Способ очистки почвы от радионуклидов Советский патент 1993 года по МПК A01B79/02 

Изобретение относится к области разработки активных технологий очистки почвы от радионуклидов в бинарных циклах производств с использованием фитодезак- тивации слоя почвы как активного технического средства ликвидации и утилизации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Цель изобретения - уменьшение капитальных и энергетических затрат, интенсификация процесса очистки (фитодезактивации) 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 при регулируемом поливе водными растворами сульфида аммония, высаживают в обрабатываемый слой почвы семена однолетних и многолетних растений, растения собирают и осуществляют выделение радионуклидов, их соединений и целевой продукции из зеленой массы растений технологическими

приемами разделения, например методами паровой перегонки, экстракции, ректификации и т.д. При этом при посадке в почву используют семена донника белого и/или лекарственного, мяты перечной, дубровника беловойлочного, тимьяна обыкновенного.

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) почвы, применяемых в качестве локализаторов (сорбентов) растений, технологий и периодичности обработки почвы неорганическими соединениями, их концентраций и других факторов.

Предлагаемый способ отличается масштабностью, его можно успешно использовать в качестве активного средства очистки (фитодезактивации) обширных территорий, загрязненных радионуклидами, без необходимости снятия, переноса и переработки почвы на этих территориях и механического воздействия на нее.

со

с

00

о

-N ю

00

о

CJ

Физическая сущность изобретения заключается в сочетании химических, физических, микробиологических и физиологических средств воздействия на почву и комплексообразователи. Данные средства обеспечивают переход нерастворимых и малорастворимых форм и соединений радиоизотопов в физико-химическое состояние, легко усваиваемое определенным видом (родом) растёний-локализаторов, при определенном воздействии на процесс сорбции агрохимического состояния и микрофауны почвы, с последующим выделением из зеленой массы растений чистой товарной продукции и утилизацией локализованного остаточного продукта, обогащенного радионуклидами, например, посредством его сжигания и захоронения в спецхранилищах.

При периодической обработке почвы растворами неорганического соединения (МНфЗ-НаО при регулируемом поливе происходит не только переход нерастворимых и малорастворимых форм соединений радиоизотопов стронция и цезия в водорастворимые и обменные формы соединений, легко усвояемых определенными видами растений, но и повышается содержание (в обрабатываемой по данной технологии почве) гуминовых кислот (гумуса) за счет наличия МНз-групп и задернения почвы, которое полностью исключает процессы ветровой эрозии и заражения радионуклидами территории чистых зон.

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

В процессе природного и антропогенного воздействия происходит постепенное вымывание на поверхность горячих топливных частиц радиоизотопов Sr, Cr и др. радиоэлементов, их растворение и переход в различные соединения (нитраты, сульфиты, хлораты, карбонаты и др. соединения неорганического и органического происхождения).

Данные соединения цезия и стронция, относящихся к IA и НА группам элементов, являющиеся основными радионуклидами в гамме загрязнения почвы, малорастворимы. На закисленных почвах резко снижается усвоение данных комплексообразований и соединений радиоизотопов растениями.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Для интенсификации природной (без вмешательства человека) фитодезактива- ции и повышения степени локализации радиоизотопов растениями на таких почвах и их раскисления применена обработка почвы водными растворами сульфида аммония.

При обработке по данному технологическому регламенту в результате гидролиза протекают реакции:

(NH4)aS + 2Ha0 2NH40H + HaS NH«OH + H20

В результате реакции ионного обмена: MZ+HaS + HZ

где М - радиоизотоп; Z- кислотный остаток. Сульфиды S-элементов IA и НА групп (как и оксиды) растворимы в воде и при гидролизе образуют щелочную среду:

CsaS + N20 - CsSH + CsOH и далее CsSH + НаО - CsOH + H2S

2SrS + H20 - Sr(SH)2 + Sr(OH)2 и далее Sr(SH)2 + 2H20 (OH)2 + 2H2S

т.е. CS2S + 2H20 - 2СзОН + Н25и 2SrS + 3H20 (OH)2 + 2H2S

В процессе внесения водного раствора сульфида аммония при регулируемом поливе почвы обеспечивается процесс ее известкования. Применение в данном технологическом регламенте на подкисленных и засоленных почвах таких культур как донник белый и/или лекарственный, мята перечная, дубровник беловойлочный, тимьян обыкновенный раскисляет и рассаливает почвы, создает условия обогащения их азотом. При этом данные растения семейства губоцветных и семейства бобковых, произрастающие в средней полосе Европейской части, растения умеренного климата, требовательные к влажности почвы, хорошо отзываются на внесение органических и минеральных удобрений, резко повышают свою урожайность на обрабатываемых участках посевов, при одновременном увеличении усвояемости растениями локализованных радионуклидов за счет перевода их в известковые формы. Растения, используемые в предлагаемой технологии, обеспечивают укос их зеленой массы за сезон не менее двух раз.

Использование в предлагаемом способе водных растворов сульфида аммония не только повышает усвояемость соединений радионуклидов, но и значительно улучшает

жизнедеятельность самой почвы и высаженных на ней растений, интенсифицируя процесс растворения радионуклидов и их усвоения зеленой массой выбранных растений.

Выделение из зеленой массы растений экологически ценного сырья и продукции и концентрация радионуклидов в остаточном продукте обеспечиваются в предлагаемой технологии на стадии обработки зеленой массы растений технологическими приемами разделения, например путем экстракции, ректификации, паровой перегонки и т.д. В качестве экстрагента (растворителя) в предлагаемой технологии может быть использован, например, жидкий С02. Использование данного селективного растворителя при выбранных технологических параметрах обеспечивает процесс раз- деления смеси жидкого и твердого вещества, переход радионуклидов 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, консервной, ликероводочной, фармацевтической, парфюмерно-косметической и др. отраслей промышленности.

Предлагаемый авторами способ был осуществлен и отработан в вегетационных опытах в лабораторных условиях с использованием дерново-подзолистой суглинистой почвы (грунта) из зоны отселения (район: южная сторона окраины д. Кирове, Наровлянского района, Гомельской обл.). Среднее суммарное загрязнение данной почвы радионуклидами составило 60-70 Ки/км

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

Контроль рН почвы осуществлялся с помощью стандартной методики, разработанной в ЦИНАО (ГОСТ 26483-85) приготовлением солевой вытяжки.

Начальная кислотность почвы составляла 5,6-6,6. В процессе внесения в почву 10%-ного водного раствора сульфида аммония обеспечивалось поддержание рН почвы в интервале 9,5-10,8.

Эксперимент производился с использованием четырех видов растений, высаженных в отдельности в четырех ячейках каждое, при этом две ячейки по каждому растению являлись ячейками контроля, в которых протекал процесс природной фи- тодезактивации без внесения в почву неорганических веществ по предлагаемой

технологии, а лишь при использовании регулируемого полива.

После среза через определенные периоды времени растения сушили и измельчали, после чего помещали сухую зеленую массу в лабораторный экстрактор, в котором в качестве экстрагента использовался жидкий С02. Процесс экстракции производили в одностадийном и многостадийном

0 режимах. После чего осуществлялось измерение радиоактивности экстракта и рафина- та, полученных из зеленой массы растений из всех шестнадцати опытных посадок (ячеек) с применением стандартных методик оп5 ределения содержания цезия-134, 137, рутения-106, церия-144, стронция-90, урана- 235 и плутония-239, 240, 241, утвержденных Межведомственной комиссией Госкомгидро- мета по радиационному контролю природной

0 среды - Инструкция и методические указания по оценке радиоактивности на загрязненных территориях, утв. 29,04.1987 г.

В таблице приведены результаты вегетационных опытов и показано изменение

5 коэффициента накопления радионуклидов (КН) в тканях растений в зависимости от вида растений и времени их среза (вегетационного периода). Коэффициент накопления (КН) есть отношение концентрации

0 радиоактивности в экстракте и рафинате к концентрации радиоактивности в 1 кг почвы, при этом концентрация радиоактивности в экстракте и рафинате рассчитывается на 1 кг сухого продукта (растения) для их

5 образования.

В опытах средняя концентрация радиоактивности изотопов: цезия, рутения, церия, стронция, урана и плутония в почве составляла: 3.06 10 Бк/кг. Плотность по0 чвы равнялась 1,36 г/см3.

Эксперимент показал, что применение предлагаемой технологии позволяет по сравнению с контролем интенсифицировать процесс на 1-3 порядка, увеличить фи5 тосорбцию (аккумуляцию) радионуклидов донником белым и/или лекарственным, мятой перечной, дубровником беловойлоч- ным, тимьяном обыкновенным, обеспечив в пересчете через среднюю урожайность этих

0 растений на дерново-подзолистых почвах за один вегетационный период очистку почвы от радионуклидов на 2-5%. Существуют и другие растения, позволяющие обеспечить при применении предлагаемой техно5 логии высокий коэффициент фитосоробции радионуклидов в широком спектре их избирательности.

При этом, как показал эксперимент, предлагаемая технология обеспечивает вы- деление из надземной части растений чистой целевой продукции, при кон центрировании радиоизотопов в остаточном продукте переработки с последующей их утилизацией и захоронением по известным технологиям.

Использование в предлагаемой технологии дезактивации почвы растениями семейства губоцветных и бобковых, относящихся к растениям, содержащим большую гамму ароматических и лекарственных веществ, в сочетании с периодической обработкой загрязненных радионуклидами почв водными растворами сульфида аммония, позволит отказаться от энергоемких, требующих огромных материальных вложений и капитальных затрат технологий, не позволяющих уменьшить коллективную дозу загрязнения.

Предлагаемая технология - активный инструмент снижения коллективной дозы загрязнения местности при активном землепользовании.

Она по сравнению с убыточными технологиями очистки почвы обеспечивает от вложений в нее получение прибыли за счет получения и производства чистой дорогостоящей и дефицитной продукции: ароматических веществ, эфирных масел и т.д. из сырья (зеленой массы растений) фитодезак- тивации.

Экономический эффект при применении предлагаемой технологии на загрязнен- ных радионуклидами территориях Гомельской и Могилевской областей составит десятки миллиардов руб., позволит вернуть земли и рабочую силу к активному землепользованию, обеспечит очистку высокоплодородных пахотных земель от радионуклидов максимально в течение 15-30 лет, а при усовершенствовании технологии возможно и раньше.

Формула изобретения 1Способ очистки почвы от радионуклидов, включающий внесение в нее неорганических соединений, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа, в качестве неорганических соединений используют водный раствор сульфида аммония, а после внесения его в почву высевают семена однолетних и многолетних растений, которые собирают в течение вегетационного сезона и выделяют из них радионуклиды, их соединения и целевую продукцию.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве семян однолетних и многолетних растений высевают семена донника белого и/или лекарственного, мяты перечной, дубровника беловойлочного и тимьяна обыкновенного.

Использование: в сельском хозяйстве при очистке почвы от радионуклидов. Сущность изобретения: в почву вносят водный раствор сульфида аммония, высевают семена однолетних и многолетних растений. Растения в течение вегетации собирают и выделяют из них радионуклиды, их соединения и целевую продукцию. В качестве семян однолетних и многолетних растений в почву высевают семена донника белого и/или лекарственного, мяты перечной, дубровника беловойлочного и тимьяна обыкновенного. 1 табл.