CN109994240A - 降低放射性核素污染砂土玻璃固化熔化温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于放射性废物的处理领域，为降低放射性核素污染砂土玻璃固化熔化温度的方法，由40‑80份砂土、10‑20份氧化硼、0‑10磷酸钠、0‑50份废玻璃粉组成；先将50‑80份砂土放入到耐高温坩埚中，然后将10‑20份氧化硼（或转换成含相同氧化硼质量比例的硼酸）、0‑10份磷酸钠、0‑50份废玻璃粉，从下至上依序铺放至砂土表层；将坩埚放入高温熔炉或其他加热装置升温至1400℃，保温3‑6小时，冷却后获得均匀的玻璃固化体。本发明降低砂土类放射性废物玻璃固化的熔化温度，减少熔制时间，避免易产生二次污染的步骤，利用废旧玻璃粉降低成本，提高废物包容量，获得物理化学性质较均匀的玻璃固化体。

Description

降低放射性核素污染砂土玻璃固化熔化温度的方法
技术领域
本发明属于放射性废物的处理领域，涉及放射性核素污染砂土的玻璃固化处理，采用的降低砂土玻璃化熔化温度的方法有重要的应用价值。
背景技术
玻璃固化技术是目前国内外较常用的中高放废物处理技术。固态污染物在高温下发生熔融玻璃化而形成致密结晶结构的玻璃状或玻璃-陶瓷状物质，污染核素即被牢固地束缚于玻璃体内。但工业化的玻璃固化工艺主要是针对高放废液的处理，要将浓缩的固体废物与玻璃添加剂混合加热，一是玻璃添加剂的质量比例较高，最高可达70～85wt%，废物包容量较少，二是对污染物和玻璃添加剂的粒径范围有严格要求，三是需要将污染物和添加剂混合均匀。这些工艺措施在大幅降低玻璃成型的温度和能耗的同时，也局限污染物的处理范围。对于不易清洗、分拣、粒径分布范围较宽的砂土类放射性废物来说并不适用，主要体现在：（1）砂土类固体放射性废物本身不易分拣减容，再添加大量的玻璃成型剂不利于废物最小化原则；（2）砂土中含粘土和砾石等，粒度分布范围宽，又含放射性核素，为避免放射性扬尘，要尽量减少破碎、混合等操作；（3）由于颗粒尺寸大、高熔点矿物含量高，砂土玻璃化的熔化温度较高，熔化时间很长，即使达到1600℃的高温，也较难形成均匀的玻璃体。目前国内针对砂土类固体放射性废物，尤其是高放废物砂土的固化处理方法研究有限。
文献检索披露：李平广在浙江大学硕士学位论文“模拟核素的硼硅酸盐玻璃及玻璃陶瓷固化技术研究”中分别以5wt%和0.5mol%CeO2为模拟物研究SiO2-Al2O3-B2O3-CaO-Na2O系玻璃固化体和Y2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃固化体的配方、热处理温度（1300℃、1600℃）、结构和化学稳定性。王孝强等在2013，35(3):180-192,《核化学与放射化学》上发表“高硫高钠高放废液玻璃固化配方研究”，发现适当降低废物玻璃中Si和B的含量，提高碱性，添加Sb2O5和V2O5，有利于废物玻璃包容更多的Na2SO4。刘丽君等在2014，36(3):163-168,《核化学与放射化学》上发表“高硫高钠高放废液玻璃固化的配方验证”，废物包容量为12%-16%，玻璃熔制温度为1150℃，搅拌条件下有利于提高玻璃对硫的包容能力。张华等在2015，49(7):1159-1164,《原子能科学技术》上发表“ZnO和CaO对模拟高放废液硅酸盐玻璃固化体性能的影响研究”，针对含较多Fe、Cr、Ni等过渡金属元素的高放废液，研究废物包容量为15％和20％、熔制温度1100℃、添加ZnO(5.6％)和CaO(1.75%)的配方对形成的玻璃固化体的物理化学性能和结构的影响。丁新更等在2013，42（增刊 1）：325-328，《稀有金属材料与工程》上发表“硼硅酸盐玻璃固化体结构及化学稳定性研究”，以 SiO2、 Al2O3、B2O3、 CaO、Na2O、TiO2为原料，加入 5wt% CeO2作为模拟核素，制备硼硅酸盐玻璃固化体，认为当 B2O3 含量为 15.79wt%时固化体玻璃化转变温度 Tg 最大，玻璃抗浸出效果最好；加入3wt%TiO2时 Ce 元素标准浸出率最低。⑥毛仙鹤等在发明专利“一种用于放射性核素污染砂土的固化处理方法”中提出采用铝热剂化学放热的方式自蔓延高温合成固化放射性砂土，与传统熔炉式玻璃固化工艺不同。
综上所述，高放废液的玻璃固化技术已有较广泛和深入的研究，但专门针对难以分拣减容的砂土类放射性废物的玻璃固化配方和工艺研究仍非常有限。
发明内容
发明目的：本发明针对不易分拣减容、颗粒粒度范围较宽、熔化温度较高的的砂土类放射性废物，根据砂土本身的矿物组分，通过在放射性污染砂土表面铺层少量氧化硼、磷酸钠或废玻璃粉等混合物料的方式，将放射性污染砂土的玻璃固化的熔化温度从高于1600℃降低到约1400℃，缩短熔制时间，避免砂土破碎和混合等预处理步骤，并获得均匀的玻璃固化体。
技术方案：原料以重量份数配制：由40-80份砂土、10-20份氧化硼、0-10磷酸钠、0-50份废玻璃粉组成；先将50-80份砂土放入到耐高温坩埚中，然后将10-20份氧化硼（或转换成含相同氧化硼质量比例的硼酸）、0-10份磷酸钠、0-50份废玻璃粉，从下至上依序铺放至砂土表层；将坩埚放入高温熔炉或其他加热装置升温至1400℃，保温3-6小时，冷却后获得均匀的玻璃固化体。
所述的砂土特点：①熔点高，SiO2含量50wt%-70wt%（其中石英含量35wt%-40wt%，长石20 wt%-50 wt%），Al2O3含量10wt%-15wt%，碱金属氧化物含量<5%，完全熔化温度>1600℃。②粒度大，≥5mm的砾石约20wt%，1-5mm约45 wt %，0.1-1mm约25%；≤0.1mm约10%。
所述的氧化硼、硼酸、磷酸钠是粉状白色颗粒，常用化工原料。
所述的废玻璃粉是指回收利用的废旧普通平板玻璃碎粒，粒度≤10mm，主要成分是钠钙硅酸盐。
有益效果：本发明降低砂土类放射性废物玻璃固化的熔化温度，减少熔制时间，避免砂土粉碎、原料混合等易产生二次污染的步骤，利用废旧玻璃粉降低成本，提高废物包容量，获得物理化学性质较均匀的玻璃固化体。可应用于放射性煅烧废渣和砂土等固体废物的玻璃固化处理。
具体实施方式
本发明依据实施例作进一步的说明
实施例1：先将60份砂土放入到耐高温坩埚中，然后将10份氧化硼、10份磷酸钠、20份废玻璃粉，从下至上依序铺放至砂土表层。将坩埚放入高温熔炉，加热至1400℃，保温3小时，砂土全部熔化，获得均匀褐色不透明玻璃固化体。
实施例2：先将55份砂土放入到耐高温坩埚中，然后将20份氧化硼、25份废玻璃粉，从下至上依序铺放至砂土表层。将坩埚放入高温熔炉，加热至1400℃，保温3小时，砂土全部熔化，获得浅绿色不透明玻璃固化体。
实施例3：先将80份砂土放入到耐高温坩埚中，然后将10份氧化硼、10份磷酸钠，从下至上依序铺放至砂土表层。将坩埚放入高温熔炉，加热至1400℃，保温6小时，砂土全部熔化，获得褐色不透明玻璃固化体。
实施例4：先将40份砂土放入到耐高温坩埚中，然后将10份氧化硼、50份废玻璃粉，从下至上依序铺放至砂土表层。将坩埚放入高温熔炉，加热至1400℃，保温3小时，砂土全部熔化，获得褐色不透明玻璃固化体。

Claims (1)

1.一种降低放射性核素污染砂土玻璃固化熔化温度的方法，其特征在于：原料以重量份数配制：由40-80份砂土、10-20份氧化硼、0-10磷酸钠、0-50份废玻璃粉组成；先将50-80份砂土放入到耐高温坩埚中，然后将10-20份氧化硼（或转换成含相同氧化硼质量比例的硼酸）、0-10份磷酸钠、0-50份废玻璃粉，从下至上依序铺放至砂土表层；将坩埚放入高温熔炉或其他加热装置升温至1400℃，保温3-6小时，冷却后获得均匀的玻璃固化体。
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