Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ Сорбция на селективных сорбентах широко применяется в практике разделения и выделения веществ Применение селективных к радионуклидам сорбентов позволяет упростить технологический цикл глубокой переработки ЖРО, при этом коэффициенты редукции радиоактивных отходов (РАО) могут достигать нескольких тысяч единиц Расширение области применения метода селективной сорбции возможно за счет использования новых материалов и разработки новых решений в способах селективной сорбции Одним из способов повышения селективности является реакционный ионный обмен или реагентная сорбция, при которых между ионитом (сорбентом) и компонентами раствора протекают те или иные химические реакции, приводящие к изменению сорбционных свойств материала При этом сорбци-онко-реагентные материалы (СРМ) на основе неорганических соединений представляются наиболее перспективными из-за термо- и радиоустойчивости Получение новых СРМ, селективных к радионуклидам стронция, позволило бы существенно повысить эффективность сорбционных технологий очистки ЖРО
Существует ряд ЖРО, в состав которых входят комплексные соединения железа и радионуклида Со60 с этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА), причем концентрация железа многократно превышает концентрацию радионуклида Эффективная очистка таких ЖРО может быть осуществлена методом жидкофазного окисления в сорбционной колонне, заполненной гранулированным окислителем на основе железо-кобальтовой шпинели В процессе жидко-фазного окисления образуются частицы гидроксида железа, эффективно сорбирующие радионуклид При дальнейшем перемещении по колонне основная масса частиц гидроксида железа сорбируется и ферритизируется (дегидратируется и включается в состав шпинели) на гранулах окислителя вместе с сорбированным кобальтом Однако в зависимости от скорости потока, размера гранул
п.
окислителя, длины колонны и ряда других параметров некоторое количество гидроксида железа выносится из сорбционной колонны вместе с сорбированным радионуклидом Ясное понимание механизмов образования, укрупнения, переноса, сорбции и десорбции частиц гидроксида железа и влияния на эти процессы параметров и режима работы сорбционной колонны позволили бы минимизировать количество выносимого гидроксида железа и тем самым увеличить коэффициент очистки радионуклида
Экспериментальными методами крайне сложно определить ряд важных параметров исследуемых систем В сорбционно-реагентной системе к таким параметрам можно отнести мгновенное распределение концентраций компонентов раствора и сорбированных ионов по длине колонны, распределение концентраций сорбированных ионов в объеме зерна сорбента, динамику перемещения концентрационных фронтов, распределение концентраций малорастворимого вещества по зерну сорбента В системе жидкофазного окисления комплексов железа и кобальта - мгновенные концентрационные профили гидроксида железа и распределение частиц гидроксида по размерам в конкретном сечении сорбционной колонны В связи с этим, использование методов математического моделирования физико-химических процессов, протекающих в сорбционной колонне, представляется весьма перспективным
К сожалению, сложность и многостадийность процессов, протекающих в таких системах, не позволяют использовать простые модели для объяснения получаемых результатов и поиска новых решений В то же время создание адекватных математических моделей, описывающих как сорбционно-реагентные системы, так и процессы, происходящие при жидкофазном окислении и ферри-тазации, позволяло бы надежно как управлять процессами сорбции и феррити-зации, так и вести направленный синтез сорбционно-реагентных материалов
Данная работа выполнена в соответствии с плановой тематикой Института химии
Математическое моделирование процессов динамики сорбции стронция в сорбционно-реагентной системе на основе силиката бария, математическое моделирование процессов процессов образования, растворения и переноса мелкодисперсного осадка сульфата бария в матрице сорбционно-реагентного сорбента на основе силиката бария с учетом особенностей мицеллообразования на поверхности раздела фаз и ограничений, накладываемых на размеры мицелл геометрическими параметрами пор сорбента, математическое моделирование процесса жидкофазного окисления ЭДТА-комплексов железа и кобальта в сорбци-онной колонне с гранулированным окислителем, позволяющее описывать не только процессы окисления ЭДТА-комплексов, но и процессы переноса, агрегирования, сорбции и десорбции частиц образующегося гидроксида железа
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следую-
щие НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ
разработать математические модели сорбции радионуклидов на сорбци-онно-реагентных материалах на основе силиката бария, физико-химических процессов образования, растворения и переноса мелкодисперсного осадка в высокоселективных сорбционно-реагентных материалах на основе пористых матриц, жидкофазного окисления ЭДТА-комплексов железа и кобальта и динамики сорбции радионуклидов кобальта в системе с образованием ферритизированных осадков
разработать алгоритмическое воплощение предложенных моделей в виде программных комплексов,
выполнить численное моделирование соответствующих физико-химических процессов и провести анализ результатов моделирования,
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач в диссертации используются методы численного решения систем дифференциальных уравнений в частных производных, решения систем линейных уравнений и метод минимизации нелинейной функции нескольких переменных
Разработана математическая модель композитных селективных сорбентов на основе пористых матриц, позволяющая описывать процессы образования, растворения и переноса малорастворимого соединения, образующегося в процессе реагентной сорбции с учетом особенностей мицеллообразования в пористой среде и использовать результаты расчетов для направленного синтеза сорбентов
Изучена термодинамика процесса мицеллобразования на поверхности раздела фаз и выведены соответствующие термодинамические соотношения
Разработана модель динамики сорбции радионуклидов стронция в сорб-ционно-реагентной системе, позволяющая описывать процессы движения фронтов концентраций радионуклида, реагента, изменения рН и процессы гидролиза и старения матрицы сорбента
Разработана модель динамики сорбции радионуклидов кобальта в системах с образованием ферритизированных осадков, позволяющая описывать процессы движения фронтов концентраций исходных веществ и продуктов окисления, концентрационные профили гидроксида железа, распределение частиц гидроксида по размерам в произвольном сечении сорбционной колонны Для описания процессов агрегирования, сорбции и десорбции частиц гидроксида железа последовательно использован вероятностный подход
Для проведения численных экспериментов по предложенным моделям создан оригинальный комплекс программ на языке C++
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ Результаты расчетов по предложенным моделям использовались при проведении направленного синтеза се-
лективных сорбентов и сорбционно-реагентных материалов, которые успешно прошли испытания в РНЦ «Курчатовский центр», ФГУП «ВНИИНМ им А А Бочвара», МосНПО «Радон», ИФХ РАН, часть из них рекомендована для использования в практике очистки ЖРО на объектах Минатома РФ НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ
Модель динамики сорбции радионуклидов стронция на сорбционно-реагентных материалах,
Модель процессов образования, растворения и переноса мелкодисперсного осадка сульфата бария в высокоселективных сорбционно-реагентных материалах на основе пористых матриц,
Модель динамики Сорбции радионуклидов кобальта в системах с образованием ферритизированных осадков,
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные положения и результаты работы представлены и доложены на восемнадцати Международных и Всероссийских совещаниях, конференциях и семинарах, проходивших в Японии (Тояма, 1995, 1997), Южной Корее (Сеул, 1996, 1997, Тэджон, 1999, 2001), Китае (Пекин, 2000), Бельгии (Моль, 2001), на Мальте (2001), в США (Бостон, 2001), в России (Свердловск, 2001, Владивосток, 2002) и др
ПУБЛИКАЦИИ Основное содержание работы изложено в 10 научных работах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка цитированной литературы (103 наименования) и приложений Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, включая 6 таблиц, 34 рисунка и 2 приложения
