Характеристика методов извлечения радиоизотопов малоактивных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристика методов извлечения радиоизотопов малоактивных вод

Оборудование и приборы для скважинных (в т.ч. геофизических, гидрогеологических и др.) исследований являются носителями загрязняющих веществ. Техногенными факторами в результате использования этого оборудования являются электромагнитное поле и радиоактивность [1].

Экологическая безопасность становится экономической категорией. От успешной и безаварийной эксплуатации систем нефтедобычи зависит себестоимость добываемой нефти (затраты на ликвидацию последствий аварий, штрафы за загрязнение окружающей природной среды и потери товарной нефти).

Углеводородное сырье, поступающее из продуктивного пласта, проходит предварительные стадии дегазирования и очистки. При этом на промышленных установках по комплексной подготовке газонефтяного сырья идет процесс отделения механических примесей и депарафинизация сырья, в результате чего на внутренних поверхностях технологического оборудования происходит отложение парафинистой массы и шлама, удаляемых при проведении ежегодных планово-предупредительных работ (ППР) и складируемых в специально отведенных местах. В условиях данного технологического процесса создаются предпосылки для накопления естественных радионуклидов (ЕРН) в отходах ППР.

Система нормативных документов по охране окружающей среды и гигиенических нормативов Украины обязывает при переработке газонефтяного сырья исключить возможность загрязнения естественными радионуклидами технологического оборудования и объектов окружающей среды выше уровней, предусмотренных действующими нормами радиационной безопасности и санитарными правилами (НРБ-97). В связи с этим существует необходимость контроля уровня радиационной загрязненности технологических отходов и прогнозирования величины возможного накопления в них естественных радионуклидов.

Наиболее трудноудаляемой из воды является растворимая доля радиоактивности в пластовой воде. Наблюдается зависимость содержания радия от типа углеводородного сырья, поступающего на технологическую линию. Так, авторы [2] отмечают повышения содержания радия при переходе от легкого газового конденсата к нефти. очистка радиоактивный загрязнение

Вопросы, связанные с необходимостью разработки методов очистки различных типов вод от радиоактивных загрязнений, стали обсуждаться в литературе с тех пор, как начали использовать ядерную энергию [3]. Традиционные водоочистные схемы не всегда применимы к задачам очистки вод от радиоактивных примесей. С этой точки зрения целесообразно оценить эффективность существующих в настоящее время методов водоочистки применительно к задачам очистки вод от радионуклидов.

Среди различных методов очистки радиоактивно загрязненных вод наибольшее распространение получили многочисленные варианты осадительного метода, основанного на соосаждении радиоактивных микрокомпонентов с близкими по химической природе макрокомпонентами [4-5].

Частным случаем осадительного способа дезактивации можно считать и метод коагуляции. Как показано ранее [6], для дезактивации воды в качестве коагулянтов наиболее целесообразно использовать сульфаты алюминия и железа, смесь извести и соды с силикатом натрия, полиэлектролиты. Исследователи придерживаются различных точек зрения на причины и механизм перехода микроколичеств радиоактивных элементов в фазу коллектора. Чаще всего поглощение радиоактивных изотопов осадками гидроксидов из растворов объясняется сорбционными и ионообменными процессами, образованием химических соединений и твердых растворов, коллоидно-химическим взаимодействием. Дезактивирующий эффект этого способа зависит от свойств удаляемых радиоизотопов, их концентрации, применяемых коагулянтов, их доз и других факторов. Как было показано [7], коагуляционный способ эффективен только для удаления больших катионов, склонных к гидролизу (например, лантаноидов, актиноидов и пр.), и практически не эффективен для удаления цезия и стронция.

Исследование эффекта удаления стронция и цезия при коагуляции с помощью только сульфата алюминия показало, что 90Sr извлекался на 8 - 13%, a 137Cs - на 10-15% [5]. Эффективность удаления из воды радиоактивного стронция при комбинированном способе коагуляции с использованием квасцов, сульфата железа и извести в среднем составляла 42% [6].

Фильтрование воды через песчаные фильтры является эффективным только для радиоизотопов, которые адсорбированы на хлопьях коагулянта или которые образовали комплексы с глинистыми минералами или органическими веществами вод, а также для радионуклидов, способных адсорбироваться на микроорганизмах, отложившихся в загрузке фильтра. Например, радиоизотопы иттрия, циркония и ниобия удаляются на 99% на быстрых фильтрах, поскольку они находятся в воде в коллоидном состоянии [8].

Характерно, что исследования, проведенные при высокой начальной удельной активности (порядка 104 Бк/дм 3) радионуклидов, показывают значительно более высокие значения степени очистки, чем при удельных активностях порядка (10-102) Бк/дм 3 [6].

Таким образом, применяемые в практике водоподготовки процессы коагуляции солями железа и алюминия с последующей фильтрацией через песчаные фильтры относительно эффективны для удаления радиоизотопов, ассоциированных с твердой фазой природных вод, а также радиоактивных изотопов легко гидролизующихся элементов. В то же время коагуляция и фильтрация практически неэффективны для удаления ионорастворенных радионуклидов. Определенные возможности открываются при применении на практике флокулянтов, которые необходимо выбирать для каждого конкретного случая.

В последнее время многие исследователи рекомендуют использовать для удаления радионуклидов из вод электрохимические методы (электрокоагуляцию, электродиализ) [9].

Очистка вод от радионуклидов с использованием ионообменных смол является одним из распространенных методов [10]. Высокая ионообменная способность смол обеспечивает эффективную очистку большого по объему количества воды, и, что важно, активность концентрируется в небольшом объеме. К недостаткам этого метода следует отнести высокую стоимость ионообменных смол. Кроме того, при регенерации образуется большое количество жидких радиоактивных отходов, требующих захоронения. Ионообменные смолы поглощают радионуклиды, которые находятся только в ионорастворенном состоянии и практически не сорбируют радиоактивные взвеси и коллоиды.

Извлечение из воды радиоизотопов с применением сорбентов является одним из самых распространенных методов дезактивации. В качестве сорбентов используют искусственные неорганические сорбенты (на основе труднорастворимых солей титана, циркония, гетерополикислот, синтетические цеолиты, силикагель, порошки металлов); природные органические сорбенты (торф, гумусовые вещества, древесину, целлюлозу, активированный уголь и пр.); природные неорганические сорбенты (слоистые силикаты в порошкообразном состоянии или гранулированной форме, а также цеолиты и карбонаты в дробленном виде) [3,6,7,8,10,11].

Введение природных минералов в системы, которые подвергаются коагуляции, основано на экспериментально установленном факте, что очистка мутных вод происходит лучше, чем вод с малым количеством взвешенных частиц. Это объясняется наличием дополнительных центров коагуляции. Обычно в состав взвесей входят каолинит, монтмориллонит, гидрослюда, которые эффективно удаляют из воды 137Cs, 89Sr, 90Sr и 140Ва [6].

В работе [11] было показано, что степень очистки воды от различных радионуклидов в процессе коагуляции зависит от размера фракции активированного угля; чем размер фракции меньше, тем выше степень очистки. Обработка воды коагуляцией (особенно многостадийная) с использованием активированного угля или какого-либо природного минерального сорбента (вермикулита, монтмориллонита и др.) позволяет успешно очищать воду не только от изотопов гидролизующихся элементов, но и от ионорастворенных, которые плохо удаляются при обычной коагуляции [5].

При необходимости очистки больших объемов радиоактивно загрязненных вод особую важность приобретает экономическая сторона предлагаемых технологий [11]. Cущественные преимущества перед синтетическими имеют природные сорбенты, сочетающие дешевизну с достаточно высокими сорбционными характеристиками. Их важнейшим преимуществом является доступность, что позволяет предлагать эффективные технические решения для различных регионов страны с использованием сорбентов, полученных на основе местного минерального сырья [3-9].

Наибольшей емкостью и селективностью по отношению к радионуклидам стронция, церия и особенно цезия из всех слоистых силикатов обладает вермикулит [6]. Пластинки этого минерала не размокают в воде и поэтому вермикулит может быть использован как в нативной форме, так и после термообработки при 600-900 К во вспученном состоянии. В нативной форме возможно использование для этих целей и глауконита, чьи достаточно крупные зерна размером 0,1-0,3 мм также не размокают в воде [6,11].

Изучению различных технологических аспектов процессов сорбции радионуклидов слоистыми силикатами посвящено значительное количество работ [3,6,8,11]. Количество исследований, посвященных непосредственно вопросам использования дисперсных минералов в качестве интенсифицирующих добавок при проведении коагуляционной очистки вод, невелико. Сравнительная характеристика различных природных минералов, полученная при их применении в интенсифицированном процессе коагуляции, показывает, что наилучшая очистка при использовании для коагулирования хлорного железа достигается в случае вермикулита, несколько худшие результаты были получены для глауконита, гумбрина и асканита, а наименее эффективно использование каолиновых глин [11]. Интенсифицированная очистка является сложным процессом и включает несколько последовательно и параллельно протекающих стадий. Это образование коллоидных частиц при гидролизе коагулянтов и их укрупнение, формирование рыхлых коагуляционных структур на их основе и последующая седиментация, а также сорбция ионорастворенных радионуклидов на глинистых частицах. Определяющее влияние на полноту очистки вод оказывает также порядок введения реагентов и условия проведения коагуляционного процесса [12].

Отрицательной стороной использования дисперсных минералов в качестве интенсифицирующих добавок является некоторое увеличение объема образующихся осадков. Как известно, формирующиеся на водопроводных станциях после обработки воды гидроксидные осадки содержат лишь несколько процентов твердой фазы. Решение вопроса об их обезвоживании, уплотнении и последующей переработке является весьма актуальным. Процессам утилизации радиоактивно загрязненных шламов переработки жидких отходов низкого и среднего уровней активности посвящены работы [11,12,13], кондиционированию и переработке шламов водоочистки, в которых присутствуют радионуклиды, посвящено мало работ [13].

Таким образом, анализ имеющихся литературных данных позволяет сделать вывод, что характер процессов миграции радионуклидов в окружающей среде определяется физико-химическими особенностями их взаимодействия с высокодисперсными неорганическими компонентами почв и природных вод, а также и с органической составляющей, содержащейся в пластовых водах.

Наличие нефтепродуктов и большего количества солей в пластовых и сточных водах существенно влияет на сорбцию радионуклидов природными минералами. Однако в большинстве случаев трудно объяснить наблюдаемые эффекты, а тем более их предсказать. Исследования в этой области сравнительно малочисленны, а имеющиеся в литературе единичные данные не позволяют сделать однозначных выводов о характере реальных взаимодействий в сложных природных системах.

Изучению взаимодействия радионуклидов цезия-137 и стронция-90 с поверхностью глинистых минералов посвящено значительное количество работ, в то же время во взаимодействии этих радионуклидов, а также радионуклидов редкоземельных и трансурановых элементов с органическим веществом почв и природных вод имеется много неясных аспектов. Совершенно недостаточно изучены вопросы сорбции изотопов ториевого ряда пластовых вод. Вследствие чего возникает необходимость рассмотрения вопросов извлечения радионуклидов попутно-пластовых вод нефтедобывающей отрасли для снижения негативного воздействия на подземные и поверхностные воды, почвенный покров и воздушную среду исследуемого района.

Список литературы

1. ООПС при бурении скважин на твердые полезные ископаемые и воду: Учебное пособие.- СПб.: ВИТР, 2000.- 149с.

2. Новозенко В.А., Резников С.В. Содержание естественных радионуклидов в технологических отходах при комплексной подготовке газонефтяного сырья//АНРИ.- 2001.- №1. - С.28-30.

3. Бабенков Е.Д. Очистка вод коагулянтами.- М.: Наука, 1977. -356с.

4. Спасьонова Л.М. Очистка радіоактивно забруднених цезієм-137, стронцієм-90 гумусовмісних вод природними мінералами.- К., 2000.- 17с.

5. Тарасевич Ю.М. Природные сорбенты в процессах очистки воды. - К.: Наукова думка, 1981. -208с.

6. Кузнецов Ю.В., Щебетковский В.Н., Трусов А.Г. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений.- М.: Атомиздат, 1974.- 360с.

7. Пушкарёв В.В., Трофимов Д.М. Физико-химические особенности очистки сточных вод от ПАВ.- М.: Химия, 1975. - 144с.

8. Состояние, проблемы, основные направления развития нефтяной промышленности в XXI веке. Добыча нефти и газа. Тюмень, 2000.

9. Хоникевич А.А. Очистка радиоактивных загрязнений вод. - М.: Атомиздат, 1968.- 71с.

10. Гончарук В.В., Страхов Э.Б., Волошинова А.М. Водно-химическая технология ядерных энергетических установок и экология: Справочник. - К.: Наукова думка, 1993. -448с.

11. Кульский Л.А. Основы химии и технологии воды. - К.: Наукова думка, 1991. - 568с.

12. Дистанов У.Г., Михайлов А.С., Конюхова Т.П. и др. Природные сорбенты СССР. - М.: Недра, 1990. - 208с.

Размещено на Allbest.ru