RU2194319C2 - Method for decontaminating soil from radionuclides - Google Patents

Abstract

FIELD: environment protection; decontaminating soils polluted by radioactive elements as result of accidents at nuclear power stations. SUBSTANCE: method includes introduction of radionuclide sorbing material into contaminated soil, growing of radionuclide accumulating plant, removal of vegetable-covered top-soil, and its further recovery. Plant choice is effected by finding analog elements for each radionuclide subject to removal from soil followed by determining vegetables accumulating analog elements. Porous granular mineral carbon sorbent is used as sorbing material. This sorbent is extracted from soil upon removal of vegetable-covered top-soil and recovered. Vegetables are planted and sorbent is introduced simultaneously. Amount of sorbent introduced and radionuclide accumulating vegetable planted are found from equation C = 10-15 kP, where C is amount of sorbent, t/ha; P is soil pollution level, Ci/ha; k is plant activity factor. Sorbent used for the purpose has following composition, mas.%: natural mineral raw material modified by special additives, 50-60; active carbon, 15-30; bonding additive, the balance. Sorbent is introduced through depth equal to mean depth of root system. Pod-bearing plants are used as radionuclide absorbing vegetables. EFFECT: enhanced effectiveness and economic efficiency of soil decontamination; facilitated procedure; reduced material input and cost. 5 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к защите окружающей среды, в частности к технологии дезактивации почв, зараженных радиоактивными элементами вследствие аварий на атомных электростанциях. The invention relates to the protection of the environment, in particular to the technology of decontamination of soils contaminated with radioactive elements due to accidents at nuclear power plants.

Известен способ очистки почвы от радионуклидов путем фитодезактивации [1] . По этому способу загрязненный радионуклидами слой почвы периодически обрабатывают водным раствором 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. Данная технология, включающая много связанных с обработкой почвы трудоемких операций, дорогостоящая и требует расхода большого количества химикатов (до 100 кг/га). Кроме того, очистка данным способом позволяет вернуть земли к активному использованию через десятки лет (20-30 лет) вследствие невысокого коэффициента фитосорбции (за один вегетационный период очистка от загрязнения радионуклидами составляет 3-8%). A known method of cleaning the soil from radionuclides by phyto-decontamination [1]. According to this method, the soil layer contaminated with radionuclides is periodically treated with an aqueous solution of ammonium nitrate with the addition of microorganisms as biologically active elements - lactic acid bacteria, annual and perennial plants are planted in the soil layer, during the growing season, plants are periodically collected and radionuclides are extracted. This technology, which includes many labor-intensive operations related to tillage, is expensive and requires the consumption of a large amount of chemicals (up to 100 kg / ha). In addition, cleaning by this method allows you to return the land to active use after dozens of years (20-30 years) due to the low phytosorption coefficient (for one vegetation period, clearing of contamination with radionuclides is 3-8%).

Известен также способ локализации радионуклидов в почвах и грунтах, включающий внесение в загрязненную почву сорбирующего радионуклиды гранулированного вспученного перлита, на внутреннюю поверхность гранул которого нанесены поглотители радионуклидов, взаимодействие такого перлита с почвой путем контактирования с одновременной десорбцией радионуклидов из почвы до установленных норм и удаления перлита [2]. Недостатком этого способа является его трудоемкость, неэффективность извлечения сорбирующего материала из-за малых размеров гранул. Кроме того, скорость перехода радионуклидов из почвы в гранулы перлита недостаточна. Так, относительная радиоактивность почвы 1/10 через 100 суток после внесения гранул в почву имеет еще значительную величину 0,71. Технология приготовления такого сорбента дорогостоящая и сложна. Концентрации растворов, которыми последовательно пропитывают гранулы перлита, зависят от свойств внутренней поверхности гранул и в каждом случае рассчитываются отдельно. Для извлечения различных радионуклидов производится обработка перлита разными комбинациями модифицирующих химических реагентов. Практически, в зависимости от степени заражения различными радионуклидами и их соотношения в составе почвы для каждого участка земли необходимо применять определенную смесь гранул, иммобилизованных поглотителями разных радионуклидов. Это делает затруднительным централизованное изготовление и снабжение агротехнических предприятий такими сорбентами. There is also known a method for localizing radionuclides in soils and soils, including introducing granular expanded perlite into the contaminated soil of a sorbing radionuclide, radionuclide absorbers on the inner surface of the granules, interacting such perlite with soil by contacting with simultaneous desorption of radionuclides from the soil to established norms and removing perlite 2]. The disadvantage of this method is its complexity, inefficiency of extraction of the sorbent material due to the small size of the granules. In addition, the rate of transfer of radionuclides from soil to perlite granules is insufficient. So, the relative radioactivity of the soil 1/10 in 100 days after the introduction of granules into the soil has a still significant value of 0.71. The technology for preparing such a sorbent is expensive and complicated. The concentration of the solutions, which are sequentially impregnated with perlite granules, depends on the properties of the inner surface of the granules and in each case are calculated separately. To extract various radionuclides, perlite is treated with various combinations of modifying chemicals. In practice, depending on the degree of infection with various radionuclides and their ratio in the soil composition for each plot of land, it is necessary to apply a certain mixture of granules immobilized by absorbers of different radionuclides. This makes it difficult to centrally manufacture and supply agrotechnical enterprises with such sorbents.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ дезактивации почвы, включающий выращивание на дезактивируемой местности растений, аккумулирующих через корневую систему радионуклиды, содержащиеся в почве, внесение в почву сорбирующего радионуклиды материала и водного раствора аммиачной селитры или азотной кислоты, удаление растительного покрова и дальнейшую его утилизацию [3]. При этом предварительно устанавливают элементы-аналоги для каждого подлежащего извлечению из почвы радионуклида, имеющие сходные с ним химические свойства и ту же валентность, а также перечень растений, хорошо аккумулирующих элементы-аналоги и обладающих в загрязненных радионуклидами слоях почвы развитой корневой системой. После проведения агромероприятий по подготовке почвы ее засевают семенами упомянутых растений, причем исключают из состава вносимых удобрений удобрения, содержащие установленные элементы-аналоги, и доводят рН почвы до значения, превышающего оптимальное значение рН для выбранного растения или сочетания растений не более чем на 0,5 единицы. Применение аммиачной селитры или азотной кислоты способствует переводу радионуклидов в ионообменную форму. Для поддержания их в таком состоянии в течение длительного времени почву повторно обрабатывают указанным водным раствором предпочтительно в периоды активного развития растений и их созревания. Необходимо при этом следить за тем, чтобы концентрация и количество водного раствора не угнетали выращиваемые растения. В качестве сорбента используют смесь, состоящую из отходов лесозаготовительного производства, таких как хвоя, кора, опилки. Вместо опилок можно использовать цеолит. Указанную смесь перемешивают с живицей из расчета 10-15 л живицы на 1 м³ смеси.The closest to the claimed invention in technical essence and the achieved result is a method of soil decontamination, including growing plants on decontaminated area, accumulating radionuclides contained in the soil through the root system, introducing material and an aqueous solution of ammonium nitrate or nitric acid into the soil, removing plant cover and its further disposal [3]. In this case, analog elements are pre-installed for each radionuclide to be extracted from the soil, having similar chemical properties and the same valency, as well as a list of plants that accumulate analog elements well and have a developed root system in the soil layers contaminated with radionuclides. After agricultural activities to prepare the soil, it is sown with the seeds of the mentioned plants, moreover, fertilizers containing established analogous elements are excluded from the composition of the applied fertilizers and the soil pH is adjusted to a value that exceeds the optimal pH value for the selected plant or combination of plants by no more than 0.5 units. The use of ammonium nitrate or nitric acid promotes the conversion of radionuclides into ion-exchange form. To maintain them in this state for a long time, the soil is re-treated with the indicated aqueous solution, preferably during periods of active development of the plants and their ripening. At the same time, it is necessary to ensure that the concentration and amount of the aqueous solution do not inhibit the grown plants. As a sorbent use a mixture consisting of logging waste products such as needles, bark, sawdust. Instead of sawdust, zeolite can be used. The specified mixture is mixed with gum from the calculation of 10-15 liters of gum per 1 m ^{3 of the} mixture.

Недостатками этого способа являются сложность и трудоемкость технологического процесса, требующего большого расхода химикатов, невозможность извлечения из почвы, регенерации и повторного использования сорбента. Недостатком также является большой расход дорогостоящей живицы, ценного сырья для химической промышленности, вручную добываемого подсочкой из деревьев сосны (аналогично добыче натурального каучука). Расход живицы на 1 га почвы составляет как минимум 200 л. The disadvantages of this method are the complexity and complexity of the process, requiring a large consumption of chemicals, the inability to extract from the soil, regeneration and reuse of the sorbent. The disadvantage is also the high consumption of expensive resin, a valuable raw material for the chemical industry, manually extracted from pine trees (similar to the extraction of natural rubber). The consumption of gum per 1 ha of soil is at least 200 liters.

Задачей, на решение которой направленно изобретение, является разработка эффективной и экономичной технологии дезактивации почвы на радиоактивно зараженных территориях. The task to which the invention is directed is to develop an effective and economical technology for soil decontamination in radioactively contaminated territories.

Способ очистки почвы от радионуклидов, созданный для решения поставленной задачи, позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении эффективности и экономичности очистки почв от радионуклидов за счет использования углеродминеральных пористых материалов, упрощения технологического процесса дезактивации и снижения материальных и денежных затрат. A method of cleaning soil from radionuclides, created to solve the problem, allows to achieve a technical result, which consists in increasing the efficiency and economy of soil cleaning from radionuclides by using carbon-mineral porous materials, simplifying the decontamination process and reducing material and financial costs.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что известном способе очистки почвы от радионуклидов, включающем внесение в загрязненную почву сорбирующего радионуклиды материала, выращивание на загрязненной почве радиоаккумулирующих растений, выбор которых производят путем установления элементов-аналогов для каждого подлежащего удалению из почвы радионуклида с последующим определением растений, аккумулирующих элементы-аналоги, удаление растительного покрова и дальнейшую его утилизацию, согласно заявляемому изобретению в качестве сорбирующего материала используют гранулированный углеродминеральный сорбент, который после удаления растительного покрова извлекают из почвы и утилизируют. При этом посев растений и внесение сорбента производят одновременно, а количество вносимого сорбента определяют из соотношения: С= (10-15)•кР, где С -количество сорбента (т/га); Р - уровень зараженности почвы (Кu/га); к - коэффициент селективности растения. The essence of the proposed method lies in the fact that the known method of cleaning the soil of radionuclides, including the introduction into the contaminated soil of a sorbing radionuclide material, growing on contaminated soil of radio-accumulating plants, the choice of which is made by establishing analogue elements for each radionuclide to be removed from the soil with subsequent determination of plants accumulating elements-analogues, the removal of vegetation and its further disposal, according to the claimed invention as The sorbent material uses a granular carbon-mineral sorbent, which, after removal of the vegetation cover, is removed from the soil and disposed of. At the same time, the plants are sown and the sorbent added at the same time, and the amount of sorbent introduced is determined from the ratio: C = (10-15) • kP, where C is the amount of sorbent (t / ha); P - soil contamination level (Ku / ha); K is the coefficient of plant selectivity.

Технический результат достигается также тем, что используют сорбент следующего состава, мас. %: природное минеральное сырье, например вермикулит, модифицированное специальными добавками, 50-60; активный уголь 15-30; связующая добавка остальное. Глубина внесения сорбента принимается равной средней глубине залегания корневой системы растения. Такой сорбент после извлечения из почвы регенерируют и используют повторно. The technical result is also achieved by using a sorbent of the following composition, wt. %: natural mineral raw materials, for example vermiculite, modified with special additives, 50-60; activated carbon 15-30; binder additive rest. The depth of application of the sorbent is taken equal to the average depth of the root system of the plant. After extraction from the soil, such a sorbent is regenerated and reused.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый способ очистки почвы от радионуклидов отличается от известного применением иного сорбирующего радионуклиды материала, а именно гранулированного углеродминерального сорбента, который впоследствии извлекают из почвы и утилизируют, совмещением внесения сорбента и посева растений в одну технологическую операцию, установлением зависимости между количеством вносимого сорбента, уровнем зараженности почвы и коэффициентом селективности растения. В частных случаях выполнения способ может различаться составом применяемого углеродминерального сорбента, а также тем, что извлеченный из почвы сорбент после регенерации может быть использован повторно. Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the inventive method of cleaning the soil from radionuclides differs from the known application of another sorbing radionuclide material, namely a granular carbon mineral sorbent, which is subsequently extracted from the soil and disposed of by combining the application of the sorbent and planting of plants in one technological operation, by establishing the relationship between the amount of sorbent introduced, the level of soil contamination and the plant selectivity coefficient. In particular cases of execution, the method may differ in the composition of the carbon mineral sorbent used, and also in that the sorbent extracted from the soil after regeneration can be reused.

В доступных источниках информации не найдено описаний известных решений, характеризующихся совокупностью отличительных признаков предлагаемого изобретения. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". In the available sources of information no descriptions of known solutions were found, characterized by a combination of distinctive features of the present invention. Thus, the claimed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty."

Экспериментальными исследованиями установлено неизвестный ранее факт влияния сорбционных свойств углеродминеральных сорбентов на поглотительную способность радиоаккумулирующих растений при их совместном нахождении в загрязненной радионуклидами почве в вегетационный период по отношению к ¹³⁷Cs. При этом происходит значительное повышение степени очищения почвы. Суммарное поглощение радионуклидов цезия такими сорбентами и растениями при их совместном использовании превышает суммарное поглощение теми же сорбентами и растениями, но при их раздельном использовании в 2 раза и более. Таким образом, достигнут сверхсуммарный результат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".Experimental studies have established a previously unknown fact of the influence of the sorption properties of carbon-mineral sorbents on the absorption capacity of radio-accumulating plants when they are together in soil contaminated with radionuclides during the growing season with respect to ¹³⁷ Cs. In this case, a significant increase in the degree of soil purification occurs. The total absorption of cesium radionuclides by such sorbents and plants when used together exceeds the total absorption by the same sorbents and plants, but when used separately, 2 times or more. Thus, an extra-total result has been achieved, which allows us to conclude that the proposed solution meets the criterion of "inventive step".

Предлагаемый способ очистки почвы от радионуклидов реализован следующим образом. The proposed method for cleaning soil from radionuclides is implemented as follows.

На опытном поле (Полесский р-н, активность почвы по ¹³⁷Cs составляла 23310 Бк/кг) в мае были засеяны 4 участка люпином и 4 участка картофелем. Сорбент вносили на глубину, равную средней глубине залегания корневой системы растений, одновременно с посевом растений на трех участках. Для каждого вида растений был заложен контрольный участок, не содержащий сорбент. В каждый из 3-х участков вносили сорбент, содержащий различную минеральную добавку: цеолит, вермикулит, модифицированный вермикулит.On the experimental field (Polesskii district, ¹³⁷ Cs soil activity was 23310 Bq / kg) in May, 4 plots of lupine and 4 plots of potatoes were sown. The sorbent was introduced to a depth equal to the average depth of the root system of plants, simultaneously with planting in three areas. For each type of plant, a control plot without sorbent was laid. A sorbent containing a different mineral additive: zeolite, vermiculite, modified vermiculite was added to each of the 3 sites.

Вначале сентября после удаления растительного покрова и извлечения сорбента анализировали картофель (клубни и ботву), люпин и сорбент на содержание ¹³⁷Cs. Результаты опытов приведены в таблице и на чертеже.In early September, after removal of the vegetation cover and extraction of the sorbent, potatoes (tubers and tops), lupine and sorbent for ¹³⁷ Cs were analyzed. The results of the experiments are shown in the table and in the drawing.

Источники информации
1. А.с. СССР 1780436, G 21 F 9/34, опубл. в БИ 14 за 1994 г.Sources of information
1. A.S. USSR 1780436, G 21 F 9/34, publ. in BI 14 for 1994

2. А.с. СССР 1581084, G 21 F 9/34, опубл. в БИ 20 за 1994 г. 2. A.S. USSR 1581084, G 21 F 9/34, publ. in BI 20 for 1994

3. Патент РФ 2033647, G 21 F 9/34, опубл. в БИ 11 за 1995 г. - прототип. 3. RF patent 2033647, G 21 F 9/34, publ. in BI 11 for 1995 - a prototype.

Claims (4)

1. Способ очистки почвы от радионуклидов, включающий внесение в загрязненную почву сорбирующего радионуклиды материала, выращивание на этой почве радиоаккумулирующих растений, выбор которых производят путем установления элементов-аналогов для каждого подлежащего удалению из почвы радионуклида с последующим определением растений, аккумулирующих элементы-аналоги, удаление растительного покрова и дальнейшую его утилизацию, отличающийся тем, что в качестве сорбирующего материала используют гранулированный углеродминеральный сорбент, который после удаления растительного покрова извлекают из почвы и утилизируют, при этом посев радиоаккумулирующих растений и внесение сорбента производят одновременно, а количество вносимого сорбента и радиоаккумулирующего растения определяют из соотношения С = (10-15) кР, где С - количество сорбента (т/га); Р - уровень зараженности почвы (Кu/га), к - коэффициент селективности растения. 1. A method of cleaning soil from radionuclides, including introducing into a contaminated soil sorbing radionuclides material, growing on this soil radio-accumulating plants, the choice of which is made by establishing analog elements for each radionuclide to be removed from the soil, followed by determination of plants accumulating analog elements, removal plant cover and its further utilization, characterized in that granular carbon-mineral sorbent is used as the sorbing material, which, after removal of the vegetation cover, is removed from the soil and disposed of, while sowing the radioaccumulative plants and applying the sorbent at the same time, and the amount of the sorbent and the radioaccumulating plant is determined from the ratio C = (10-15) kP, where C is the amount of sorbent (t / ha ); P - soil contamination level (Ku / ha), k - plant selectivity coefficient. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют сорбент следующего состава, мас. %:
Природное минеральное сырье, например вермикулит, модифицированное специальными добавками - 50-60
Активный уголь - 15-30
Связующая добавка - Остальное
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сорбент вносят на глубину, равную средней глубине залегания корневой системы растения.2. The method according to p. 1, characterized in that they use a sorbent of the following composition, wt. %:
Natural mineral raw materials, for example vermiculite, modified with special additives - 50-60
Active carbon - 15-30
Binder Additive - Else
3. The method according to p. 1, characterized in that the sorbent is added to a depth equal to the average depth of the root system of the plant. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве радиоаккумулирующих растений используют бобовые, например люпин, горох, люцерну. 4. The method according to p. 1, characterized in that as a radioaccumulative plants use legumes, for example lupine, peas, alfalfa. 5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что извлеченный из почвы сорбент регенерируют и используют повторно. 5. The method according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the sorbent extracted from the soil is regenerated and reused.

Images