СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОЧВЫ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ Советский патент 1994 года по МПК G21F9/34 

Изобретение относится к технологиям и техническим средствам ликвидации последствий Чернобыльской катастрофы. Оно может найти широкое применение в сельском хозяйстве, медицине, фермацевтической, парфюмерно-косметической, пищевой, ликероводочной, консервной и других отраслях промышленности как источник ценного сырья и продукции и как средство повышения плодородия почвы зоны отселения и зоны жесткого контроля.

Механический метод снятия верхнего слоя грунта и помещения его в специальные контейнеры с последующим их захоронением в спецхранилищах материальноемок, требует больших средств для реализации, ведет к тому, что очищенные территории лишаются основной части плодородного слоя и, в конечном итоге, превращаются в мертвые зоны.

Известен способ очистки почвы от радионуклидов, при котором дезактивацию радиоактивно зараженных предметов проводят путем облучения их высокими потоками медленных нейтронов. Метод энергоемок, технологически сложен, требует огромных финансовых и материальных вложений. При этом при взаимодействии почвы с высоким потоком медленных нейтронов возможно образование радиоактивных изотопов из других элементов, находящихся в грунте, а также существенное изменение микрофауны (бионики) почвы.

Известен способ дезактивации радиоактивно зараженных материалов, при котором материал последовательно вступает в контакт с раствором картбоната натрия в течение определенного отрезка времени и с раствором разбавленной азотной кислоты при добавлении перманганата калия, далее с раствором щавелевой кислоты (СООН-СООН х 2Н₂О), после чего проводят конечную промывку и сушку материала.

Способ имеет недостатки, связанные с необходимостью снятия зараженного pадионуклидами верхнего слоя почвы. Способ трудоемок, ведет к засолению растительного слоя солями марганца и натрия, малоэффективен, так как способен очистить слой почвы от радионуклидов, находящихся только в растворенном состоянии.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому является способ обеззараживания почвы от радионуклидов, относящийся к сорбционной технологии и включающий внесение в почву неорганических соединений. При этом в качестве неорганического соединения используют клиноптилолитсодержащую (цеолитсодержащую) породу, вносимую в количестве, рассчитываемом по формуле М= (0,03-0,06) . К+7, где М - количество породы, т/га; К - кратность загрязнения по сравнению с фоном.

Способ позволяет снизить содержание радионуклидов в зеленой массе растений за счет повышения степени обеззараживания почвы, однако наряду со способностью сдерживать распространение загрязнения почвы радионуклидами способ не позволяет уменьшить их общее количество в почве, а следовательно, является временным средством защиты от проникновения радионуклидов в зеленую массу растений и в организм человека.

Цель изобретения - уменьшение капитальных и энергетических затрат, интенсификация процесса очистки почвы и получение чистой продукции.

Это достигается тем, что предлагаемый способ очистки почвы от радионуклидов, включающий внесение в нее неорганических соединений, предполагает, что зараженный радионуклидами слой почвы периодически обрабатывают водными растворами солей нитрата аммония с добавками микроорганизмов как биологически активных элементов с одновременной посадкой в слой почвы однолетних и многолетних растений. После определенного отрезка вегетационного периода растения собирают и выделяют из них чистую продукцию и продукты, обогащенные радионуклидами посредством экстракции. При посадке в почву используют ромашку аптечную, тысячелистник обыкновенный, полынь горькую и другие растения, а разделение зараженных радионуклидами продуктов и чистой продукции проводят путем экстракции с использованием в качестве экстрагента жидкой двуокиси углерода при 30 - 50^оС и давлении 6,5 - 7,0 МПа, предварительно высушив и измельчив собранные растения (исходный продукт).

Степень локализации радионуклидов по предлагаемой технологии зависит от химического состава и физико-химического состояния радионуклидов, агрохимического состояния почвы, процентного содержания в ней гумуса, его качества, состояния микрофауны (бионики), примененных в качестве локализаторов (сорбентов) растений, технологий и периодичности обработки почвы неорганическими соединениями, их концентраций и других факторов.

Предлагаемый способ масштабен, его можно успешно применять в качестве активного средства очистки (фитодезактивации) от радионуклидов обширных территорий, подвергшихся загрязнению, без необходимости снятия, переноса и переработки почвы и механического воздействия на нее.

Физическая сущность изобретения заключается в сочетании химических, физических, микробиологических и физиологических факторов воздействия на почву, комплексообразователи и локализаторы. Данные средства воздействия обеспечивают переход растворимых форм и нерастворимых "горячих" топливных частиц в физико-химическое состояние, при котором они поглощаются растениями, при опосредованном воздействии на процесс агрохимического состояния и микрофауны почвы с последующим экстрагированием из растений чистой товарной продукции (экстракта) и утилизацией остаточного продукта (рафината), обогащенного радионуклидами, например, посредством его сжигания и захоронения в спецхранилищах.

При этом периодическая обработка почвы растворами неорганического соединения NH₄NO₃-H₂O не только способствует переходу нерастворимых форм комплексов, обогащенных радионуклидами, в растворимые формы, но и способствует повышению содержания в почве гуминовых кислот (гумуса) благодаря наличию NH₃-групп, введению активных микроорганизмов и задернению почвы, исключая ветровую эрозию и заражение радионуклидами почвы чистых зон.

В результате катастрофы на ЧАЭС произошел выброс топлива активной зоны реактора на обширные территории в виде полидисперсных матричных соединений - "горячих" топливных частиц. Концентрация таких частиц по территории неравномерна и различается на несколько порядков. Образовавшиеся при этом комплексные соединения малорастворимы или нерастворимы.

В процессе природной (без вмешательства человека) фитодезактивации происходит частичное усвоение растениями находящихся на поверхности "горячих" топливных частиц изотопов ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и других радиоэлементов за счет частичного вымывания и растворения. Исходные же изотопы топлива ²³⁸U, ²³⁵U и наработанные изотопы ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, другие трансурановые элементы и продукты их деления, находящиеся в матрице из UO₂ и возможных карбицидных соединениях, практически из матрицы не вымываются.

С целью разложения матрицы и перехода комплексов в растворимое состояние в предлагаемом способе в почву периодически вводят соединение NH₄NO₃. При регулируемом поливе под воздействием H₂O в почве происходит гидролиз, матрица из UO₂ растворяется и переходит в растворимую форму UO₂(NO₃)₂. При том часть продуктов деления, содержащихся под оболочкой (к которым относятся долгоживущие ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr), также под воздействием Н₂О переходит в растворимое состояние. Процесс протекает по следующей схеме:
Оксиды плутония Pu(III) и Pu(IV) практически нерастворимы в HNO₃.

Применение в предлагаемом способе активных микроорганизмов, таких, например, как молочнокислые бактерии, относящиеся к классу факультативных анаэробов, не только усиливает жизнетворную способность микрофауны, улучшает гумусное состояние почвы, но и позволяет обеспечить под их воздействием производство атомарного кислорода, который как сильный окислитель в сочетании с азотной кислотой позволяет перевести нерастворимую оксидную форму плутония в водорастворимую форму по схеме
Pu(IV) Pu(NO₃)₄, легко усваиваемую растениями.

Использование в предлагаемом способе водных растворов нитрата аммония с добавками микроорганизмов не только обеспечивает переход нерастворимых форм комплексных матричных соединений в растворимые, но и значительно улучшает жизнедеятельность самой почвы и высаженных на ней растений, интенсифицируя процессы растворения радионуклидов и их усвоения зеленой массой избранных растений.

Выделение из зеленой массы растений экологически чистого ценного сырья и продукции и концентрация в остаточном продукте обработки радионуклидов обеспечиваются по предлагаемой технологии экстрагирования зеленой массы растений в экстракционных установках. В качестве экстрагента (растворителя) в предлагаемом способе использована, например, жидкая углекислота (СО₂). Использование данного селективного растворителя при выбранных технологических параметрах обеспечивает в процессе разделения смеси жидкого и твердого веществ переход радионукдилов в форме карбонатных соединений в твердую фазу (рафинат) и извлечение из зеленой массы растений жидкой фазы - экологически чистой продукции: ароматических веществ, лекарственного сырья, сырья пищевой, фармацевтической, парфюмерно-косметической промышленности и т. д.

Предлагаемый авторами способ осуществлен и проверен в лабораторных условиях с использованием дерново-подзолистой суглинистой почвы (грунта) из зоны отселения (район: луг, южная окраина, д. Кирово Наровлянского района Гомельской обл.). Среднее суммарное загрязнение данной почвы радионуклидами составило 60-70 Ки/км².

Почва, не подвергшаяся обработке с 1986 г, была помещена в кольцевые ячейки диаметром 560 мм, толщиной слоя до 250 мм.

рН почвы контролировали с помощью стандартной методики, разработанной в ЦИНАО (ГОСТ 26483-85), приготоавлением солевой вытяжки.

Заданная начальная кислотность почвы при внесении в нее нитрата аммония из расчета 30 - 100 кг/га и регулируемом поливе устанавливалась на уровне рН 5-6.

Эксперимент проводили с использованием трех видов растений, высаженных в отдельности в шесть ячеек каждое. При этом три ячейки по каждому растению являлись ячейками контроля, в которых происходила природная фитодезактивация без внесения в почву неорганических веществ по предлагаемой технологии, а лишь при регулируемом поливе.

После среза через определенные периоды времени растения сушили и измельчали, после чего помещали их в лабораторный экстракционный аппарат, работающий при заданных параметрах: температуре 30 - 50^оС и давлении 6,5 - 7,0 МПа, с использованием в качестве экстрагента жидкой углекислоты. Экстракцию проводили в одностадийном и многостадийном режимах. После этого измеряли радиоактивность экстракта и рафината растений из всех восемнадцати опытных посадок (ячеек) с применением стандартных методик определения содержания цезия-134, цезия-137, рутения-106, церия-144, стронция-90, урана-235 и плутония-239, 240, утвержденных Межведомственной комиссией Госкомгидромета по радиационному контролю прироодной среды - Инструкции и методических указаний по оценке радиоактивности на загрязненной территории, утвержденных 29.04.87 г.

В таблице приведены результаты опытов и показано изменение коэффициента накопления радионуклидов (КН) в тканях растений в зависимости от вида растений и времени их среза (вегетационного периода).

Коэффициент накопления (КН) представляет собой отношение концентрации радиоактивности в экстракте и рафинате к концентрации радиоактивности в 1 кг почвы. При этом концентрацию радиоактивности в экстракте и рафинате расчитывали на 1 кг сухого продукта (растения) для их образования.

Средняя концентрация радиоактивности изотопов цезия, рутения, церия, стронция, урана и плутония в почве составила 3,51˙10⁴ Бк/кг. Плотность почвы равнялась 1,36 г/см³.

Эксперимент показал, что применение в вегетационном опыте предлагаемой авторами технологии позволяет по сравнению с контролем интенсифицировать процесс и на 2-4 порядка увеличить фитосорбцию (аккумуляцию) радионуклидов ромашкой аптечной, тысячелистником обыкновенным и полынью горкой, обеспечив в перерасчете через среднюю урожайность этих растений на дерново-подзолистых почвах за один вегетационный период их очистку от загрязнения радионуклидами на 3-8%.

Существует и ряд других растений, позволяющих обеспечить при применении предлагаемой технологии высокий коэффициент фитосорбции радионуклидов в широком спектре их избирательности.

При этом предлагаемая технология обеспечивает выделение из надземной части зеленой массы чистой продукции, при концентрировании радионуклидов в остаточном продукте с последующей их утилизацией и захоронением по известным технологиям, путем озоления и брикетирования.

Использование в предлагаемой технологии фитодезактивации почвы растениями семейства сложноцветковых, относящихся к растениям, содержащим большую гамму ароматических и лекарственных веществ, в сочетании с периодической обработкой загрязненной радионуклидами почвы водными растворами нитратами аммония, позволит отказаться от энергоемких, требующих огромных материальных вложений и капитальных затрат технологий, не позволяющих уменьшить коллективную дозу загрязнения, а лишь сдержать распространение этого загрязнения.

Предлагаемая технология является активным инструментом снижения коллективной дозы загрязнения при активном землепользовании. Она по сравнению с убыточными технологиями очистки почвы обеспечивает получение от вложений в нее прибыли за счет получения и производства чистой дорогостоящей и дефицитной продукции: ароматических и лекарственных веществ, эфирных масел и так далее из сырья (зеленой массы растений) фитодезактивации.

Применение предлагаемой технологии на загрязненных радионуклидами территориях Гомельской и Могилевской областей позволит вернуть земли к активному использовнаию, обеспечит их очистку от радионуклидов максимально в течение 20 - 30 лет, а при усовершенствовании технологии возможно и значительно раньше.

Использование: фитодезактивация и технология ликвидации последствий аварий АЭС. Сущность изобретения: загрязненный радионуклидами слой почвы периодически обрабатывают водными растворами нитрата аммония с добавками микроорганизмов как биологически активных элементов - молочнокислых бактерий, высаживают в слой почвы однолетние и многолетние растения, в течение вегетационного периода растения периодически собирают и осуществляют экстракцию радионуклидов. 2 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОЧВЫ ОТ РАДИОНУКЛИДОВ, включающий внесение в нее неорганических соединений, отличающийся тем, что, с целью интенсификации и улучшения качества очистки, уменьшения капитальных и энергетических затрат и получения чистой продукции, загрязненной радионуклидами слой почвы периодически обрабатывают водными растворами нитрата аммония с добавками микроорганизмов как биологически активных элементов, высаживают в слой почвы однолетние и многолетние растения, в течение вегетационного периода растения периодически собирают и осуществляют экстракцию радионуклидов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для посадки в слой почвы используют растения из ряда ромашка аптечная (Matricaria recutita), тысячелистник обыкновенный (Achillea milletolium), полынь горькая (Artemisia absinthium). 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что процесс разделения загрязненных радионуклидами продуктов и чистой продукции проводят путем экстракции с использованием в качестве растворителя экстрагента жидкой двуокиси углерода при 30 - 50^oС и давлении 6,5 - 7,0 МПа, предварительно высушив и измельчив собранный исходный продукт - растения.