RU2320389C2 - Method for stabilizing of wastes in dehydrated ceramics with chemically bound phosphates (versions) - Google Patents
Method for stabilizing of wastes in dehydrated ceramics with chemically bound phosphates (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2320389C2 RU2320389C2 RU2005130010/15A RU2005130010A RU2320389C2 RU 2320389 C2 RU2320389 C2 RU 2320389C2 RU 2005130010/15 A RU2005130010/15 A RU 2005130010/15A RU 2005130010 A RU2005130010 A RU 2005130010A RU 2320389 C2 RU2320389 C2 RU 2320389C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waste
- water
- suspension
- binder
- metal oxide
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
- Treatment Of Sludge (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к применению форм отходов в керамике с химически связанными фосфатами (СВРС) для иммобилизации отходов, в частности к применению обезвоженной СВРС для получения форм отходов с повышенной устойчивостью к радиолизу в процессе стабилизации радиоактивных отходов и с оптимизированным объемом.The present invention relates to the use of waste forms in ceramics with chemically bound phosphates (CBRS) for immobilizing waste, in particular to the use of dehydrated CBRS to produce waste forms with increased resistance to radiolysis in the process of stabilization of radioactive waste and with an optimized volume.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Потоки жидких, полужидких, полутвердых и твердых высокоактивных отходов генерируются в первичном производстве, при повторной обработке либо при извлечении ядерных материалов. Исторически сложилось так, что эти отходы накапливались в ожидании финансирования и надежных технологий их обработки и удаления. По всему миру существуют многочисленные места хранения указанных отходов, главным образом, в тех странах, которые имеют или имели программы создания ядерного оружия или производственные мощности для получения ядерной энергии. Многие из этих потоков отходов содержат характерно высокие концентрации общеизвестных нерадиоактивных неорганических ионов, таких как хлориды, сульфаты и нитраты калия, натрия и кальция, вместе с минорными концентрациями высокорадиоактивных компонентов, таких как плутоний, цезий, технеций, стронций и многие другие трансурановые элементы. Некоторые потоки отходов могут содержать также нерадиоактивные, но вредные компоненты, такие как ртуть, свинец, органические вещества, фториды, другие соли, кислоты и основания, водные и безводные вещества или другие отходы и не отходы в жидкой, твердой форме или в виде шлама.Streams of liquid, semi-liquid, semi-solid and solid high-level waste are generated in primary production, in reprocessing or in the extraction of nuclear materials. Historically, these wastes accumulated in anticipation of financing and reliable technologies for their treatment and disposal. There are numerous places around the world to store these wastes, mainly in countries that have or have had nuclear weapons programs or production facilities for producing nuclear energy. Many of these waste streams contain typically high concentrations of well-known non-radioactive inorganic ions, such as chlorides, sulfates and nitrates of potassium, sodium and calcium, together with minor concentrations of highly radioactive components, such as plutonium, cesium, technetium, strontium and many other transuranic elements. Some waste streams may also contain non-radioactive, but harmful components, such as mercury, lead, organic substances, fluorides, other salts, acids and bases, aqueous and anhydrous substances, or other waste and not waste in liquid, solid or sludge form.
Стабилизация этих отходов требует, чтобы загрязняющие продукты, включая растворимые ионы тяжелых металлов, были эффективно иммобилизованы. Традиционные высокотемпературные способы обработки отходов (например, сжигание, остекловывание) большей частью не пригодны для обработки потоков отходов, описанных выше, поскольку то, что в их основе лежит применение высоких температур, создает опасность высвобождения летучих загрязняющих веществ. В дополнение к этому высокотемпературные процессы генерируют нежелательные потоки вторичных отходов. Известный низкотемпературный подход направлен на стабилизацию вредных отходов с использованием неорганических (например, пуццолановых) связующих, таких как цемент, известь, пыль печей обжига и/или летучая зола. К недостаткам этого подхода относятся высокая чувствительность к наличию примесей, высокая пористость твердых форм отходов, низкая загрузка отходов и обусловленный этим большой объем конечных форм отходов.The stabilization of this waste requires that pollutant products, including soluble heavy metal ions, be effectively immobilized. Traditional high-temperature waste treatment methods (e.g., incineration, vitrification) are for the most part not suitable for the treatment of the waste streams described above, since the fact that they are based on the use of high temperatures creates the risk of the release of volatile pollutants. In addition to this, high temperature processes generate unwanted secondary waste streams. The well-known low-temperature approach is aimed at stabilizing harmful waste using inorganic (e.g. pozzolanic) binders such as cement, lime, dust from kilns and / or fly ash. The disadvantages of this approach include high sensitivity to the presence of impurities, high porosity of solid waste forms, low waste loading and the resulting large volume of final waste forms.
Органические связующие (например, термоотверждающиеся полимеры) используются довольно редко из-за их высокой стоимости и повышенной сложности в применении. Органические связующие не совместимы с отходами на водной основе, если только эти отходы не будут предварительно обработаны и переведены в форму эмульсии или в твердую форму, и органические связующие подвержены порче под воздействием факторов окружающей среды, включая биологическое воздействие и воздействие ультрафиолетового излучения. Кроме того, органические связующие способствуют также радиолитическому образованию H2 внутри формы отходов.Organic binders (for example, thermosetting polymers) are rarely used due to their high cost and increased complexity in use. Organic binders are not compatible with water-based wastes unless these wastes are pretreated and converted into emulsion or solid form, and organic binders are subject to deterioration due to environmental factors, including biological and ultraviolet radiation. In addition, organic binders also contribute to the radiolytic formation of H 2 within the waste form.
Совсем недавно в Аргоннской национальной лаборатории США был разработан альтернативный низкотемпературный подход к стабилизации и отверждению низкоактивных смешанных отходов путем включения или загрузки этих отходов в керамику с химически связанными фосфатами (СВРС). Данный способ иммобилизует отходы путем отверждения так, что отходы физически микрокапсулируются в плотную матрицу керамики. Системы микрокапсулирования довольно привлекательны тем, что связи, образующиеся в этих системах, являются либо ионными, либо ковалентными, либо и теми и другими и, следовательно, более прочными, чем связи гидратации в цементных системах. Кроме того, процесс с керамическими составами является экзотермическим и экономичным. Фосфаты, в частности, являются отличными кандидатами на применение в стабилизации радиоактивных и вредных отходов, поскольку фосфаты радионуклидов и вредных металлов в основном не растворяются в грунтовых водах.More recently, an alternative low-temperature approach to the stabilization and solidification of low-level mixed wastes was developed at the Argonne National Laboratory in the United States by incorporating or loading these wastes into chemically bound phosphate ceramics (CBPC). This method immobilizes the waste by curing so that the waste is physically microencapsulated into a dense ceramic matrix. Microencapsulation systems are quite attractive in that the bonds formed in these systems are either ionic or covalent, or both, and therefore more durable than hydration bonds in cement systems. In addition, the process with ceramic compositions is exothermic and economical. Phosphates, in particular, are excellent candidates for use in the stabilization of radioactive and hazardous wastes, since phosphates of radionuclides and harmful metals are mainly insoluble in groundwater.
Патент США №5645518 (Wagh et al.) подробно описывает стадии процесса отверждения жидких или твердых отходов в некоторых СВРС продуктах с применением кислотно-щелочных реакций. СВРС продукты, раскрываемые в данном патенте, имеют сложную структуру, включающую основную кристаллическую фазу, например невбериит (MgHPO4·H2O), и нерастворимую, стабильную фазу. Компоненты отходов в большинстве своем равномерно распределяются внутри матрицы фосфатной керамики.US patent No. 5645518 (Wagh et al.) Describes in detail the stages of the process of solidification of liquid or solid waste in some CBPC products using acid-base reactions. The CBPC products disclosed in this patent have a complex structure including a basic crystalline phase, for example, non-verite (MgHPO 4 · H 2 O), and an insoluble, stable phase. Most waste components are evenly distributed within the matrix of phosphate ceramics.
Патент США №5830815 (также Wagh et al.) описывает улучшение способа изготовления СВРС за счет применения двух процессов температурного контроля. В данном патенте раскрывается также превосходный СВРС продукт - гексагидрат магниево-калиевого фосфата (МКР) (MgKPO4·6H2O).US patent No. 5830815 (also Wagh et al.) Describes an improvement in the manufacturing method of CBRS through the use of two temperature control processes. This patent also discloses an excellent CBPC product, magnesium potassium phosphate hexahydrate (MKP) (MgKPO 4 · 6H 2 O).
МКР образуется в обход применения кислоты путем смешивания порошка оксида с дигидрофосфатами калия с получением керамики при повышенном pH, СВРС, сходные с МКР, можно получать из дигидрофосфатов или других одновалентных металлов. МКР образуется в соответствии с уравнением (1), приведенным ниже:MKP is formed bypassing the use of acid by mixing the oxide powder with potassium dihydrophosphates to obtain ceramics at elevated pH, CBPC similar to MKP can be obtained from dihydrophosphates or other monovalent metals. MKC is formed in accordance with equation (1) below:
СВРС форма отходов, такая как МКР, представляет собой плотный, твердый материал с отличной долговечностью и высокой стойкостью к пожарам, химикалиям, влажности; МКР керамические продукты интенсивно изучались Министерством энергетики США в проектах по переработке отходов.SVRS waste form, such as FIBC, is a dense, solid material with excellent durability and high resistance to fires, chemicals, humidity; FIBC ceramic products have been intensively studied by the US Department of Energy in waste processing projects.
СВРС, как они описаны в вышеприведенных патентах, доказали свою несколько проблематичную пригодность для стабилизации радиоактивных отходов, в частности, высокоактивных отходов. Каждая из СВРС общеизвестного состава представляет собой гидратированный керамический продукт с водой, связанной внутри керамической матрицы. Например, МКР (MgKPO4·6H2O) содержит шесть молекул связанной воды на каждую молекулу керамики, а другие составы МКР могут содержать все 22 молекулы Н2О на каждую молекулу керамики. Радиоактивные отходы обычно излучают α-, β-, n-частицы и γ-лучи, которые могут расщеплять связанную воду в гидратированных СВРС в процессе, относящемся к радиолизу, что приводит в образованию водорода. Водород может повышать давление в контейнерах для хранения или других формах отходов, что может стать причиной разрушения контейнеров или форм отходов и проникновения влаги внутрь (например, из воздуха или грунтовых вод либо других элементов). Вода также показывает тенденцию к отражению ядерной радиации, увеличивая шанс того, что высокоактивные отходы могут дойти до критического состояния, если искусственно не поддерживать низкую загрузку отходов.SIRS, as described in the above patents, has proven to be somewhat problematic for stabilizing radioactive waste, in particular high-level waste. Each of the well-known CBPCs is a hydrated ceramic product with water bound inside the ceramic matrix. For example, MKP (MgKPO 4 · 6H 2 O) contains six molecules of bound water for each ceramic molecule, while other MKP compositions can contain all 22 H 2 O molecules for each ceramic molecule. Radioactive waste usually emits α-, β-, n-particles and γ-rays, which can split the bound water in hydrated CBRS in the process related to radiolysis, which leads to the formation of hydrogen. Hydrogen can increase the pressure in storage containers or other forms of waste, which can cause destruction of containers or forms of waste and the ingress of moisture (for example, from air or groundwater or other elements). Water also shows a tendency to reflect nuclear radiation, increasing the chance that high-level waste can reach a critical state if the low load of the waste is not artificially maintained.
Существует потребность в обезвоженных СВРС формах отходов, которые обладают повышенной устойчивостью к радиолизу.There is a need for dehydrated CBPC waste forms that are highly resistant to radiolysis.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Одним из аспектов настоящего изобретения является способ стабилизации отходов керамики с химически связанными фосфатами (СВРС). Способ заключается в приготовлении суспензии, включающей отходы, воду, оксидное связующее и фосфатное связующее, а также выборочное количество одного из восстановителей и окислителей. Полученная суспензия подвергается отверждению в твердую гидратированную СВРС матрицу. На следующей стадии удаляется вода, связанная внутри твердой гидратированной СВРС матрицы. Обычно связанная вода удаляется за счет подачи теплоты к отвержденной СВРС матрице. Предпочтительно количество теплоты, подаваемой к отвержденной СВРС матрице, подбирается таким, чтобы оно было достаточно высоким для удаления воды, связанной внутри гидратированной СВРС матрицы, и в то же время достаточно низким во избежание улетучивания других, не содержащих воду, компонентов матрицы, таких как металлы и радиоактивные компоненты. Обычно температура нагрева, выбираемая в диапазоне от 100°С до 200°С, является достаточной для испарения связанной воды без удаления других компонентов из матрицы. Удаление связанной воды повышает устойчивость конечной формы отходов к радиолизу, если эта форма используется для инкапсулирования радиоактивных отходов. В дополнение к этому, удаление связанной воды из конечной формы отходов может уменьшить массу конечной обезвоженной формы отходов.One aspect of the present invention is a method for stabilizing ceramic wastes with chemically bound phosphates (CBPC). The method consists in preparing a suspension including waste, water, an oxide binder and a phosphate binder, as well as a selected amount of one of the reducing agents and oxidizing agents. The resulting suspension is cured into a solid hydrated CBPC matrix. In the next step, water bound inside the solid hydrated CBPC matrix is removed. Typically, bound water is removed by supplying heat to the cured CBPC matrix. Preferably, the amount of heat supplied to the cured CBPC matrix is selected so that it is high enough to remove the water bound inside the hydrated CBPC matrix, and at the same time low enough to avoid the volatilization of other water-free matrix components, such as metals and radioactive components. Typically, a heating temperature selected in the range of 100 ° C. to 200 ° C. is sufficient to evaporate bound water without removing other components from the matrix. Removing bound water increases the resistance of the final waste form to radiolysis if this form is used to encapsulate radioactive waste. In addition, the removal of bound water from the final waste form can reduce the mass of the final dehydrated waste form.
В другом варианте осуществления изобретения, в котором отходы и вода предварительно смешиваются перед приготовлением суспензии, избирательное количество воды может испаряться из отходов и их смеси с водой еще до приготовления суспензии. При этом количество воды, удаляемой из смеси отходов с водой выбирается таким, чтобы содержание сухих веществ в комбинации отходов с водой после стадии удаления было равно или менее 90 мас.%. Эта стадия может привести к получению формы отходов меньшего размера и более легкой по массе, содержащей высокий процент отходов внутри, по сравнению с формой, полученной традиционными способами. Возможно и последующее обезвоживание за счет тепловой обработки отвержденной формы отходов, как описано выше.In another embodiment of the invention, in which the waste and water are pre-mixed before the suspension is prepared, a selective amount of water can evaporate from the waste and its mixture with water even before the suspension is prepared. Moreover, the amount of water removed from the mixture of waste with water is selected so that the solids content in the combination of waste with water after the removal stage is equal to or less than 90 wt.%. This step may result in a smaller and lighter mass form of waste containing a high percentage of waste inside, compared to a form obtained by conventional methods. Subsequent dehydration is also possible due to the heat treatment of the solidified waste form, as described above.
Другим аспектом изобретения является прямой способ получения безводных СВРС, в котором вода удаляется из суспензии, обычно нагревом и перемешиванием суспензии, в процессе отверждения суспензии. Данный способ позволяет получать полностью или частично обезвоженную СВРС форму отходов. При необходимости частично обезвоженную форму отходов можно подвергнуть полному обезвоживанию путем дополнительного нагрева после того, как матрица была подвергнута отверждению.Another aspect of the invention is a direct method for producing anhydrous CBRS, in which water is removed from the suspension, usually by heating and stirring the suspension, in the process of curing the suspension. This method allows to obtain fully or partially dehydrated CBPC waste form. If necessary, the partially dehydrated form of the waste can be completely dehydrated by additional heating after the matrix has been cured.
Дополнительными аспектами изобретения являются формы отходов с керамической матрицей, полученные вышеописанными способами.Further aspects of the invention are ceramic matrix waste forms obtained by the methods described above.
Краткое описание фигурBrief Description of the Figures
На фиг.1 схематически представлена система для обработки отходов.Figure 1 schematically shows a system for processing waste.
На фиг.2 графически представлены результаты дифференциального термического анализа обезвоженной СВРС формы отходов.Figure 2 graphically presents the results of differential thermal analysis of dehydrated CBPC waste forms.
Подробное описание предпочтительного вариантаDetailed Description of the Preferred Embodiment
Описываемые здесь обезвоженные или безводные СВРС могут быть получены из обычных гидратированных СВРС форм отходов. Таким образом, в настоящем описании сначала идет обсуждение получения гидратированной СВРС формы отходов, а затем обсуждение техники обезвоживания.The dehydrated or anhydrous CBRS described herein can be obtained from conventional hydrated CBRS waste forms. Thus, in the present description, there is first a discussion of obtaining hydrated CBPC waste forms, and then a discussion of dewatering techniques.
I. Синтез гидратированной СВРСI. Synthesis of hydrated CBRS
Керамика с химически связанными фосфатами (СВРС) различных типов подтвердила свою эффективность для инкапсулирования и стабилизации твердых и жидких отходов. Гидрат магниево-калиевого фосфата (МКР) является особенно эффективной СВРС для стабилизации вредных и радиоактивных отходов. Настоящее изобретение раскрывается применительно к МКР. Однако изобретение применимо к любой гидратированной СВРС. МКР получают реакцией между оксидом магния (MgO) и монокалийфосфатом (KH2PO4) в растворе. Процесс образования МКР управляется реакцией:Ceramics with chemically bound phosphates (CBRS) of various types have proven to be effective in encapsulating and stabilizing solid and liquid wastes. Magnesium Potassium Phosphate Hydrate (MKP) is a particularly effective CBRS for stabilizing harmful and radioactive waste. The present invention is disclosed in relation to MKP. However, the invention is applicable to any hydrated CBPC. MKR is obtained by the reaction between magnesium oxide (MgO) and monopotassium phosphate (KH 2 PO 4 ) in solution. The formation of MKP is controlled by the reaction:
Эта реакция дает твердый, плотный керамический МКР (MgKPO4·6H2O), который действует как кристаллическая матрица-ядро для отходов. В ходе реакции вредные и радиоактивные загрязняющие вещества также реагируют с KH2PO4 с образованием практически нерастворимых фосфатов. Затем основная масса керамики микрокапсулирует реактивные загрязняющие вещества в плотную кристаллическую матрицу МКР.This reaction gives a solid, dense ceramic MKC (MgKPO 4 · 6H 2 O), which acts as a crystalline matrix-core for waste. During the reaction, harmful and radioactive contaminants also react with KH 2 PO 4 to form practically insoluble phosphates. Then the bulk of the ceramics microencapsulates reactive contaminants into a dense crystalline matrix.
МКР формы отходов получают путем медленного перемешивания смеси из отходов, MgO и KH2PO4 в воде. Вследствие растворения KH2PO4 раствор содержит ионы калия, диссоциируемого калия, фосфатов и протоны (H+) и поэтому является кислым. Кислотность раствора повышает растворимость MgO, оксидов вредных металлов и, в некоторой степени, радиоактивных загрязняющих веществ и ведет к растворению MgO и загрязняющих веществ. Это, в свою очередь, приводит к высвобождению Mg2+ и ионов металлов загрязняющих веществ. Эти катионы последовательно реагируют с гидратированными ионами фосфатов с образованием фосфатов.FIBC waste forms are obtained by slowly mixing the mixture of waste, MgO and KH 2 PO 4 in water. Due to the dissolution of KH 2 PO 4, the solution contains potassium ions, dissociable potassium, phosphates and protons (H + ) and is therefore acidic. The acidity of the solution increases the solubility of MgO, oxides of harmful metals and, to some extent, radioactive contaminants and leads to the dissolution of MgO and pollutants. This, in turn, leads to the release of Mg 2+ and metal ions of pollutants. These cations react successively with hydrated phosphate ions to form phosphates.
Для получения керамики МКР необходимо, чтобы Mg2+ медленно реагировал с ионами фосфатов. С другой стороны, необходимо, чтобы вредные металлы и радиоактивные компоненты реагировали быстро, так чтобы они могли инкапсулироваться в виде фосфатов в МКР матрицу. Если металлы и радиоактивные компоненты реагируют со скоростью, которая ниже скорости формирования МКР матрицы, то в этом случае анионов фосфатов будет недостаточно для реакции с компонентами отходов, и компоненты отходов не будут фиксироваться в матрице. Таким образом, для достижения эффективной стабилизации необходимо, чтобы загрязняющие вещества превращались в фосфаты почти спонтанно.To obtain MKP ceramics, it is necessary that Mg 2+ slowly react with phosphate ions. On the other hand, it is necessary that the harmful metals and radioactive components react quickly so that they can be encapsulated as phosphates in the MCR matrix. If metals and radioactive components react at a rate that is lower than the rate of formation of the MCR matrix, then in this case phosphate anions will not be enough to react with the waste components, and the waste components will not be fixed in the matrix. Thus, in order to achieve effective stabilization, it is necessary that the pollutants turn into phosphates almost spontaneously.
Реакцию отверждения, заданную уравнением (2), можно рассчитать количественно на основе изучения термодинамики растворения и общих реакций оксидов в растворе KH2PO4· KH2PO4 обладает высокой растворимостью и его растворение можно представить какThe curing reaction defined by equation (2) can be quantified by studying the thermodynamics of dissolution and the general reactions of oxides in a solution of KH 2 PO 4 · KH 2 PO 4 has high solubility and its dissolution can be represented as
(некоторое количество К также ионизируется, на что указывает образование некоторого количества KNO3), где верхние индексы обозначают ионный заряд. Эта реакция является эндотермической и происходит еще до растворения других компонентов. Если в кислый раствор фосфатов вмешать оксид щелочного металла, например MgO, то рН раствора начнет медленно повышаться, так как кислота нейтрализуется. Начальный рН раствора KH2PO4 ≈ 4, но растворение оксида нейтрализует кислый раствор и приводит впоследствии к образованию керамики при рН ≈ 8. Можно увидеть, что добавление оксида металла к суспензии служит для повышения рН суспензии,(a certain amount of K is also ionized, as indicated by the formation of a certain amount of KNO 3 ), where the superscripts indicate the ionic charge. This reaction is endothermic and occurs even before the dissolution of other components. If alkaline metal oxide, for example MgO, is added to the acidic phosphate solution, then the pH of the solution will slowly increase, as the acid is neutralized. The initial pH of the KH 2 PO 4 ≈ 4 solution, but dissolution of the oxide neutralizes the acidic solution and subsequently leads to the formation of ceramics at pH ≈ 8. It can be seen that the addition of metal oxide to the suspension serves to increase the pH of the suspension,
В присутствии ионов 2H+, высвобождаемых KH2PO4, MgO растворяется в результате реакции:In the presence of 2H + ions released by KH 2 PO 4 , MgO dissolves as a result of the reaction:
где (aq) означает гидратированный ион. Уравнения реакций 2-4 лежат в основе действия связующего в МКР и типичны для СВРС процесса. Ионы из уравнений 3 и 4 вместе с пятью дополнительными молями воды реагируют с образованием материала матрицы MgKPP4·6H2O, как показано в уравнении реакции 2.where (aq) means hydrated ion. The equations of reactions 2-4 underlie the action of the binder in the MKP and are typical for the SVRS process. Ions from equations 3 and 4 together with five additional moles of water react with the formation of the matrix material MgKPP 4 · 6H 2 O, as shown in reaction equation 2.
В патенте США №5830815 (Wagh et al.) указывается, что как жидкие, так и твердые отходы могут стабилизироваться и инкапсулироваться в МКР. В случае твердых отходов эти отходы сначала измельчаются в порошок, а затем к ним добавляется фосфатный связующий с получением реакционной суспензии.US Pat. No. 5,830,815 (Wagh et al.) Teaches that both liquid and solid wastes can be stabilized and encapsulated in MKP. In the case of solid waste, this waste is first pulverized and then a phosphate binder is added to them to form a reaction slurry.
Способ стабилизации с помощью МКР или многих других СВРС может применяться как для потоков отходов с высоким рН, так и для потоков отходов с низким рН. Способ стабилизации с помощью МКР является функциональным в диапазоне значений рН примерно от 2 до 10. В типичном случае отходы с высоким рН могут нейтрализоваться до рабочего диапазона рН добавлением фосфорной кислоты (H3PO4). Равным образом отходы с низким рН могут нейтрализоваться до рабочего диапазона рН добавлением дополнительного оксида магния (MgO) или другого аналогичного оксидного основания. Нейтрализация необходима для того, чтобы довести рН суспензии до диапазона рН, в пределах которого может происходить растворение составных частей связующих и составных частей отходов, а также необходимые кислотно-щелочные реакции. Дополнительное преимущество, которое может сделать МКР форму отходов или другие СВРС формы отходов более пригодными для хранения радиоактивных отходов, можно получить в том случае, если оксид магния (MgO) или другое аналогичное оксидное основание добавляется в количестве, превышающем стехиометрическое количество, необходимое для формирования СВРС матрицы. В этом случае избыток оксида магния (MgO) или другого оксидного основания может функционировать как газопоглотитель, связывающий свободный водород по мере его образования и снижающий, тем самым, влияние радиолиза. Другие материалы, которые не участвуют в формировании керамической матрицы, также могут добавляться, если это требуется, для выполнения функции газопоглотителей.The stabilization method using MKP or many other CBRS can be used both for high pH waste streams and for low pH waste streams. The stabilization method using MKP is functional in the pH range from about 2 to 10. Typically, high pH waste can be neutralized to the pH range by adding phosphoric acid (H 3 PO 4 ). Likewise, low pH waste can be neutralized to the operating pH range by the addition of additional magnesium oxide (MgO) or other similar oxide base. Neutralization is necessary in order to bring the pH of the suspension to a pH range within which the dissolution of the constituents of the binders and constituents of the waste, as well as the necessary acid-base reactions, can occur. An additional advantage that can make the FIBC form of waste or other CWS waste forms more suitable for storing radioactive waste can be obtained if magnesium oxide (MgO) or other similar oxide base is added in an amount in excess of the stoichiometric amount required for the formation of CWS matrices. In this case, an excess of magnesium oxide (MgO) or other oxide base can function as a getter that binds free hydrogen as it forms and thereby reduces the effect of radiolysis. Other materials that are not involved in the formation of the ceramic matrix can also be added, if required, to act as getters.
Применение оксида магния (MgO) или оксидов других металлов эффективно, в частности, для стабилизации отходов типа азотной кислоты. Оксид металла не только нейтрализует кислотность отходов, но и оксид металла, например, оксид магния (MgO) будет захватывать нитраты и удерживать их в растворе, предупреждая тем самым улетучивание азотной кислоты при подаче теплоты и облегчая превращение нитратов в более стабильные фазы в керамике.The use of magnesium oxide (MgO) or other metal oxides is effective, in particular, for stabilizing waste such as nitric acid. Metal oxide not only neutralizes the acidity of waste, but also metal oxide, for example, magnesium oxide (MgO), will capture nitrates and keep them in solution, thereby preventing the escape of nitric acid when heat is supplied and facilitating the conversion of nitrates to more stable phases in ceramics.
В патенте США №6133498 (Singh et al.), включенном в перечень ссылок к настоящей заявке, указывается, что может быть полезным введение стадии окисления или восстановления в способ получения МКР в целях контроля скорости кислотно-щелочной реакции в ходе образования фосфатно-керамической системы. Добавление определенных восстановителей также облегчает стабилизацию радиоактивных и/или вредных материалов отходов, содержащих анионы металлов. Пригодные для указанной цели восстановители предпочтительно выбираются из группы, включающей, но не ограничивающейся только названными здесь, моносульфид натрия (Na2S), моносульфид калия (K2S), сульфид кальция (CaS), сульфид железа (FeS), сульфат железа (FeSO4·7H2O), тиосульфат натрия (Na2S2O5), диоксид серы (SO2), натрийборгидрид (NaBH4), гидразин, бисульфит натрия (NaHSO3), гидроксид кальция (Са(ОН)2), гидроксид натрия (NaOH), карбонат натрия (Na2CO3), серную кислоту (H2SO4) и муравьиную кислоту (НСООН) наряду с другими. Предпочтительным восстановителем является соль олова, такая как хлорид олова (SnCl2).US Pat. No. 6,133,498 (Singh et al.), Incorporated into the list of references to this application, indicates that it may be useful to introduce an oxidation or reduction step in a method for producing MKP in order to control the rate of an acid-base reaction during the formation of a phosphate-ceramic system. . The addition of certain reducing agents also facilitates the stabilization of radioactive and / or harmful waste materials containing metal anions. Suitable reducing agents for this purpose are preferably selected from the group including, but not limited to, sodium monosulfide (Na 2 S), potassium monosulfide (K 2 S), calcium sulfide (CaS), iron sulfide (FeS), iron sulfate ( FeSO 4 · 7H 2 O), sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 5 ), sulfur dioxide (SO 2 ), sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine, sodium bisulfite (NaHSO 3 ), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) , sodium hydroxide (NaOH), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and formic acid (HCOOH), among others. A preferred reducing agent is a tin salt, such as tin chloride (SnCl 2 ).
Важно отметить, что каждый из вышеперечисленных СВРС материалов представляет собой гидратированную керамику. Гидратированная керамика - это керамика, которая содержит молекулы воды, связанные внутри керамической матрицы. Например, стехиометрически полученный МКР, как подробно обсуждается выше, содержит шесть молекул воды, связанных внутри кристаллической матрицы, на каждую молекулу магниево-калиевого фосфата (MgKPO4). Как подробно обсуждается ниже, вода, связанная внутри СВРС матрицы, может регулировать стабильность и эффективность СВРС для стабилизации и инкалсулирования определенных типов отходов. Если вода присутствует в избытке, то некоторые СВРС материалы могут иметь до 22 молей H2O, связанной внутри керамической матрицы, на каждый моль керамических молекул.It is important to note that each of the above CBPC materials is a hydrated ceramic. Hydrated ceramic is a ceramic that contains water molecules bound inside a ceramic matrix. For example, the stoichiometrically obtained MKP, as discussed in detail above, contains six water molecules bound within the crystalline matrix for each molecule of potassium magnesium phosphate (MgKPO 4 ). As discussed in detail below, water bound within the CBPC matrix can regulate the stability and effectiveness of the CBPC to stabilize and encapsulate certain types of waste. If water is present in excess, then some CBPC materials can have up to 22 moles of H 2 O bonded inside the ceramic matrix for every mole of ceramic molecules.
Способы с СВРС полезны для стабилизации и инкапсулирования широкого спектра отходов, включая (но не ограничиваясь только названными здесь) золу, цемент, диоксид кремния, шлам, осадки из рубашек котлов, пирофорные (самовоспламеняющиеся) вещества, смеси солей, летучие вещества, такие как ртуть, свинец, кадмий, хром и никель. Важное достоинство изобретения состоит в том, что с помощью указанных способов можно стабилизировать радиоактивные материалы. Такие материалы включают уран, плутоний, торий, америций, продукты ядерного деления, высокоактивные отходы, низкоактивные отходы, получаемые из высокоактивных отходов, трансурановые элементы и другие виды радиоактивных отходов. В дополнение к этому, СВРС способы пригодны для стабилизации как отходов, так и не относящихся к отходам материалов в жидкой, твердой формах или в виде шлама, а также других ядерных материалов, таких как побочные продукты процессов производства ядерного оружия и ядерной энергии.CBRS methods are useful for stabilizing and encapsulating a wide range of wastes, including but not limited to ash, cement, silica, sludge, boiler jacket sludge, pyrophoric (self-igniting) substances, salt mixtures, volatile substances such as mercury , lead, cadmium, chromium and nickel. An important advantage of the invention is that using these methods, it is possible to stabilize radioactive materials. Such materials include uranium, plutonium, thorium, americium, nuclear fission products, high level waste, low level waste derived from high level waste, transuranium elements and other types of radioactive waste. In addition, CBRS methods are suitable for stabilizing both waste and non-waste materials in liquid, solid or slurry forms, as well as other nuclear materials such as by-products of nuclear weapons and nuclear energy production processes.
Описанные выше СВРС способы эффективны также при стабилизации жидких, твердых и шламовых отходов с высоким уровнем содержания ионов выщелачиваемых солей, таких как натрий (Na), нитрат (NO3), нитрит (NO2). Сульфаты и хлориды могут также стабилизироваться внутри СВРС матрицы. Предполагается, что СВРС, полученная с солевым компонентом отходов, будет содержать керамическую матрицу MgNaPO4·nH2O, минеральная часть которой будет, по-видимому, стабилизировать NaKNO3, частично стабилизировать NO3 и может состоять из различных минеральных форм, имеющих следующие химические формулы:The CBPC methods described above are also effective in stabilizing liquid, solid and sludge wastes with a high level of leached salt ions, such as sodium (Na), nitrate (NO 3 ), nitrite (NO 2 ). Sulphates and chlorides can also stabilize within the CBPC matrix. It is assumed that CBRS obtained with the salt component of the waste will contain a ceramic matrix MgNaPO 4 · nH 2 O, the mineral part of which is likely to stabilize NaKNO 3 , partially stabilize NO 3 and may consist of various mineral forms having the following chemical forms formulas:
Предполагается также, что с помощью СВРС способов, в которых магний (Mg) заменяется кальцием (Са) либо ионом какого-либо другого двухвалентного металла, можно получать аналогичный и родственный класс минералов.It is also assumed that using CBPC methods in which magnesium (Mg) is replaced by calcium (Ca) or an ion of some other divalent metal, a similar and related class of minerals can be obtained.
Однако доказано, что применение гидратированных СВРС для стабилизации радиоактивных отходов, в частности высокоактивных отходов, несколько проблематично из-за содержания в них связанной внутри керамической матрицы воды. Как указывалось выше, радиоактивные отходы обычно излучают α-, β-, n-частицы и γ-лучи, которые могут вызывать радиолиз и генерирование газа водорода. В дополнение к этому, большие объем и масса твердой формы отходов также являются известным недостатком хранения отходов с применением гидратированных СВРС. Как подробно обсуждается ниже, настоящее изобретение обеспечивает способы обезвоживания СВРС форм отходов, снижая, тем самым, возможную опасность радиолиза, уменьшая массу конечной формы отходов, а в некоторых случаях и объем конечной формы отходов. В случае высокоактивных отходов и материалов транспортировка системы и контейнеров может контролироваться системой дистанционного управления.However, it has been proven that the use of hydrated CBRS to stabilize radioactive waste, in particular high-level waste, is somewhat problematic due to the content of water bound inside the ceramic matrix. As indicated above, radioactive waste typically emits α-, β-, n-particles and γ-rays, which can cause radiolysis and the generation of hydrogen gas. In addition to this, the large volume and mass of solid waste forms are also a known disadvantage of waste storage using hydrated CBRS. As discussed in detail below, the present invention provides methods for dehydrating CBPC waste forms, thereby reducing the potential risk of radiolysis, reducing the mass of the final waste form, and in some cases the volume of the final waste form. In the case of highly active waste and materials, the transportation of the system and containers can be controlled by a remote control system.
II. Аппарат для обработки отходовII. Waste treatment machine
Варианты осуществления настоящего изобретения и способы производства полностью или частично обезвоженных СВРС обсуждаются ниже в контексте аппарата для получения СВРС формы отходов, схематически представленного на фиг.1. Следует заметить, что аппарат на фиг.1 - это только один пример из большого числа аппаратов, пригодных для применения в настоящем изобретении.Embodiments of the present invention and methods for producing fully or partially dehydrated CBRS are discussed below in the context of an apparatus for producing CBRS waste forms schematically shown in FIG. It should be noted that the apparatus of FIG. 1 is only one example from a large number of apparatuses suitable for use in the present invention.
Как показано на фиг.1, система обработки отходов 10 включает резервуар для обработки отходов 20 со стенками 22, ограничивающими внутреннее пространство 24 резервуара. Резервуар 20 может быть открытого типа, как показано, или закрытого типа. Резервуар для обработки отходов 20 может представлять собой обычный танк для хранения такого типа, который используется в настоящее время для хранения некоторых жидких отходов, например жидких радиоактивных отходов. В зависимости от природы обрабатываемых отходов может стать выгодным вплоть до эффективного размещение резервуара для обработки отходов 20 внутри "перчаточного бокса" или аналогичного закрытого устройства в целях ограничения распространения радиоактивного материала или других вредных компонентов отходов.As shown in FIG. 1, the waste treatment system 10 includes a
Фосфатный связующий, такой как фосфат калия (KH2PO4), может подаваться во внутреннее пространство 24 резервуара из системы поступления фосфата 40 по трубопроводу подачи фосфата 42. Оксидный связующий, такой как оксид магния (MgO), может подаваться во внутреннее пространство 24 резервуара из системы поступления оксида 46 по трубопроводу подачи оксида 48. Пригодные для данной цели СВРС можно получать, используя оксиды двухвалентных металлов, например кальция (Са), алюминия (Al), или оксида любого другого двухвалентного металла в качестве связующих. Отходы из системы поступления отходов 50 могут подаваться по трубопроводу подачи отходов 52 во внутреннее пространство 24 резервуара. При необходимости во внутреннее пространство 24 резервуара может подаваться вода из системы поступления воды 56 по трубопроводу подачи воды 58.A phosphate binder, such as potassium phosphate (KH 2 PO 4 ), may be supplied to the interior of the reservoir 24 from the
Система смешивания 30 может использоваться для смешения материалов, поступающих во внутреннее пространство 24 резервуара. Система смешивания 30 на фиг.1 включает электродвигатель 32 (который может размещаться вне перчаточного бокса 26 в целях ограничения загрязнения), подключенный к мешалке 34 с помощью разъемного сцепления 36. Мешалка на фиг.1 схематически изображена в виде ряда расходящихся в боковые стороны лопастей, но так показано только в целях иллюстрации, поскольку могут использоваться мешалки любой формы. Сцепление 36 может закрепляться с возможностью выборочного зацепления с валом мешалки 34 для вращения электродвигателем 32 и в то же время с возможностью быстрого отсоединения мешалки 34 от электродвигателя 32. Например, сцепление 36 может обеспечить шпоночное соединение между мешалкой 34 и электродвигателем 32, что позволит выборочно подсоединять или отсоединять мешалку 34 от электродвигателя 32 осевым движением. В других вариантах система смешивания 30, показанная на фиг.1, может быть заменена любой из большого числа систем, которые способны эффективно смешивать материалы, поступающие во внутреннее пространство 24 резервуара.The mixing system 30 can be used to mix materials entering the interior of the tank 24. The mixing system 30 in FIG. 1 includes an electric motor 32 (which can be placed outside the glove box 26 to limit contamination) connected to the mixer 34 using a detachable clutch 36. The mixer in figure 1 is schematically shown as a series of vanes diverging to the sides, but this is shown for illustrative purposes only, as agitators of any shape can be used. The clutch 36 can be fixed with the possibility of selective engagement with the shaft of the mixer 34 for rotation by the electric motor 32 and at the same time with the ability to quickly disconnect the mixer 34 from the electric motor 32. For example, the clutch 36 can provide a key connection between the mixer 34 and the electric motor 32, which allows selective connection or disconnect the agitator 34 from the motor 32 by axial movement. In other embodiments, the mixing system 30 shown in FIG. 1 may be replaced by any of a large number of systems that are capable of efficiently mixing materials entering the interior of the tank 24.
Система обработки отходов 10 может также включать терморегулятор 60, оперативно связанный с перчаточным боксом 26 и/или резервуаром для обработки отходов 20, для контроля температуры материала во внутреннем пространстве 24 резервуара. Терморегулятор 60 может, например, включать водяную рубашку для циркуляции горячей или холодной жидкости вокруг резервуара 20. В альтернативном варианте терморегулятор 60 может включать источник микроволн или ряд панелей инфракрасного нагрева, смонтированных таким образом, чтобы излучение было направлено прямо на и/или в резервуар 20. В других вариантах терморегулятор 60 не используется. Он может быть полезен в том случае, если реакция в резервуаре является достаточно экзотермической для нагревания содержимого до требуемой температуры.The waste treatment system 10 may also include a
Как объясняется более подробно ниже, в процессе обработки вода может испаряться из содержимого внутреннего пространства 24 резервуара. Если этого требует природа отходов в системе поступления отходов 50, то водяной пар и любой другой газ в перчаточном боксе 26 может направляться в скруббер 64 по газопроводу 66. После очистки в скруббере 64 для удаления вредных летучих материалов газ может отводиться в атмосферу по вентиляционному трубопроводу 68.As explained in more detail below, during processing, water can evaporate from the contents of the interior space 24 of the tank. If this is required by the nature of the waste in the waste disposal system 50, water vapor and any other gas in the glove box 26 can be sent to the scrubber 64 through the gas line 66. After cleaning in the scrubber 64 to remove harmful volatile materials, gas can be vented to the atmosphere via a ventilation pipe 68 .
Обработанные отходы могут подвергаться отверждению в резервуаре 20. В альтернативном варианте может быть полезным удаление смешанных компонентов из резервуара 20 еще до их отверждения, например, в непрерывном режиме взамен периодического режима. В таком варианте содержимое резервуара 20 может подаваться в резервуар для хранения 70 через выходное отверстие 72.The treated waste may be cured in the
Контроллер 80 может использоваться для контроля работы системы обработки отходов 10. Контроллер 80 может быть оперативно связан с одной (или более) системой смешивания 30, с терморегулятором 60, с системой поступления фосфата 40 или трубопроводом подачи фосфата 42, с системой поступления оксида 46 или трубопроводом подачи оксида 48, с системой поступления отходов 50 или трубопроводом подачи отходов 52 и с системой поступления воды или трубопроводом подачи воды 58. Контроллер 80 может включать по меньшей мере один компьютер с программным процессором, запрограммированным на контроль операций с указанными компонентами для обработки отходов в системе поступления отходов 50.The controller 80 can be used to monitor the operation of the waste treatment system 10. The controller 80 can be operatively connected to one (or more) mixing system 30, to a
III. Получение обезвоженных СВРС форм отходов из отвержденных гидратированных СВРС форм отходовIII. Obtaining dehydrated CBRS waste forms from solidified hydrated CBRS waste forms
Как отмечалось выше, отвержденная гидратированная МКР форма отходов содержит, по меньшей мере, шесть молекул воды, связанной внутри керамической матрицы, на каждую молекулу магниево-калиевого фосфата (MgKPO4). Эта связанная вода может высвобождаться из отходов после того, как произошло их отверждение. Другие типичные СВРС также являются до некоторой степени гидратированными. Хотя описываемое здесь изобретение рассматривается применительно к МКР, оно также применимо к любым гидратированным СВРС.As noted above, the cured hydrated MKP waste form contains at least six water molecules bound within the ceramic matrix for each molecule of potassium magnesium phosphate (MgKPO 4 ). This bound water can be released from the waste after it has cured. Other typical CBRS are also somewhat hydrated. Although the invention described here is considered in relation to FIBC, it also applies to any hydrated CBRS.
В типичных случаях связанная вода внутри МКР матрицы испаряется за счет подачи теплоты к отвержденной форме отходов. Предпочтительно выбирается такое количество теплоты, подаваемой к отвержденной форме отходов, которое способствует испарению связанной воды, но в то же время количество теплоты ограничивается во избежание улетучивания других компонентов из отходов. В большинстве случаев температура нагревания отходов предпочтительно составляет выше 100°С для обеспечения испарения связанной воды. Предпочтительно отходы не должны нагреваться до температуры выше 200°С во избежание улетучивания связанных тяжелых металлов и радиоактивных загрязняющих веществ. Указанный выше температурный диапазон для эффективного обезвоживания гидратированной СВРС формы отходов без улетучивания других компонентов отходов может изменяться в зависимости от природы керамики или отходов, фиксируемых в ней, и содержащихся в них загрязняющих веществ. Для каждого типа СВРС предпочитается, чтобы выбираемая температура нагревания была выше минимальной температуры, необходимой для испарения воды, но ниже температуры, при которой может происходить улетучивание загрязняющих веществ. Применение нагревания в течение достаточного периода времени приводит к переходу всей или части керамической формы отходов в безводную МКР керамику (MgKPO4).In typical cases, the bound water inside the FIBC matrix evaporates by supplying heat to the solidified waste form. Preferably, the amount of heat supplied to the solidified form of the waste is selected that promotes the evaporation of the bound water, but at the same time, the amount of heat is limited to prevent other components from escaping from the waste. In most cases, the heating temperature of the waste is preferably above 100 ° C. to allow evaporation of the bound water. Preferably, the waste should not be heated to a temperature above 200 ° C in order to avoid volatilization of the bound heavy metals and radioactive contaminants. The above temperature range for the effective dehydration of hydrated CBPC waste forms without volatilization of other waste components may vary depending on the nature of the ceramic or the waste fixed in it and the contaminants contained therein. For each type of CBRS, it is preferable that the selected heating temperature be higher than the minimum temperature necessary for the evaporation of water, but lower than the temperature at which the volatilization of pollutants can occur. The use of heating for a sufficient period of time leads to the transition of all or part of the ceramic form of waste into anhydrous FIBC ceramics (MgKPO 4 ).
Хотя применение нагревания является наиболее типичным способом удаления связанной воды из гидратированной СВРС формы отходов, возможно использование и других пригодных для этого способов. Например, снижение давления на форму отходов в вакуум-камере может привести к частичному обезвоживанию отходов. Применение ультразвуковой или световой энергии может ускорить процесс.Although the use of heating is the most typical method of removing bound water from a hydrated CBPC waste form, other suitable methods are also possible. For example, reducing pressure on the form of waste in a vacuum chamber can lead to partial dehydration of the waste. The use of ultrasonic or light energy can speed up the process.
Частичное или полное обезвоживание гидратированной СВРС формы отходов после ее отверждения не снизит конечный размер отвержденной формы. Однако масса формы уменьшится, и влияние радиолиза может быть сведено к минимуму в том случае, если форма используется для инкапсулирования радиоактивных отходов. Автор настоящей заявки установил экспериментальным путем, что частичное или полное обезвоживание МКР формы отходов можно проводить при температурах ниже 120°С-130°С. Обезвоживание подтвердилось результатами дифференциального термического анализа (DTA) форм отходов, инкапсулирующих два различных потока отходов. Первая форма отходов была получена способами, подробно изложенными выше, предусматривающими инкапсулирование отходов в МКР с добавлением потока жидких отходов, имитирующего супернатант, несущий цезий (Cs), технеций (Tc), стронций (Sr) и трансурановые элементы (TRU). Ниже обсуждается и вторая форма отходов, полученная аналогичным способом, но приготовленная из имитирующего поток отходов шлама, содержащего экстракт Cs, Tc, Sr и TRU из других потоков, и объединенная со шламом в танке. Физические свойства двух форм отходов показаны в таблице IPartial or complete dehydration of the hydrated CBPC waste form after its curing will not reduce the final size of the cured form. However, the mass of the form will decrease, and the effect of radiolysis can be minimized if the form is used to encapsulate radioactive waste. The author of this application has established experimentally that partial or complete dehydration of the MKP waste form can be carried out at temperatures below 120 ° C-130 ° C. Dehydration was confirmed by differential thermal analysis (DTA) of waste forms encapsulating two different waste streams. The first form of waste was obtained by the methods described in detail above, providing for the encapsulation of waste in the MCR with the addition of a liquid waste stream simulating a supernatant carrying cesium (Cs), technetium (Tc), strontium (Sr) and transuranic elements (TRU). The second form of waste, obtained in a similar way, but prepared from a simulated waste stream of sludge containing Cs, Tc, Sr and TRU extract from other streams and combined with the sludge in a tank, is discussed below. The physical properties of the two forms of waste are shown in table I
Физические свойства форм отходовTable I.
Physical properties of waste forms
Фиг.2 показывает результаты дифференциального термического анализа первой МКР формы отходов, инкапсулирующей супернатантный поток отходов. На фиг.2 по оси у отложено изменение в микровольтах микровесов, что указывает на уровень потерь массы материалом при нагревании. С повышением температуры масса продолжает снижаться, указывая на потери какого-то компонента отходов. Эти потери были идентифицированы с помощью метода дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) как потери связанной воды матрицы. Уравнение 6 описывает это отделение воды.Figure 2 shows the results of differential thermal analysis of the first FIBC waste form encapsulating the supernatant waste stream. In Fig. 2, the y axis shows the change in microvolts of the microbalances, which indicates the level of mass loss of the material during heating. With increasing temperature, the mass continues to decrease, indicating the loss of some component of the waste. These losses were identified using differential scanning calorimetry (DSC) as the loss of bound matrix water. Equation 6 describes this separation of water.
В исследовании, графически представленном на фиг.2, при достижении температуры 128°С связанная вода матрицы испарялась из формы отходов. Кроме того, не было отмечено потерь массы, исключая температуру ≈260°С, при которой вновь отмечались незначительные потери других компонентов формы отходов.In the study graphically presented in FIG. 2, upon reaching a temperature of 128 ° C., bound matrix water evaporated from the waste form. In addition, there was no mass loss, except for a temperature of ≈260 ° С, at which insignificant losses of other components of the waste form were again noted.
Количество воды, испаряющейся из форм отходов, зависит от того, насколько сильно эта вода связана в минеральной матрице каждой из форм отходов. Чтобы оценить потери связанной воды в настоящем исследовании, образцы форм отходов, инкапсулирующих оба типа отходов, нагревали в течение трех часов, охлаждали и измеряли потери массы. Данные о потерях массы приводятся в таблице II.The amount of water that evaporates from waste forms depends on how strongly this water is bound in the mineral matrix of each of the waste forms. To assess the loss of bound water in this study, samples of waste forms encapsulating both types of waste were heated for three hours, cooled, and weight loss was measured. Weight loss data are given in table II.
Потери массы, связанные с обезвоживанием МКР форм отходовTable II.
Mass losses associated with dehydration of waste
Результаты нагревания, представленные в колонке 3 таблицы II, подразумевают, что в случае второй (шлам/экстракт) формы отходов испарилась вся связанная вода матрицы. Фактические потери воды после нагревания несколько выше, чем оценочное количество воды в форме отходов. Это можно объяснить тем, что испарилась, возможно, и некоторая часть связанной воды из минералов. Однако в случае первой формы отходов испарилось только 75% мас. воды. В то же время причина удержания некоторой части воды в этой форме отходов достоверно не известна. По всей вероятности, испарилась вся связанная вода матрицы, но некоторая часть ее абсорбировалась повторно в процессе охлаждения образцов. Удержание воды может быть также связано с тем фактом, что поток отходов на основе супернатанта содержал значительно более высокое количество нитратов, чем поток шлам + экстракт. Установление механизмов частичного удержания воды потребует дополнительных исследований, но ясно одно, что большая часть или вся связанная вода из обеих форм отходов испаряется из матрицы в диапазоне температур от 120°С до 150°С.The heating results presented in column 3 of table II imply that in the case of a second (sludge / extract) form of waste, all bound matrix water evaporated. Actual water loss after heating is slightly higher than the estimated amount of water in the form of waste. This can be explained by the fact that, possibly, some of the bound water from minerals also evaporated. However, in the case of the first form of waste, only 75% wt. water. At the same time, the reason for the retention of some of the water in this form of waste is not known reliably. In all likelihood, all bound matrix water evaporated, but some of it was reabsorbed during the cooling of the samples. Water retention may also be due to the fact that the supernatant-based waste stream contained a significantly higher amount of nitrates than the sludge + extract stream. The establishment of partial water retention mechanisms will require additional research, but one thing is clear that most or all of the bound water from both forms of waste evaporates from the matrix in the temperature range from 120 ° C to 150 ° C.
IV. Минимизация связанной воды в ходе процесса образования МКРIV. Minimization of bound water during the formation of MKP
Количество связанной воды внутри СВРС матрицы для заданного количества отходов, наряду с объемом и массой конечной формы отходов, может быть минимизировано за счет более точного контроля количества воды, присутствующей в реакциях образования. За счет частичного обезвоживания жидких отходов или суспензии перед смешиванием потока отходов со связующими, пригодными для получения СВРС, количество присутствующей воды может снизиться до минимального количества, необходимого для проведения реакций, что может привести к соответствующему сокращению количества используемого связующего. Формы отходов, полученные таким путем, будут меньшего размера и легче, чем формы отходов, полученные традиционным способом при конкретном уровне загрузки отходов, и потребуют меньше затрат энергии для последующего обезвоживания.The amount of bound water inside the CBPC matrix for a given amount of waste, along with the volume and mass of the final waste form, can be minimized by more precisely controlling the amount of water present in the formation reactions. By partially dehydrating the liquid waste or slurry before mixing the waste stream with binders suitable for preparing CBRS, the amount of water present can be reduced to the minimum amount required for reactions, which can lead to a corresponding reduction in the amount of binder used. The forms of waste obtained in this way will be smaller and lighter than the forms of waste obtained in the traditional way at a specific level of waste loading and require less energy for subsequent dewatering.
В приведенных ниже таблицах III и IV представлены стадии процесса получения МКР форм отходов после удаления выборочного количества воды из жидких отходов или суспензии испарением при нагревании, центрифугированием, фильтрацией или другими методами разделения еще до смешивания потока отходов с оксидным или фосфатным связующими. Описанный процесс применим к другим составам СВРС. Для каждого образца, показанного в таблице III или в таблице IV, первоначальное количество отходов постоянно. Испарение некоторой части воды, присутствующей в поступающем на обработку потоке отходов, позволяет использовать соответственно меньшее количество оксидного и фосфатного связующих. Таким образом, конечная общая масса и объем керамической формы отходов значительно уменьшаются, что влечет за собой соответствующее увеличение конечной загрузки отходов. К первому (несущий цезий супернатант) потоку отходов добавлялось незначительное количество восстановителя-сульфида натрия (Na2S) - в целях стабилизации шестивалентного хрома, а для нейтрализации второго потока отходов (шлам/экстракт) использовалась фосфорная кислота (Н3PO4). Указанные стадии ускоряют химию стабилизации общих отходов и, по всей вероятности, не препятствуют снижению размера и массы конечной формы отходов, достигаемому за счет частичного обезвоживания поступающих потоков.Tables III and IV below show the stages of the process for obtaining the MCR forms of waste after removing a selected amount of water from liquid waste or suspension by evaporation by heating, centrifugation, filtration or other separation methods before mixing the waste stream with oxide or phosphate binders. The described process is applicable to other compositions of CBRS. For each sample shown in table III or table IV, the initial amount of waste is constant. Evaporation of some of the water present in the waste stream entering the treatment allows the use of a correspondingly smaller amount of oxide and phosphate binders. Thus, the final total mass and volume of the ceramic form of the waste is significantly reduced, which entails a corresponding increase in the final load of the waste. A small amount of sodium sulfide reducing agent (Na 2 S) was added to the first (cesium-bearing supernatant) waste stream to stabilize hexavalent chromium, and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) was used to neutralize the second waste stream (sludge / extract). These stages accelerate the stabilization chemistry of general waste and, in all likelihood, do not prevent the reduction in the size and mass of the final waste form, achieved through partial dehydration of the incoming flows.
Обезвоживание формы отходов на основе супернатанта с цезием (все значения массы указаны в граммах)Table III.
Dehydration of waste forms based on cesium supernatant (all weight values are in grams)
Обезвоживание формы отходов шлам/экстракт (все значения массы указаны в граммах)Table IV.
Sludge / extract waste form dehydration (all weight values are in grams)
KH2PO4 112,5MgO 37.5
KH 2 PO 4 112.5
KH2PO4 90MgO 30
KH 2 PO 4 90
KH2PO4 67,5MgO 22.5
KH 2 PO 4 67.5
KH2PO4 45MgO 15
KH 2 PO 4 45
Хотя частичное обезвоживание поступающих потоков отходов позволяет получать конечную форму отходов меньшего размера и более легкую по массе, матрица МКР все еще содержит связанную внутри матрицы воду. При необходимости снижения опасности радиолиза формы, полученные с частичным обезвоживанием поступающих потоков, могут обезвоживаться после отверждения с удалением связанной воды из матрицы, как описано выше.Although the partial dehydration of the incoming waste streams allows a final waste form to be smaller and lighter in mass, the MKP matrix still contains water bound within the matrix. If it is necessary to reduce the risk of radiolysis, the forms obtained with partial dehydration of the incoming streams can be dehydrated after curing by removing bound water from the matrix, as described above.
V. Прямой способ получения безводных СВРС форм отходовV. A direct method for producing anhydrous CBRS waste forms
Оба способа, обсуждавшиеся выше, включают двухстадийные процессы приготовления в том случае, если требуется получить безводную конечную форму отходов. На первой стадии получают гидратированную СВРС форму отходов, масса которой может быть снижена за счет частичного обезвоживания поступающих потоков отходов. На второй стадии отвержденная форма отходов частично или полностью обезвоживается за счет подвода теплоты или с помощью другого метода дегидратации до образования отвержденной матрицы. Но возможен и третий, прямой, способ получения безводной СВРС формы отходов.Both methods discussed above include two-stage cooking processes in the event that an anhydrous final waste form is desired. At the first stage, a hydrated CBRS form of waste is obtained, the mass of which can be reduced due to partial dehydration of the incoming waste streams. In the second stage, the cured form of the waste is partially or completely dehydrated by the addition of heat or using another dehydration method to form a cured matrix. But a third, direct, method for producing anhydrous SIRS waste forms is also possible.
В нижеследующем обсуждении способов получения безводных СВРС ссылка делается на систему обработки отходов 10, схематически изображенную на фиг.1. И, как и ранее, изобретение раскрывается применительно к приготовлению МКР. Следует помнить, что это сделано только в целях иллюстрации изобретения и что следующие способы не ограничиваются использованием конкретных структур, систем или типов СВРС, показанных на фигурах или обсуждавшихся выше.In the following discussion of methods for preparing anhydrous CBRS, reference is made to the waste treatment system 10, schematically depicted in FIG. 1. And, as before, the invention is disclosed in relation to the preparation of MKP. It should be remembered that this was done only to illustrate the invention and that the following methods are not limited to the use of specific structures, systems or types of CBPCs shown in the figures or discussed above.
Как обсуждалось выше, KH2PO4 из системы поступления фосфата 40, MgO из системы поступления оксида 46, отходы из системы поступления отходов 50 и, необязательно, вода из системы поступления воды 56 могут подаваться в резервуар для обработки отходов 20 фиг.1. Эти материалы могут смешиваться с помощью системы смешивания 30 с получением суспензии.As discussed above, KH 2 PO 4 from the
Относительное количество фосфатного связующего, оксидного связующего и отходов, добавляемых в резервуар для обработки отходов 20, будет зависеть, по меньшей мере частично, от природы материалов отходов. Например, можно добавить больше жидких отходов с более высоким содержанием воды, чем в случае, когда отходы являются сухими или имеют пониженное содержание воды. Предполагается, что загрузка отходов (т.е. относительное количество отходов в конечной твердой форме отходов) порядка примерно 85% мас. (в пересчете на сухую массу) может работать со многими типами отходов. В случае отходов, которые, как предполагается, содержат требующие выщелачивания вредные материалы (например, тяжелые металлы), более приемлемым может быть меньший уровень загрузки отходов. Например, предполагается, что потоки отходов, несущие некоторые тяжелые металлы, могут ограничиться уровнем загрузки в конечную твердую форму отходов порядка 70% мас.The relative amount of phosphate binder, oxide binder and waste added to the
Температура реагирующих компонентов в резервуаре для обработки отходов 20 может контролироваться терморегулятором 60 для испарения избыточной воды в измеряемом режиме и контроля природы конечного продукта реакции. Если перемешивание описанной выше суспензии проводить при температуре примерно выше комнатной, как это традиционно делается в большинстве систем хранения СВРС отходов, то реакция оксидного связующего и фосфатного связующего может дать МКР (MgKPO4·6H2O). Во избежание вероятности радиолиза в отвержденной форме отходов за счет приготовления безводного МКР оксид и суспензию KH2PO4 можно вовлечь в реакцию при повышенной температуре, достаточной для удаления воды по мере формирования керамической матрицы. Как отмечалось выше, некоторые компоненты потоков вредных отходов, например HgCl, начинают улетучиваться при повышенных температурах. Для ограничения их улетучивания может быть желательным вести реакцию оксида суспензии и KH2PO4 при температуре выше температуры, необходимой для удаления воды по мере формирования матрицы, но ниже температуры, при которой может начаться улетучивание других компонентов керамической матрицы или загрязняющих веществ. Обычно эта температура лежит в диапазоне от 100°С до 200°С.The temperature of the reacting components in the
В одном из показательных вариантов при обработке отходов, включающих тяжелый металл или радиоактивный компонент, суспензия может смешиваться при температуре ниже 100°С, как указывалось выше в описании основного способа получения гидратированных СВРС. В течение этого начального периода относительно низкотемпературного смешивания тяжелые металлы или радиоактивные компоненты потока отходов могут образовывать практически нерастворимые фосфатные компоненты, которые позднее будут инкапсулироваться в керамическую матрицу. Предполагается, что времени порядка примерно 10-15 минут будет достаточно для образования нерастворимых фосфатов загрязняющими веществами множества потоков отходов. Впоследствии терморегулятор 60 может использоваться для постепенного скачка температуры в процессе перемешивания суспензии до такого уровня, чтобы часть воды, которая к тому времени окажется связанной внутри керамической матрицы, могла испариться при отверждении керамической матрицы. Применение скачкообразного цикла нагрева может ограничить улетучивание радиоактивных тяжелых металлов или других загрязняющих веществ отходов еще до образования нерастворимых фосфатов.In one exemplary embodiment, when treating waste materials including a heavy metal or a radioactive component, the suspension may be mixed at a temperature below 100 ° C, as described above in the description of the main method for producing hydrated CBRS. During this initial period of relatively low temperature mixing, heavy metals or radioactive components of the waste stream can form practically insoluble phosphate components, which will later be encapsulated in a ceramic matrix. It is estimated that a time of the order of about 10-15 minutes will be sufficient for the formation of insoluble phosphates by contaminants in multiple waste streams. Subsequently, the
Система смешивания 30 может продолжать перемешивание суспензии по мере испарения воды из смеси реагирующих компонентов в резервуаре 20. В дополнение к поддержанию хорошего смешения компонентов продолжение перемешивания поможет высвободить водяной пар из суспензии при подаче тепла. Это, в свою очередь, сократит число пустот в твердой форме отходов и, тем самым, увеличит ее прочность и снизит ее объем. Объем пор в конечной твердой форме отходов в идеальном случае может достигать примерно менее 5% от объема твердой формы отходов, но в то же время неизвестно, возможно ли достижение такой пористости. Получено несколько составов МКР с пористостью примерно менее 1%, хотя и без попыток одновременной минимизации объема формы отходов.The mixing system 30 may continue mixing the suspension as water evaporates from the mixture of reacting components in the
По мере протекания реакции и испарения воды становится все более трудно приводить в действие мешалку 34. Система смешивания 30 может прекратить перемешивание суспензии, когда суспензия достигнет конечной консистенции. Если потребуется, то можно добавить в суспензию соли, включая нитраты, для замедления скорости реакций отверждения керамики, чтобы облегчить контроль процесса инкапсулирования отходов и обеспечить законченный цикл формирования матрицы еще до того, как испарится или будет удалена другим способом вся вода. Конечная консистенция может определяться рядом методов. Она может определяться путем регулирования силы, требуемой для приведения в действие мешалки 34 электродвигателем 32; как только необходимая движущая сила достигнет заданного предела, контроллер 80 может отключить электродвигатель 32, что приведет к отключению мешалки 34. Если потребуется, то мешалка 34 может затем демонтироваться из резервуара-реактора 20 и использоваться повторно в следующем резервуаре-реакторе. Альтернативно: мешалка 34 может оставаться в суспензии до ее отверждения в конечную твердую форму отходов. Разъемное сцепление 36 между мешалкой 34 и электродвигателем 32 облегчит отсоединение твердой формы отходов, включая мешалку 34, от электродвигателя 32. После этого новая мешалка 34 может быть подсоединена к электродвигателю 32 для обработки следующей партии отходов.As the reaction proceeds and the water evaporates, it becomes increasingly difficult to operate the agitator 34. The mixing system 30 may stop stirring the suspension when the suspension reaches a final consistency. If necessary, salts, including nitrates, can be added to the slurry to slow down the rate of curing of the ceramics, to facilitate control of the encapsulation process and to ensure a complete matrix formation cycle before all water has evaporated or otherwise been removed. The final consistency can be determined by a number of methods. It can be determined by adjusting the force required to drive the agitator 34 by an electric motor 32; as soon as the required driving force reaches a predetermined limit, the controller 80 can turn off the motor 32, which will turn off the mixer 34. If necessary, the mixer 34 can then be dismantled from the
По окончании перемешивания можно выдержать суспензию для завершения отверждения реагирующих компонентов в суспензии в твердую форму отходов. Для достижения однородности твердой формы отходов суспензия в момент конечной консистенции должна быть достаточно вязкой во избежание нежелательного осаждения компонентов суспензии. Подача достаточного количества теплоты в процессе перемешивания и отверждения может обеспечить прямое образование безводного СВРС продукта, такого как безводный МКР (MgKPO4). Формы отходов, полученные способом прямого обезвоживания, характеризуются уменьшенными объемом и массой при заданном количестве инкапсулированных отходов по сравнению с формами отходов, полученными традиционными способами приготовления гидратированных СВРС. Если форма отходов, полученная безводным способом, будет только частично обезвоженной, то можно предпринять ее последующее обезвоживание путем нагревания отвержденной формы отходов, как описано выше.At the end of mixing, the suspension can be maintained to complete the solidification of the reacting components in the suspension into solid waste. To achieve uniformity of the solid form of the waste, the suspension at the time of the final consistency must be sufficiently viscous to avoid unwanted precipitation of the components of the suspension. Applying a sufficient amount of heat during mixing and curing can provide the direct formation of anhydrous CBPC product, such as anhydrous MKP (MgKPO 4 ). The forms of waste obtained by the direct dehydration method are characterized by reduced volume and mass for a given amount of encapsulated waste compared with the forms of waste obtained by traditional methods of preparing hydrated CBRS. If the waste form obtained by the anhydrous method is only partially dehydrated, then subsequent dehydration can be undertaken by heating the solidified waste form, as described above.
Другие аспекты, цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из изучения описания, чертежей и приведенной ниже формулы изобретения.Other aspects, objects, and advantages of the present invention will become apparent from a study of the description, drawings, and the following claims.
Claims (47)
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US45056303P | 2003-02-26 | 2003-02-26 | |
US60/450,563 | 2003-02-26 | ||
US49945303P | 2003-09-02 | 2003-09-02 | |
US60/499,453 | 2003-09-02 | ||
US60/537,207 | 2004-01-18 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005130010A RU2005130010A (en) | 2006-02-10 |
RU2320389C2 true RU2320389C2 (en) | 2008-03-27 |
Family
ID=36049831
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005130009/06A RU2318260C2 (en) | 2003-02-26 | 2004-02-26 | Aluminum-phosphate ceramics for waste storage and method for waste treatment |
RU2005130010/15A RU2320389C2 (en) | 2003-02-26 | 2004-02-26 | Method for stabilizing of wastes in dehydrated ceramics with chemically bound phosphates (versions) |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005130009/06A RU2318260C2 (en) | 2003-02-26 | 2004-02-26 | Aluminum-phosphate ceramics for waste storage and method for waste treatment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (2) | RU2318260C2 (en) |
-
2004
- 2004-02-26 RU RU2005130009/06A patent/RU2318260C2/en active
- 2004-02-26 RU RU2005130010/15A patent/RU2320389C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005130009A (en) | 2006-02-20 |
RU2318260C2 (en) | 2008-02-27 |
RU2005130010A (en) | 2006-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7745679B2 (en) | Method of waste stabilization with dewatered chemically bonded phosphate ceramics | |
US6133498A (en) | Method for producing chemically bonded phosphate ceramics and for stabilizing contaminants encapsulated therein utilizing reducing agents | |
JP5791510B2 (en) | Hydrogen capture materials, preparation methods and uses | |
CA1196509A (en) | Method for final treatment of radioactive organic material | |
Yang et al. | Stabilization of Cs/Re trapping filters using magnesium phosphate ceramics | |
Singh et al. | Sorption of homologues of radionuclides by synthetic ion exchanger | |
RU2307411C2 (en) | Method for stabilizing uranium- and plutonium-containing materials in ceramicrite and crystalline radioactive material | |
Juoi et al. | Microstructure and leaching durability of glass composite wasteforms for spent clinoptilolite immobilisation | |
RU2320389C2 (en) | Method for stabilizing of wastes in dehydrated ceramics with chemically bound phosphates (versions) | |
US20080119682A1 (en) | Aluminum Phosphate Ceramics for Waste Storage | |
Jin et al. | Co-disposal of heavy metals containing waste water and medical waste incinerator fly ash by hydrothermal process with addition of sodium carbonate: A case study on Cu (II) removal | |
RU2446006C2 (en) | Mineral composition for trapping hydrogen, method of preparing said composition and use of mineral composition | |
Borzunov et al. | Immobilization of radioactive wastes by embedding in phosphate ceramic | |
EP1564188A1 (en) | A method for processing spent ion-exchange resins | |
Wagh et al. | Method of waste stabilization with dewatered chemically bonded phosphate ceramics | |
Cantrell et al. | Secondary Waste Form Down Selection Data Package–Ceramicrete | |
RU2131628C1 (en) | Method for processing alkali-metal radioactive wastes | |
Vance et al. | Feasibility of immobilizing tank wastes in geopolymers | |
Vinokurov et al. | Magnesium potassium phosphate matrix for the immobilization of radioactive waste generated during the reprocessing of mixed uranium plutonium nitride spent nuclear fuel | |
Singh et al. | Method for producing chemically bonded phosphate ceramics and for stabilizing contaminants encapsulated therein utilizing reducing agents | |
Harnik et al. | pH-dependent Cs leaching from nitrate bearing geopolymers: A combined experimental and model analysis | |
Herbst et al. | Idaho Nuclear Technology and Engineering Center Sodium-Bearing Waste Treatment Research and Development FY-2002 Status Report | |
JP2022037714A (en) | Stable volume reduction material for radioactive contaminants, and stable volume reduction method for radioactive contaminants | |
Jackson | MIXED WASTE TREATMENT AT ENVIROCARE OF UTAH, INC. | |
Chen et al. | Influence of compositions of sodium nitrite waste liquids containing Cs+ on geopolymer waste-form’s mineral-phases under hydrothermally-sintered process |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100227 |