Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Иммобилизация и инкапсуляция радиоактивных и токсичных отходов в полимерсерных композитах

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктор технических наук, Аманкулов, Ердос, Алматы

72 12/3

Центральная лаЬоратория сертификационных испытаний строительных материалов (ЦеЛСИМ)

72

УДК: 678.066:621.039.1:621.039.74 На правах рукописи

12

АМАНКУЛОВ ЕРДОС

ИММОБИЛИЗАЦИЯ И ИНКАПСУЛЯЦИЯ РАДИОАКТИВНЫХ И ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ В ПОЛИМЕРСЕРНЫХ КОМПОЗИТАХ

25.00.36 - Геоэкология

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук 3. А. Естемесов

Республика Казахстан Алматы, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ............................................ 5

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.......... 5

ВВЕДЕНИЕ.................................................................. 7

1 РАДИОАКТИВНЫЕ И ТОКСИЧНЫЕ ОТХОДЫ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ................ 13

1.1 Радиоактивные отходы и радиоэкологическая ситуация в Казахстане....................................................................................................................................................................................13

1.2 Экологические аспекты радиоактивных отходов..........................................22

1.3 Оценка воздействия радионуклидов на окружающую среду и население..........................................................................................................................................29

1.4 Токсичные отходы: классификация и источники их образования 41

1.4.1 Оценка содержания токсичных и опасных веществ в хвостах обогащения руд, вскрышных и вмещающих породах................................................................. 44

1.4.2 Оценка содержания токсичных и опасных веществ в отходах промышленности.................................................. 50

1.5 Оценка влияния токсичных и опасных отходов на экологическую ситуацию в Казахстане........................................... 58

1.6 Тяжелые металлы (ТМ) в поверхностных и подземных водах, почвах, осадках, пыли...................................................... 64

1.7 Современное состояние и оценка воздействия серы и ее соединений на окружающую среду...................................... 67

Выводы по разделу, постановка цели и задач исследований.............................................................................. 73

2 ПРОБЛЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ ОБРАЩЕНИЯ С РАДИОАКТИВНЫМИ И ТОКСИЧНЫМИ ОТХОДАМИ 77

2.1 Обезвреживание, стабилизация и способы хранения/захоронения радиоактивных и токсичных отходов .... 77

2.2 Обезвреживание, утилизация и ликвидация токсичных отходов.. 87

2.3 Требования к упаковкам и упаковочным комплектам радиоактивных отходов..........................................................................................................95

2.4 Полигоны для захоронения токсичных отходов............................................97

2.5 Оценка основных свойств и возможности применения серы для иммобилизации и инкапсуляции радиоактивных и токсичных отходов................................................................................................................................................................................................100

2.6 Области применения полимеров, композитов и бетонов на основе серы................................................................... 108

2.7 Технология разработки и изготовления полимерсерных композитов для иммобилизации и инкапсуляции РАО и ТО, аппаратура и методы исследования образцов................................. 121

Выводы по разделу............................................................................ 132

3 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И РАДИАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРСЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ.............................. 135

3.1 Определение эффективных характеристик полимерсерного композита методом теории перколяции................................ 135

3.2 Радиационная стойкость серы и полимерсерных композитов: основные физико-химические процессы и структурообразование 159

3.3 Квантово-химические расчеты по оценке радиационной стойкости серы и серных полимеров.................................... 167

3.4 Квантово-механические расчеты по моделированию радиационных повреждений в полимерной сере..................... 173

3.5 Квантово-механическое моделирование и расчет радиационных повреждений в полимерах с большим содержанием серы.......... 176

3.6 Расчетная оценка радиационно-защитных свойств полимерсерных композитов............................................................... 181

Выводы по разделу............................................................................ 187

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРСЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ АНАЛИЗ..... 189

4.1 Физико-механические свойства полимерсерных композитов...... 190

4.2. Водостойкость, водопоглощение и морозостойкость модифицированных полимерсерных композитов..................... 212

4.3. Стойкость наполненных полимерсерных композитов в химически агрессивных средах.......................................... 222

4.4 Выщелачивание тяжелых металлов из серных композитов....... 225

4.5 Радиационная стойкость серы и полимеров на ее основе............ 235

4.5.1 Рентгенофазовый анализ облученной серы и оценка радиационной стойкости........................................ 236

4.5.2 Оценка радиационной стойкости полимерной серы с помощью Электронного Парамагнитного Резонанса...... 245

Выводы по разделу...................................................... 249

5 ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРСЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ И ИНКАПСУЛЯЦИИ

РАДИОАКТИВНЫХ И ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ................ 254

5.1 Основные направления работ в технологии обращения с

радиоактивными и токсичными отходами............................ 254

5.2. Оценка объемов утилизируемой серы................................. 260

5.3. Экономическая эффективность производства композиционных материалов высокой плотности с использованием модифицированной серы................................................... 263

Выводы по разделу......................................................... 270

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................. 271

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............... 275

ПРИЛОЖЕНИЕ А.......................................................... 294

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.......................................................... 299

ПРИЛОЖЕНИЕ В.......................................................... 300

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие стандарты:

1. ГОСТ 26633-91

2. ГОСТ 18105-86

3. ГОСТ 10180-96

4.

5.

6.

7.

8.

9.

ГОСТ 12730.0-78 -12730.4-78 ГОСТ 12730.5-84 ГОСТ 27006-86 ГОСТ 24452-80, ГОСТ 24544-81, ГОСТ 24545-81 ГОСТ 10060.0-95 --ГОСТ 10060.4-95

Бетоны тяжелые и мелкозернистые. ТУ Бетоны. Правила контроля прочности Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

Бетоны. Методы определения плотности,

влажности, водопоглощения, пористости и

водонепроницаемости

Бетоны. Правила подбора состава

Бетоны. Методы испытаний

Бетоны. Методы испытаний

Бетоны. Методы испытаний

Бетоны. Методы определения морозостойкости.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В настоящей диссертации применяют следующие термины с соответствующими определениями, обозначения и сокращения:

Радиоактивные отходы - это не подлежащие дальнейшему использованию вещества в любом агрегатном состоянии:

- материалы, изделия, оборудования, объекты биологического происхождения, в которых содержание радионуклидов превышает уровни, установленные нормативно-правовыми актами;

- отработавшее ядерное топливо;

- отработавший свой ресурс или поврежденные радионуклидные источники;

- извлеченные из недр и складируемые в отвалы и хвостохранилища породы, руды и отходы обогащения и выщелачивания руд, в которых содержание радионуклидов превышает уровни, установленные нормативно-правовыми актами.

Жидкие радиоактивные отходы - не подлежащие дальнейшему использованию органические и неорганические жидкости, пульпы и шламы, в которых удельная активность радионуклидов более чем в 10 раз превышает значения уровней вмешательства при поступлении с водой, установленные действующими "Основными санитарными правилами обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99)" и "Нормами радиационной безопасности " (НРБ-99)" [11,12].

Твердые радиоактивные отходы - отработавшие свой ресурс радионуклидиые источники, не предназначенные для дальнейшего использования материалы, изделия, оборудование, биологические объекты, грунт, а также отвержденные жидкие радиоактивные отходы, в которых удельная активность радионуклидов больше значений, установленных действующими «ОСПОРБ-99» и «НРБ-99», а при неизвестном радионуклидном составе удельная активность больше:

- 100 кБк/кг - для источников бета-излучения;

- 10 кБк/кг - для источников альфа-излучения;

-1,0 кБк/кг - для трансурановых радионуклидов.

Газообразные радиоактивные отходы - не подлежащие использованию радиоактивные газы и аэрозоли, образующиеся при производственных процессах с объемной активностью, превышающей допустимую объемную активность, установленную действующими «ОСПОРБ-99» и «НРБ-99». Токсичные отходы - отходы, которые содержат вредные вещества, обладающие опасными свойствами (токсичностью, взрывоопасностью, пожароопасностью, высокой реакционной способностью) или содержащие возбудителей инфекционных болезней, либо которые могут представлять непосредственную или потенциальную опасность для окружающей среды и здоровья человека самостоятельно или при вступлении в контакт с другими

веществами

АЭС Атомная электрическая станция

ДЦПД Дициклопентадиен

ЖРО Жидкие радиоактивные отходы

изв Индекс загрезненности воды

НИИ Источник ионизирующего излучения

КЛТР Коэффициент линейного температурного расширения

КТР Коэффициентов температурного расширения

км Композиционный материал

КСКМ Казахстанский сектор Каспийского моря

МФС Межфазный слой

НАО Низкоактивные отходы

пдк Предельно-допустимая концентрация

ПСБ Полимерсерный бетон

пек Полимерсерный композит

РАО Радиоактивные отходы

САО Среднеактивные отходы

СБ Серный бетон

СМ Серный мастик

СП Серный полимер

СПЦ Серный полимерный цемент

ССМ Серные строительные материалы

ТО Токсичные отходы

ТРО Твердые радиоактивные отходы

эх Эффективные характеристики

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В основополагающих документах Республики Казахстан указано[1-8], что исследование влияния различных отходов на экологическую обстановку в стране и нахождение путей ограничения этого влияния являются неотложными и приоритетными задачами.

Проблема охраны окружающей среды и населения от воздействия токсичных отходов (ТО), накопленных в лито- и гидросфере в результате деятельности отечественных промышленных объектов, а также защита от ионизирующих излучений радиоактивных отходов (РАО) атомной и ядерной отраслей экономики сложна и многопланова. Она включает не только чисто научные аспекты, но и экономические, социальные, политические, правовые, эстетические стороны жизнедеятельности человека и общества.

Интенсивная разработка крупных месторождении урана в Казахстане и сороколетние испытания ядерных устройств на Семипалатинском полигоне и других объектах создали огромную массу радиоактивных отходов различной активности, размещенных практически на всей территории республики. Общее количество РАО в РК достигает более 250 млн. т., при этом 95 % составляют низко- и средне-активные отходы горнодобывающих и перерабатывающих отраслей экономики.

Наряду с РАО скопилось и огромный объем токсичных, опасных и смешанных отходов. В результате деятельности предприятий горнометаллургического комплекса на территории Казахстана имеются более 20 млрд. тонн промышленных отходов, в которых содержатся тяжелые металлы, их оксиды и соли, чрезвычайно токсичные вещества. Годовой объем образования ТО в республике составляет порядка 85 млн. тонн, из них 63% -отходы цветной металлургии. Они размещены в неприспособленных для хранения местах и сосредоточены преимущественно в Карагандинской (21.4 %), Восточно-Казахстанской (18,4 %), Кустанайской (12,6 %) и Павлодарской (10,6 %) областях.

Хранящиеся в основной массе в открытом виде и ежегодно прирастающие в значительных объемах, РАО и ТО являются главными причинами серьезного нарушения экологического равновесия в биосфере как в региональном, так и в республиканском масштабах. В связи с этим важные первоочередные задачи в области обращения и утилизации промышленных отходов различной степени опасности требуют безотлагательного и своевременного решения.

Обеспечение инертности, максимальное ограничение перемещения радионуклидов и токсичных веществ из мест их локализации осуществляется путем создания различного рода инженерных барьеров и резервуаров, строительства могильников и спецхранилищ, удерживающих и ограничивающих их влияние на окружающую среду. В настоящее время при обращении с РАО и ТО в качестве материала стабилизирующей и иммобилизирующей (связывающей) матрицы используют цемент, битумы, фосфатные и боросиликатные стекла. Степень надежности такого барьера

оценивается по возможной скорости выщелачивания радионуклидов и тяжелых металлов при взаимодействии с природными водами, характерными для участков захоронения. Поисковые исследования по разработке еще более устойчивых материалов матрицы для иммобилизации опасных отходов продолжаются, и результаты таких изысканий являются актуальными при решении экологических проблем.

Значительная часть нефти и газа, добываемого на Казахстанском секторе Каспийского моря, относится к высокосернистым. По различным оценкам, количество извлеченной из нефти серы на Тенгизе составляет более 9 млн. т., ежегодный прирост запасов составляет 1,5-2 млн. т., и уже существует проблема поиска путей ее утилизации.

Исходя из этого, в настоящей работе предлагается новое направление утилизации больших излишков казахстанской серы - это вовлечение ее для иммобилизации и инкапсуляции радиоактивных, токсичных и опасных отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий с разработкой материалов со специальными и улучшенными свойствами с применением серы. Вопросы создания таких материалов специального назначения представляют несомненный практический и экологический интерес, поскольку проблемы кондиционирования, транспортировки, хранения и захоронения РАО и ТО остаются нерешенными из-за неудовлетворения всевозрастающих потребностей в относительно дешевых, механически прочных и гидроизолирующими свойствами материалах.

Разработка новых материалов с применением серы и их использование в качестве матрицы для иммобилизации и инкапсуляции РАО и ТО с одновременной утилизацией серных отходов открывает путь комплексного решения существующих экологических проблем и является предметом диссертационной работы.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ЦеЛСИМ, посвященных геоэкологическим проблемам промышленности и использованию техногенных продуктов в строительных материалах, предназначенных для сооружения инженерных систем хранения и захоронения РАО и ТО.

Объект и предмет исследования. Объектами исследования являются РАО и ТО предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых и других отраслей экономики, а также накопленные объемы попутной серы в нефтегазовой промышленности. Предмет исследования - экологическая оценка воздействия РАО, ТО и серных отходов на окружающую среду и разработка полимерсерных композитов (ПСК), предназначенных для иммобилизации и инкапсуляции этих отходов с последующим их хранением и захоронением.

Идея работы заключается в разработке композитных материалов с применением серы, отличающихся улучшенными физико-механическими и физико-химическими свойствами, стойкостью к воздействию радиации и химически агрессивных сред, высокой технологичностью для кондиционирования токсичных и радиоактивных отходов, а также для

использования в конструкциях объектов по хранению и захоронению опасных отходов.

Целью работы является повышение экологической безопасности окружающей среды при транспортировке, хранении и захоронении радиоактивных и токсичных отходов путем разработки полимерсерных композитных материалов, придания им требуемых свойств и работоспособности в условиях воздействия радиационных полей и химически агрессивных сред, теоретического и экспериментального обоснования эксплуатационных характеристик, применения созданных материалов в технологии иммобилизации и инкапсуляции РАО и ТО.

В соответствии с идеей и целью работы поставлены и решены следующие задачи:

- анализ и оценка воздействия РАО, ТО и смешанных отходов на окружающую среду, анализ современного состояния накопления и хранения этих отходов, и технологические аспекты ограничения их распространения и воздействия на экосистему;

- разработка полимеров, компаундов, мастик, наполненных композиционных материалов и бетонов с применением серы и исследование их комплекса физико-механических, химических свойств, стойкости к воздействию различных физических полей, во взаимосвязи с предлагаемыми составами и структурой, с целью обоснования эффективности использования таких композитов для иммобилизации и инкапсуляции РАО и ТО;

- разработка программ для компьютерного моделирования физико-химических процессов в среде созданных материалов и определение эффективных механических и теплофизических характеристик, а также защитных от проникающего излучения свойств, проведение квантово-механических расчетов по установлению степени их стойкости к воздействию ионизирующих излучений;

- определение оптимальных соотношений утилизир�