CN102610288A - 一种用于放射性核素污染砂土的固化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于放射性核素污染砂土的固化处理方法，包括铝热剂的制备：将铝粉、氧化铁粉、助剂1按0.33-0.66：1.00-2.00：0.01-0.30的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，以60-120转/分搅拌30-60分钟，混合均匀即得；固化处理：混料：将粒径小于1cm与主要成分为SiO₂的砂土与铝热剂、助剂2、模拟放射性核素按1.0：1.6-3.0：0.01-0.35：0.01-0.20的质量比混合，在常温、常压下，以45-60转/分钟搅拌90-120分钟，混合均匀即可；填埋：将上步的混合料，置于顶部带盖板和气体过滤装置的钢制容器或水泥池中填埋，周围装填15-50cm的干沙，上顶覆盖50-100cm的干沙后加盖；点火：在混合料上部或下部安装点火装置，通电点火，断电后测量电阻，确认点燃效果；后处理：待固化体冷却至环境温度时，将其取出或就地掩埋。

Description

一种用于放射性核素污染砂土的固化处理方法

技术领域

 本发明涉及放射性废物的处理，尤其针对放射性核素污染的砂土，采用的固化处理方法有重要的应用价值。

背景技术

目前放射性废物尤其是高放废物的固化技术主要是玻璃固化和人造岩石固化，这两种固化方法都是使用外加热源，将废物和添加剂加热至熔融状态，再冷却形成玻璃体或者陶瓷体，但即使将放射性废物加热熔融，形成低熔点玻璃，温度也达到800℃，人造岩石固化则必须达到1300℃-1500℃，这种高温加热的方式耗能耗时，工艺复杂，投资和运行成本高，易产生二次污染。自蔓延高温合成是一种利用化学反应的自身放热使反应持续进行，最终合成所需材料或制品的新技术。它可以应用到放射性废物的固化处理领域，尤其是用于受污染的土壤、失效无机离子交换器、高放废物焚烧灰等难以回收处理的固体废物，其优点主要体现在：(1)能耗低，不需大型昂贵的设备；(2)可应用到废物处置点或就地处置；(3)可根据放射性核素类型，进行产物设计；(4)合成温度高，最高可达3000℃-4000℃，能够熔融很多有害物质；(5)反应速度快，处理效率高，减少了高温下气溶胶的产生。

文献检索披露：①路新等在2003，31(2):205-208，《硅酸盐学报》上发表的“自蔓延高温合成固定放射性废物”的文章，采用三氧化铬、钛粉、氧化钙和二氧化钛作为原料，利用自蔓延高温合成准等静压反应器装置合成了钛酸钙固化体，用来固定核素Sr；②张瑞珠等在2004, 26(5):485-488，《北京科技大学学报》上发表的“自蔓延高温合成钙钛矿型人造岩石固化体”的文章，揭示自蔓延高温合成准等静压反应器装置可处理分拣、提纯后的少量高放废物，但批处理量较小，成本过高，不适于大规模的工程应用，对于处理难于分拣和清洗的大量土壤来说，不太现实。

本发明构思采用廉价的化工原料，利用铝热反应放出的大量热量来熔融放射性核素污染砂土，将砂土中的放射性核素固定在固化体中，其方法新颖，经济实用，不仅可用来固化放射性废物，而且也可以用来处理其它有毒废物。

发明内容

本发明的目的在于：提供用于难以分拣和清洗的固体放射性废物的固化处理方法，能耗低、处理程序简便，可就地处置。

本发明的目的是这样实现的： 一种用于放射性核素污染砂土的固化处理方法，包括铝热剂的制备与固化处理步骤：

铝热剂的制备：将铝粉、氧化铁粉、助剂1按0.33-0.66：1.00-2.00：0.01- 0.30的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，以60-120转/分搅拌30-60分钟，混合均匀即得；

污染砂土的固化处理：

混料：将粒径小于1cm与主要成分为SiO₂的砂土与铝热剂、助剂2、模拟放射性核素按1.0：1.6-3.0：0.01-0.35：0.01-0.20的质量比混合，在常温、常压下，以45-60转/分钟搅拌90-120分钟，混合均匀即可；

填埋：将上步的混合料，置于顶部带盖板和气体过滤装置的钢制容器或水泥池中填埋，周围装填15-50cm的干沙，上顶覆盖50-100cm的干沙后加盖板； 

点火：在混合料上部或下部安装点火装置，通电点火，断电后测量电阻，确认点燃效果；

后处理：待固化体冷却至环境温度时，将其取出或就地掩埋。

所述的方法，选用铝粉纯度大于97%，粒径小于75μm；氧化铁粉纯度大于98%，粒径小于50μm的成品使用。

所述的方法，选用助剂1的成分为KMnO₄、CaO₂、Ca(NO₃)₂、CrO₃、MoO₃、NiO、Cr₂O₃、Na₂B₄O₇、SiCa，作用是提高铝热剂反应的温度或固化体的结构稳定性，使用时选一种或多种。

所述的方法，选用助剂2的成分为CaO、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Y₂O₃、Gd₂O₃，作用是在固化体中形成能够稳定包容模拟放射性核素的钙钛矿、钙钛锆石或烧绿石等相结构，使用时选一种或多种。

本发明方法与其他方法相比的技术特点： 

(1)根据待处理废物组成特性，设计铝热剂体系的成分和配比；

(2)通过添加含硼成分和SiCa合金，增加了固化体的玻璃相含量，提高了固化体结构的均匀性和抗浸出性能；添加含锰、镍、铬等成分，改善了固化体中铁元素的稳定性，提高了固化体的抗蚀变性能；添加含钙、钛、锆、铪、钇、钆等组分，在固化体中形成能稳定包容模拟放射性核素的钙钛矿、烧绿石、钙钛锆石等相结构，提高了固化体的抗浸出性能；

(3)可熔融固化质量比例为40%左右的模拟放射性核素污染砂土。得到的固化体的体积密度超过3.0g/cm³，抗浸出性良好，模拟放射性核素Ce的28天平均浸出速率为10^-5-10^-6g/(m²·d)，比一般硼硅酸盐玻璃固化体中稀土元素的浸出速率低1-2个量级。固化体中Ca、Si和Al的28天浸出速率约为10^-3g/(m²·d)，Fe约为10^-4g/(m² ·d)。

本发明方法科学合理，利用铝热剂体系作为热源，不需要大功率熔炉设备，处理程序简单、时间短，操作中不需采取附加安全措施，二次污染极小，有重要的示范作用，彰显技术进步。

 

附图说明

本发明将结合附图作出进一步说明。

附图1 为自制圆柱形钢制容器示意图；

图1中：1-金属桶、2-法兰盖、3-流量计、4-管接头、5、6-螺栓、7、8-橡胶垫、9-密封点火装置、10-护板、11-排气孔、12-过滤装置；

如图所示：在1中放置干沙，将混合料填埋在1中部，在2上安装好3和9，连接好点火装置，将2盖在1上，利用4-8将2与1紧密结合，外接12，用以处理反应产生的尾气。

附图2为自制点火装置示意图；

图2中： 13-交流电源、14-电源开关、15-导线、16-钨丝、17-混合料；

如图所示：将13-16按照图示组合路线安装好，将16埋入17中，闭合14，电路导通，将16熔断，即可发生自蔓延反应。

 

具体实施方式

本发明将结合实施例作出进一步说明。

实施例1

将铝粉、氧化铁粉、CaO₂、SiCa按0.5：1.5：0.03：0.04的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，以60转/分钟搅拌40分钟，混合均匀；然后将其与砂土、TiO₂和三种模拟放射性核素SrO、Er₂O₃、CeO₂按2.07：１：0.01：0.01：0.01：0.01的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，再以45转/分搅拌90分钟，混合均匀；填埋入直径2m和高度2m的水泥池内，安装好电点火装置，在池周围填装干沙35cm，在顶部覆盖80cm的干沙，再加装盖板；点火反应后取固化体进行分析，得出，锶、铒、铈的含量基本与其添加量一致，Ce的28天平均浸出速率为1.9×10^-5g/(m²·d)，Sr为2.0×10^-3g/(m²·d)，Er为1.8×10^-5g/(m²·d)。

实施例2

将铝粉、氧化铁粉、KMnO₄、Na₂B₄O₇·10H₂O按0.46：1.39：0.14：0.03的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，以90转/分钟搅拌50分钟，混合均匀；然后将其与砂土、ZrO₂、Y₂O₃、CeO₂按2.02：１：0.01：0.01：0.03的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，再以60转/分搅拌100分钟，混合均匀；填埋入直径1m和高度1m的自制圆柱形钢制容器内，安装好电点火装置，在周围填满干沙25cm，在顶部覆盖78cm的干沙，再加装盖板；点火反应后取固化体进行分析，得出，模拟放射性核素Ce的28天平均浸出速率为1.0-1.8×10^-5g/(m²·d)。

实施例3

将铝粉、氧化铁粉、CrO₃、MoO₃按0.53：1.58：0.1：0.1的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，以120转/分钟搅拌30分钟，混合均匀；然后将其与砂土、TiO₂、ZrO₂、CeO₂按2.31：１：0.18：0.14：0.18的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，再以45转/分搅拌120分钟，混合均匀；填埋入直径1m和高度1m的自制圆柱形钢制容器内，安装好电点火装置，在周围填满干沙40cm，在顶部覆盖90cm的干沙，再加装盖板；点火反应后取固化体进行分析，得出，模拟放射性核素Ce的28天平均浸出速率为4.3×10^-6g/(m²·d)。

实施例4

将铝粉、氧化铁粉、NiO、Cr₂O₃按0.51：1.53：0.2：0.1的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，以60转/分钟搅拌50分钟，混合均匀；然后将其与砂土、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、CeO₂按2.34：１：0.18：0.14：0.06：0.03的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，再以45转/分搅拌110分钟，混合均匀；填埋入直径1m和高度1m的自制圆柱形钢制容器内，安装好电点火装置，在周围填满干沙35cm，在顶部覆盖90cm的干沙，再加装盖板；点火反应后取固化体进行分析，得出，模拟放射性核素Ce的28天平均浸出速率为8.4×10^-6g/(m²·d)。

实施例5

将铝粉、氧化铁粉、Ca(NO₃)₂按0.62：1.83：0.05的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，以60转/分钟搅拌60分钟，混合均匀；然后将其与砂土、TiO₂、ZrO₂、Gd₂O₃、CeO₂按2.50：１：0.20：0.04：0.02：0.03的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，再以45转/分搅拌120分钟，混合均匀；填埋入直径1.5m和高度1.5m的自制圆柱形钢制容器内，安装好电点火装置，在周围填满干沙45cm，在顶部覆盖100cm的干沙，再加装盖板；点火反应后取固化体进行分析，得出，模拟放射性核素Ce的28天平均浸出速率为1.7×10^-5g/(m²·d)。

上述试验选用的铝粉、氧化铁粉、助剂1的KMnO₄、CaO₂、Ca(NO₃)₂、CrO₃、MoO₃、NiO、Cr₂O₃、Na₂B₄O₇、SiCa；助剂2的CaO、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Y₂O₃、Gd₂O₃，均为市售产品。

Claims (4)

1.一种用于放射性核素污染砂土的固化处理方法，其特征在于：包括铝热剂的制备与固化处理步骤：

铝热剂的制备：将铝粉、氧化铁粉、助剂1按0.33-0.66：1.00-2.00：0.01- 0.30的质量比称取，依次置于混料机中，在常温、常压下，以60-120转/分搅拌30-60分钟，混合均匀即得；

污染砂土的固化处理：

混料：将粒径小于1cm砂土与铝热剂、助剂2、模拟放射性核素按1.0：1.6-3.0：0.01-0.35：0.01-0.20的质量比混合，在常温、常压下，以45-60转/分钟搅拌90-120分钟，混合均匀即可；

填埋：将上步的混合料，置于顶部带盖板和气体过滤装置的钢制容器或水泥池中填埋，周围装填15-50cm的干沙，上顶覆盖50-100cm的干沙后加盖板； 

点火：在混合料上部或下部安装点火装置，通电点火，断电后测量电阻，确认点燃效果；

后处理：待固化体冷却至环境温度时，将其取出或就地掩埋。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：选用铝粉纯度大于97%，粒径小于75μm；氧化铁粉纯度大于98%，粒径小于50μm的成品使用。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：选用助剂1的成分为KMnO₄、CaO₂、Ca(NO₃)₂、CrO₃、MoO₃、NiO、Cr₂O₃、Na₂B₄O₇·10H₂O、SiCa。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：选用助剂2的成分为CaO、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Y₂O₃、Gd₂O₃。

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