Способ очистки почвы, загрязненной ионами цезия Российский патент 2024 года по МПК B09C1/00 G21F9/28 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к дезактивации почв, и предназначено для очистки почв от радионуклидов цезия.

Известен техногенный способ очистки почвы, загрязненной радионуклидами: Sr-90 и Cs-137. Способ включает вспашку и внесение в почву химических соединений. В пахотный слой вносят известняковую или доломитовую муку в количестве 5-6 тонн на га и калийные удобрения KCl, KNO₃ или KMgCl₃⋅6H₂O в количестве не менее 200 кг на га, с последующим посевом смеси многолетних трав, которые осенью скашивают и помещают в хранилище, исключающее миграцию радионуклидов (патент RU 2278428; МПК G21F 9/00; 2006 год).

Недостатком известного способа является по сути дела замена очистки загрязнённой почвы на удаление радионуклидов из загрязнённого пахотного слоя в более глубоко лежащие горизонты в пределах того же участка почвы.

Известен способ очистки грунтов от радионуклидов, в частности цезия, включающий обработку загрязненного грунта кислотосодержащим дезактивирующим раствором с переводом в него радионуклидов, отделение очищенного грунта от загрязненного дезактивирующего раствора, удаление радионуклидов из раствора с переводом их в твердую фазу, корректировку состава очищенного дезактивирующего раствора и его повторное использование. Солянокислый дезактивирующий раствор содержит хлорид натрия. Удаление радионуклидов из загрязненного раствора ведут сорбцией с использованием сорбента на основе фосфата титана. Перед сорбцией загрязненный раствор частично нейтрализуют (патент RU 2331128; МПК G21F 9/28; 2008 год).

Известен способ очистки от радиоактивных загрязнений почвы, содержащей радиоактивные элементы, такие как радиоактивный цезий, путем обработки пробы почвы при температуре от 600 до 1450°C и парциальном давлении водяного пара 0,1 атм или менее, после чего испаренные радиоактивные элементы отделяют и удаляют из загрязненной почвы (патент JP 5853858; МПК G21F 9/02, G21F 9/28; 2016 год).

Недостатком известного способа является полное разрушение плодородного слоя почвы.

Известен способ очистки почвы, включающий стадии смешивания почвы, содержащей радиоактивный цезий, и щелочной воды с образованием суспензии, с последующей классификацией глинистых частиц из суспензии и концентрирования радиоактивного цезия в иле, содержащем глинистые частицы. Причем к суспензии, содержащей частицы глины, добавляют коагулянт для образования флокулированного ила, после чего обезвоживают полученный флокулированный ил ( патент JP 6137887; МПК G21F 9/10, G21F 9/30, G21F 9/12, G21F 9/28; 2017 год).

Недостатком способа является его сложность и многостадийность, обусловленная сложностью разделения почвы и щелочной суспензии глины. Кроме того, часть радиоактивного цезия неизбежно теряется с промывной водой глинистой суспензии.

Известен способ очистки почвы от радиоактивного загрязнения, в частности цезия, включающий стадию поглощения и удаления радиоактивных элементов, содержащихся в почве, соляными растениями, которые представляют собой морские водоросли или травянистый материал. В известном способе помещают на участок почвы множеством электродов для формирования электрического поля, формируемого путем подачи электричества на электрод в виде биполярного импульса с периодом действия импульса от 0,5 до 10 секунд, при этом электрод выполнен в форме стержня и пластины, причем напряжение составляет от 2 до 30 В, а ток составляет от 0,03 до 0,5 А (Патент KR 10 - 1574741; МПК G21F 9/30; 2015 год).

Недостатками способа являются, во-первых, длительный многолетний процесс дезактивации почвы как следствие использования для этой цели соляных растений, во-вторых, использования импульсных токов до 0,5 А ухудшает состояние почвы, разрушая почвенный азот.

Известен способ очистки почвы путем контактирования почвы, содержащей радиоактивные изотопы, в частности цезия, c хлоридной средой, в результате чего изотопы цезия элюируются из почвы в хлоридную среду в виде хлорида, где хлоридная среда представляет собой смешанную соль хлоридов натрия, магния, кальция при массовом соотношении хлорид натрия:хлорид магния:хлорид кальция от 1,5 до 2:1,5-2:1, причем контакт осуществляется при температуре от 350 до 900°C. в закрытой системе, где почва и хлоридная среда приводятся в контакт в массовом соотношении от 1:1 до 1:6 (Патент KR 10 - 2549477; МПК B09C1/02, B09C1/06, B09C1/08; 2023 год).

Недостатками известного способа являются, во-первых, необходимость утилизации радиоактивных хлоридов, во-вторых, необратимое разрушение плодородного слоя почвы при обработке ее хлоридами при высоких температурах.

Осуществляют рыхление поверхности почвы, загрязненной Cs-137, на глубину 0,03-0,07 м. На разрыхленную поверхность отсыпают полосы из биотоплива, разделенные межполосным пространством. Посередине этих полос прокладывают трубопроводы с капельницами. Засыпают полосы биотоплива разрыхленной загрязненной почвой из межполосного пространства. Покрывают их поверхность слоем сорбирующего материала и экраном из мембранного материала. Осуществляют подачу по трубопроводам через капельницы нагретого до +30-40°С раствора минеральных удобрений с добавлением аэробных микроорганизмов. Таким образом производят запуск процесса микробиологического разложения биотоплива с повышением температуры в разрыхленной загрязненной почве более +40°С для перевода радиоактивного изотопа цезия в газообразную форму с закреплением его сорбирующим материалом. Далее снимают экран из мембранного материала. Производят уборку и захоранивание сорбирующего материала с Cs-137. Осуществляют распределение оставшегося биотоплива по поверхности поля и заделку его в почву (патент RU 2615486; МПК B09C 1/10; 2017 год), (прототип).

Недостатком способа является его сложность, связанная с необходимостью рыхления загрязненной почвы, прокладкой трубопроводов с капельницами, подачей биотоплива, сложности с последующей уборкой сорбирующего материала.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой и технологичный способ очистки почвы, загрязненной ионами цезия, не нарушающий структуру плодородного слоя почвы.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе очистки почвы, загрязненной ионами цезия, включающем контактирование загрязненной почвы и сорбента с использованием мембранного материала, в котором в загрязненную почву на глубину не более глубины плодородного слоя помещают пакет произвольной формы, выполненный из трековой мембраны и имеющий шнур, обеспечивающий возможность удаления пакета из почвы, заполненный на 80-90 % объема гранулированным сорбентом с размерами гранул в диапазоне 0.1 - 10 мкм, при этом размер пор мембраны должен быть меньше минимального размера гранул сорбента, выдерживают в течение 30-90 суток и извлекают из почвы.

При этом в качестве трековой мембраны может быть использован полиэтилентерефталат.

При этом в качестве сорбента может быть использована берлинская лазурь.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ очистки почвы, загрязненной ионами цезия, путем помещения в загрязненную почву на глубину не более глубины плодородного слоя пакета произвольной формы, выполненного из трековой мембраны и заполненного гранулированным сорбентом, выдержкой в течение 30-90 суток и извлечением из почвы.

Способ очистки почвы, загрязненной ионами цезия, предлагаемый авторами, основан на существовании капиллярной воды, которая заполняет тонкие (капиллярные) поры почвы и передвигается в них под влиянием капиллярных (менисковых) сил. Высота подъема воды тем выше, чем тоньше капилляр. В зависимости от характера увлажнения различают капиллярно- подвешенную и капиллярно-подпертую воду. При увлажнении почвы сверху (атмосферные осадки, оросительные воды) формируется капиллярно-подвешенная вода, именно она играет важную роль в процессе очистки почвы от ионов цезия. Содержание слабосвязанной капиллярной воды способствует кинетике массопереноса ионов цезия из почвы в сорбент, резко уменьшаясь при влагосодержании почвы менее 20 масс. %. Это связано с тем, что основная масса удерживаемой свободной воды в почве находится в объёме капилляров. Капиллярная вода обеспечивает диффузионное перемещение ионов и молекул электролитов, коллоидных частиц в поровом пространстве. Для супесчаных почв наименьшая капиллярная влагоёмкость составляет 5-20 %, что объясняет потерю диффузии при меньшей влагоёмкости (Н.Ф. Ганжара. Почвоведение. М.: Агроконсалт. - 2001. - 392 с.). Полная влагоёмкость почв - наибольшее количество воды, которое может вместить почва при заполнении всех пор, колеблется от 30 % до 80 % в зависимости от обогащённости органическим веществом (там же, стр.171). С ростом капиллярного влагосодержания (30-80 масс. %) величина и скорость сорбции ионов цезия увеличивается. Эти свойства позволяют проводить сорбционную очистку (дезактивацию) увлажнённых почв в диффузионном режиме за счёт контакта почвы с стенкой мембранного пакета с сорбентом без внешнего механического перемещения порошка и воды (в автономном режиме).

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Используют пакет произвольной формы, выполненный из трековой мембраны, например из полиэтилентерефталата, имеющий шнур, обеспечивающий возможность удаления пакета из почвы, заполненный на 80-90 % объема гранулированным сорбентом, например берлинской лазурью, с размерами гранул в диапазоне 0.1 -10 мкм, при этом размер пор мембраны должен быть меньше минимального размера гранул сорбента. Пакет помещают в загрязненную почву на глубину не более глубины плодородного слоя и выдерживают в течение 30-90 суток, затем извлекают из почвы и осуществляют захоронение в специально оборудованном месте.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример1. В пластиковый стакан с крышкой помещают 100 г. воздушно-сухого порошка государственного стандартного образца дерновоподзолистой супесчаной почвы СДПС-1, «ГСО», в который предварительно сорбционным способом вводят в него ионы Cs(I) в количестве 0,073 мг, устанавливают влажность с помощью буферного раствора с рН = 4.3 равную 52 %. Затем в порошок в стакане помещают герметичный пакет, выполненный из материала трековой полиэтилентерефталатной пористой мембраны с площадью поверхности 10 см² и диаметром пор 0.1 мкм, заполненный на 80 % объема гранулами берлинской лазури с размером гранул в диапазоне 0.1 - 10.0 мкм. Стакан закрывают крышкой и выдерживают 90 дней без перемешивания при постоянной температуре. Затем стакан вскрывают и устанавливают содержание цезия в сорбенте берлинская лазурь. Для этого обрабатывают пробу 20 % гидроокиси натрия, отделяют фильтрат, подкисляют его концентрированной азотной кислоты и определяют массовую концентрацию ионов цезия в фильтрате методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (Элан 8000). По результатам анализа установлено содержание цезия в исходной пробе почвы - 0.073 мг, в берлинской лазури - 0.010 мг, доля цезия, перешедшего в берлинскую лазурь составляет 45 %.

Пример 2. В пластиковый стакан с крышкой помещают 100 г. воздушно-сухого порошка государственного стандартного образца дерновоподзолистой супесчаной почвы СДПС-1, «ГСО», в который предварительно сорбционным способом вводят в него ионы Cs(I) в количестве 0,043 мг, устанавливают влажность с помощью буферного раствора с рН = 4.3 равную 80 %. Затем в порошок в стакане помещают герметичный пакет, выполненный из материала трековой полиэтилентерефталатной пористой мембраны с площадью поверхности 10 см² и диаметром пор 0.1 мкм, заполненный на 90 % объема гранулами берлинской лазури с размером гранул в диапазоне 0.1 - 10.0 мкм. Стакан закрывают крышкой и выдерживают 30 дней без перемешивания при постоянной температуре. Затем стакан вскрывают и устанавливают содержание цезия в сорбенте берлинская лазурь. Для этого обрабатывают пробу 20 % гидроокиси натрия, отделяют фильтрат, подкисляют его концентрированной азотной кислоты и определяют массовую концентрацию ионов цезия в фильтрате методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (Элан 8000). По результатам анализа установлено содержание цезия в исходной пробе почвы - 0.043 мг, в берлинской лазури - 0.027 мг, доля цезия, перешедшего в берлинскую лазурь составляет 63 %.

Таким образом, авторами предлагается простой и технологичный способ очистки загрязненных почв от ионов цезия, без изменения химического и биохимического состава очищаемых почв, то есть без нарушения структуры плодородного слоя.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к дезактивации почв, и предназначено для очистки почв от радионуклидов цезия. Способ очистки почвы, загрязненной ионами цезия, заключается в том, что в загрязненную почву на глубину не более глубины плодородного слоя помещают пакет произвольной формы, выполненный из трековой мембраны и имеющий шнур, обеспечивающий возможность удаления пакета из почвы, заполненного на 80-90 % объема гранулированным сорбентом с размерами гранул в диапазоне 0,1-10,0 мкм, при этом размер пор мембраны должен быть меньше минимального размера гранул сорбента, выдерживают в течение 30-90 суток и извлекают из почвы. Техническим результатом является обеспечение возможности очистки загрязненных почв от ионов цезия без изменения химического и биохимического состава очищаемых почв, то есть без нарушения структуры плодородного слоя. 2 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ очистки почвы, загрязненной ионами цезия, включающий контактирование загрязненной почвы и сорбента с использованием мембранного материала, отличающийся тем, что в загрязненную почву на глубину не более глубины плодородного слоя помещают пакет произвольной формы, выполненный из трековой мембраны и имеющий шнур, обеспечивающий возможность удаления пакета из почвы, заполненного на 80-90 % объема гранулированным сорбентом с размерами гранул в диапазоне 0,1-10,0 мкм, при этом размер пор мембраны должен быть меньше минимального размера гранул сорбента, выдерживают в течение 30-90 суток и извлекают из почвы.

2. Способ очистки почвы, загрязненной ионами цезия по п.1, в котором в качестве трековой мембраны может быть использован полиэтилентерефталат.

3. Способ очистки почвы, загрязненной ионами цезия по п.1, в котором в качестве сорбента может быть использована берлинская лазурь.