CN114276060B - 适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法 - Google Patents

适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，其特征在于：（1）将氢氧化钠、目标核素按摩尔比1：1‑4置于容器中，加硅溶胶，控制硅溶胶在混合液中占比为35%~45%，密封后电磁搅拌24‑72h；（2）继续加硅铝原材料粉末和含有微波吸收成分的玻璃粉，控制玻璃粉：硅铝原材料粉末：氢氧化钠质量比为0.5‑2：10:1，超声震荡、搅拌；在真空下除泡8‑12min；（3）密封、置于55‑65℃保温6‑8天；（4）取出，粉碎、压块；置于微波马弗炉中，800‑1150℃下保温1‑4h，冷却。本发明优点：将玻璃与地质聚合物结合，加强了地质聚合物的结构；微波法加热大幅提升了加热速率，节约了加热时间和能源消耗；微波法可选择性的加热玻璃组分，减少了对地聚合物基体的破坏。

Description

适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备 方法
技术领域
本发明属放射性危废处理领域，涉及一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法。
背景技术
核电技术得到应用以来，核废料处理技术就始终是核电技术推广应用的一大阻碍。目前对于工业废料的处理主要包括净化、焚烧、掩埋、循环再利用等途径，而对于一些粉体或液体类的工业废料，对其进行适当的处理转化成稳定的固体，即固化处理，然后再集中进行后续的运输、存储和包装等处理，该处理方法容易实现规模化，效率也较高。地质聚合物固化核废料是近年来新兴的核废料固化技术热点。地质聚合物制备过程简单，且其网状立体结构可有效固化核素原子，但地聚合物仍存在强度不足等缺点。
向地聚合物中引入玻璃，虽然可以有效地填补地聚合物内部相对疏松的空间，加强地聚合物固化体的结构，降低核素晶相的形成温度；但是玻璃的引入必须加热至玻璃熔融温度以上形成液相，以填补内部空隙并为核素离子的迁移提供通道；目前传统的加热方式由于升温满、传热效率低，导致加热时间长、能源消耗高。
发明内容
本发明的目的一是为了解决现有地质聚合物固化核废料存在的强度低的问题；二是为了解决玻璃引入地质聚合物固化核废料，传统加入方式升温满、传热效率低，导致加热时间长、能源消耗高的问题；提供一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将氢氧化钠、目标核素按摩尔比1：1-4置于容器中，随后向容器中加入硅溶胶，控制硅溶胶在混合后的混合液中的质量比为35%~45%（优选为37.5%），密封后电磁搅拌24-72h，得到混合液；其中目标核素为放射性核废料中的一种或多种放射性元素；
（2）向步骤（1）所得的混合液中加入硅铝原材料粉末和玻璃粉，其中玻璃粉为含有微波吸收成分的玻璃粉，控制玻璃粉：硅铝原材料粉末：氢氧化钠的质量比为0.5-2：10:1，超声震荡并搅拌1-1.2h；随后将混合料置于真空除泡机中，在真空状态下除泡8-12min；
（3）将除泡后的混合料密封后置于55-65℃的烘箱中保温5-14天，随后取出，得地聚合物前驱固化体；
（4）将地聚合物前驱固化体破碎后粉碎成粉末，将粉末压块成型（成型压力30Mpa以上），得固化体生坯；随后将固化体生坯置于微波马弗炉中进行烧结，升温至800-1150℃并保温1-4h，冷却至室温，得玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体。
进一步，所述步骤（1）硅溶胶中二氧化硅的质量分数为15%~50%，优选为30%。
进一步，所述步骤（2）硅铝原材料为偏高岭土、粉煤灰、沸石或其它富含硅、铝元素的材料中的一种。
进一步，所述步骤（2）硼硅酸盐玻璃粉中含有氧化钠、氧化钾、氧化镁等中的一种或多种。
进一步，所述步骤（4）中微波烧结温度为850℃-1000℃，时间为2-3h。
本发明通过向地聚合物中引入含有微波吸收成分的玻璃，不紧可以很好地填补了地聚合物内部相对疏松的空间，加强地聚合物固化体的结构，降低核素晶相的形成温度；而且还适合微波法进行加热熔制，在大幅提升加热速率，节约能耗的同时，可选择性的加热玻璃组分自身，从而避免了对地质聚合物结构的破坏。
本发明的优点：1.将传统的玻璃与地质聚合物结合，掺杂的玻璃在热处理下加强了地质聚合物的结构；2.微波法加热大幅提升了加热速率，节约了加热时间和能源消耗；
3.微波法可选择性的加热玻璃组分，减少了对地聚合物基体的破坏。
具体实施方式
一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，具体实施步骤如下：
实施例1
（1）将30ml硅溶胶（30%）与NaOH（2.4g）和CsOH·H2O（23.5g）置于聚四氟乙烯烧杯中，使用自封袋密封后电磁搅拌72h，得到混合液；
（2）向步骤（1）所得的混合液中加入24g偏高岭土与2.4g玻璃粉（玻璃成分见表1），超声震荡并搅拌1h；随后将混合料置于真空除泡机中，在真空状态下除泡10min；
（3）将除泡后的混合料密封后置于60℃的烘箱中保温7天，随后取出、冷却后拆除封膜，得地聚合物前驱固化体；
（4）将地聚合物前驱固化体破碎、研磨成粉末，将粉末在35MPa下压块成型，并保压5min，得固化体生坯；随后将固化体生坯置于微波马弗炉中进行烧结，控制微波的频率为2.45 GHz，升温至1000℃并保温2h，冷却至室温，得玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体。
表1 玻璃组分
组分 Fe2O3 Na2O B2O3 SiO2 Al2O3 Li2O ZnO
含量(wt%) 1 4 24 62 1.5 4.5 3
实施例2
（1）将30ml硅溶胶（30%）与NaOH（2.4g）和CsOH·H2O（23.5g）置于聚四氟乙烯烧杯中，使用自封袋密封后电磁搅拌48h，得到混合液；
（2）向步骤（1）所得的混合液中加入24g粉煤灰与2.4g玻璃粉（玻璃成分见表2），超声震荡并搅拌1.5h；随后将混合料置于真空除泡机中，在真空状态下除泡9min；
（3）将除泡后的混合料密封后置于58℃的烘箱中保温10天，随后取出、冷却后拆除封膜，得地聚合物前驱固化体；
（4）将地聚合物前驱固化体破碎、研磨成粉末，将粉末在40MPa下压块成型，并保压10min，得固化体生坯；随后将固化体生坯置于微波马弗炉中进行烧结，控制微波的频率为2.45 GHz，升温至1100℃并保温2h，冷却至室温，得玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体。
表2 玻璃组分
组分 Na2O B2O3 MgO SiO2
含量(wt%) 15 30 5 50
对制备的地聚合物基固化体进行抗浸出性能测试，测得铯元素的标准化浸出率为3.11×10-8g/(cm2·d)~1.94×10-7g/(cm2·d)。

Claims (7)

1.一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将氢氧化钠、目标核素按摩尔比1：1-4置于容器中，随后向容器中加入硅溶胶，控制硅溶胶在混合后的混合液中的质量比为35%~45%，密封后搅拌24-72h，得到混合液；其中目标核素为放射性核废料中的一种或多种放射性元素；
（2）向步骤（1）所得的混合液中加入硅铝原材料粉末和玻璃粉，其中玻璃粉为含有微波吸收成分的玻璃粉，控制玻璃粉：硅铝原材料粉末：氢氧化钠的质量比为0.5-2：10:1，超声震荡并搅拌1-1.2h；随后将混合料置于真空除泡机中，在真空状态下除泡8-12min；
（3）将除泡后的混合料密封后置于55-65℃的烘箱中保温5-14天，随后取出，得地聚合物前驱固化体；
（4）将地聚合物前驱固化体破碎后粉碎成粉末，将粉末压块成型，得固化体生坯；随后将固化体生坯置于微波马弗炉中进行烧结，升温至800-1150℃并保温1-4h，冷却至室温，得玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体。
2.根据权利要求1所述一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）硅溶胶中二氧化硅的质量分数为15%~50%。
3.根据权利要求1所述一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）硅溶胶中二氧化硅的质量分数为30%，硅溶胶在混合后的混合液中的质量比为37.5%。
4.根据权利要求1所述一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）硅铝原材料为偏高岭土、粉煤灰、沸石或其它富含硅、铝元素的材料中的一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）玻璃粉中含有氧化钠、氧化钾、氧化镁、氧化铁中的一种或多种。
6.根据权利要求1-4任一项所述一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中成型压力30Mpa以上。
7.根据权利要求1-4任一项所述一种适用微波法的玻璃掺杂放射性核废料地聚合物固化体的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中微波烧结温度为850-1000℃，时间为2-3h。
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