработки, включающей сначала механоактивацию, а затем обработку деалюминирующим химическим реагентом.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Способ направленной обработки природного цеолита с целью получения сорбента реализуется следующим образом.

Способ включает ступенчатую обработку природного минерального сорбента - цеолита: сначала проводят механоактивацию сорбента (путем обработки природного минерального сорбента на шаровой мельнице в течение 1-5 мин), а затем обработку его раствором деалюминирующего химического реагента (в соотношении сорбент: раствор как 1:5, отделение раствора центрифугированием, сушку осадка и классификацию полученного сорбента. В качестве раствора деалюминирующего химического реагента используют 5%-й раствор соляной кислоты, или 5%-й раствор уксусной кислоты, или 2%-й раствор динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты. Сушку осадка и классификацию полученного сорбента проводят одновременно в сушильно-дробильном агрегате.

Механоактивация цеолита необходима для повышения суммарной сорбционной емкости сорбента.

Действие механоактивации на цеолит заключается в следующем: при измельчении на мельницах с применением истирания при относительном перемещении мелющих тел и частиц материала, а также вследствие удара происходит механоактивация цеолита (структурные преобразования клиноптилолита), в результате чего повышается суммарная сорбционная емкость сорбента. При механической активации цеолитов не только увеличивается суммарная сорбционная емкость и удельная поверхность, но и накапливаются дефекты в объеме частиц. В результате порошки переходят в метастабильное, активное состояние.

При деалюминировании происходит высвобождение каркасных катионов, главным образом, катионов алюминия, в результате при захвате катионов радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов возможно более сильное закрепление их в структуре клиноптилолита и за счет этого - низкая (почти нулевая) скорость выщелачивания их из сорбента.

Для снижения энергетических затрат на сушку сорбента, а также для увеличения эффективности способа его получения, сорбент отделяется от раствора деалюминирующего реагента центрифугированием, а сушка и классификация полученного сорбента осуществляются одновременно в сушильно-дробильном агрегате. Регулированием расхода воздуха в сушильно-дробильном агрегате достигается одновременно необходимая влажность и гранулометрический состав сорбент.

Пример 1. 1 кг цеолита (с исходным мольным соотношением SiO₂/Al₂O₃, равным 18,07) измельчали в течение 3 мин в шаровой мельнице, затем смешивали в лабораторном смесителе с 5 кг 5%-го раствора соляной кислоты в течение 30 мин. Затем раствор центрифугировали на лабораторной центрифуге, осадок высушивали. В полученном сорбенте мольное соотношение SiO₂/Al₂O₃ составило 23,05; суммарная сорбционная емкость 88±1,3 мг-экв/100 г, скорость выщелачивания по цезию 0.

Пример 2. 1 кг цеолита (с исходным мольным соотношением SiO₂/Al₂O₃, равным 18,07) измельчали в течение 5 мин в шаровой мельнице, затем смешивали в лабораторном смесителе с 5 кг 2%-го раствора динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты в течение 30 мин. Затем раствор центрифугировали на лабораторной центрифуге, осадок высушивали. В полученном сорбенте мольное соотношение SiO₂/Al₂O₃ составило 21,69; суммарная сорбционная емкость 90±1,0 мг-экв/100 г, скорость выщелачивания по цезию 0.

Таким образом, вышеизложенное описание свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение, при его осуществлении, предназначено для направленной обработки природного цеолита с целью получения сорбента;

- для заявленного способа, в том виде как оно охарактеризовано в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемых заявителем поставленных технических задач - получение сорбентов с высокой сорбционной емкостью, удельной поверхностью, с широким диапазоном сорбционной активности.

Изобретение относится к способам получения сорбентов для иммобилизации радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов из отработанного ядерного топлива. Способ направленной обработки природного цеолита с целью получения сорбента включает ступенчатую обработку природного минерального сорбента - цеолита. На первом этапе производят механоактивацию сорбента, а затем обработку его раствором деалюминирующего химического реагента в соотношении сорбент:раствор как 1:5, отделение раствора центрифугированием, сушку полученного осадка и классификацию полученного сорбента. Механоактивацию проводят путем обработки природного минерального сорбента на шаровой мельнице в течение 1-5 мин. В качестве раствора деалюминирующего химического реагента используют 5%-ный раствор соляной кислоты, или 5%-ный раствор уксусной кислоты, или 2%-ный раствор динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты. Сушку осадка и классификацию полученного сорбента проводят одновременно в сушильно-дробильном агрегате. Обеспечивается увеличение суммарной сорбционной емкости полученного сорбента и снижение скорости выщелачивания катионов радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов при снижении энергозатрат при получении сорбента. 3 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ направленной обработки природного цеолита с целью получения сорбента, включающий ступенчатую обработку природного минерального сорбента - цеолита, отличающийся тем, что сначала проводят механоактивацию сорбента, а затем обработку его раствором деалюминирующего химического реагента в соотношении сорбент:раствор как 1:5, отделение раствора центрифугированием, сушку полученного осадка и классификацию полученного сорбента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механоактивацию проводят путем обработки природного минерального сорбента на шаровой мельнице в течение 1-5 мин.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве раствора деалюминирующего химического реагента используют 5%-ный раствор соляной кислоты, или 5%-ный раствор уксусной кислоты, или 2%-ный раствор динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сушку осадка и классификацию полученного сорбента проводят одновременно в сушильно-дробильном агрегате.