一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法与流程

1.本发明属于放射性去污技术领域，涉及一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法。

背景技术：

2.随着核技术和核工业的快速发展，在核设施运行过程中，由于各种不同的原因，如核泄漏事故(包括废液输送管道泄漏、废液误排放)等造成土壤放射性污染。污染土壤的放射性核素随自然条件的变化，会进一步迁移、扩散、渗透到周围环境中，对生态环境和人类健康造成长期的严重危害。
3.137
cs作为最重要的裂变产物核素之一，由于其具有较长的半衰期，分支比高，能量适中的γ射线(661.67kev)，容易进入环境，从而广泛用作各种放射源等。因此，
137
cs广泛存在于乏燃料后处理废液、核电运行废液、核设施去污退役废液和实验室废液中，所以其也是污染土壤的主要放射性污染核素。
4.例如中国原子能科学研究院“部分中放管道及管沟拆除”项目已挖掘出污染土大约81.7m3，主要的污染核素是
137
cs、
90
sr、
60
co及少量的
125
sb、
241
am，其放射性比活度最大分别可达到105bq/kg、103bq/kg、103bq/kg、 102bq/kg及102bq/kg。由此可见，在污染土壤中放射性主要由
137
cs提供。
5.国外对放射性污染土壤的去污技术研究始于上世纪八十年代，主要借鉴处理重金属离子污染的土壤处理技术经验，已开发出多种放射性污染土壤的去污技术，如化学去污、物理去污和其它种类的去污技术。其中化学去污主要包括化学萃取、电动力学去污、堆浸等；物理去污主要包括基于土壤粒径与污染核素分布关系的筛分、浮选、分离系统(segmented gatesystems,sgs)、就地玻璃固化等；物理化学综合处理去污主要有土壤清洗、热解吸等；另外还有土壤生物修复包括植物修复、微生物修复等技术。
6.土壤清洗是针对放射性污染土壤研究开发的去污技术，处理费用较低、工艺简单、适用性广、技术比较成熟，但二次废物量大一直是影响该技术进一步发展的关键问题。其它土壤处理技术，除筛分和分离选通技术，均处于试验研究阶段。
7.通过制备高效磁化沸石复合吸附材料，对土壤中的铯进行吸附，对放射性土壤进行去污，再通过磁分离将吸附剂进行重复利用，可以大大提高土壤的去污效率，减少二次废物，降低污染土壤的处理成本，以实现大部分土壤的降级释放和减容，既能缓解固体废物库的收储压力，又能解决目前的环境问题。
8.高梯度磁分离(hgms)方法主要用来从土壤、液体、气体中分离磁化组分，其工艺流程原理如图1。通常，沾污材料用水处理为泥浆后通过磁化柱，用铁磁性栅格材料如钢丝绒或镍泡沫在磁化柱中产生磁场梯度，铁磁性或顺磁性的颗粒通过铁磁性栅格被从泥浆中吸附出来，反磁性组分和液体通过磁化柱，当磁场关闭的时候，吸附出的微粒从栅格中被冲洗出来。根据国外试验结果表明，处理后的土壤，大于95％的顺磁性沾污核素可以从模拟土壤中去除；当泥浆的ph为10时，此系统不能有效的工作，而当ph为8和4时可得到理想的结果。
9.hgms的优点是二次废物少，废物体积减容大，可处理混合废物，操作安全性高，宜和其他处理技术联合使用。
10.在日本爱媛大学进行的磁化沸石对土壤中的cs
+
的吸附实验中(原理见图 2，其中17为土壤颗粒，19为cs
+
，11为磁化na-p1型沸石复合体，21为磁性转鼓，23为滚筒分离器，21和23两者组成磁性分离机)，使用了3000g的钕磁铁(磁感应强度如此高的小型永磁铁在国内市场是没有的)，表明提高磁筒的磁感应强度有望增强磁化沸石的分离效果和其对污染土壤的处理效果。

技术实现要素：

11.本发明的目的是提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，以能够更高效的从含铯-137的放射性污染土壤中去除铯-137。
12.为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，所述的干法去污方法包括如下步骤：
13.(1)将所述的含铯-137的放射性污染土壤加入磁分离器中，进行360
°
旋转和双向震荡的干法处理；
14.(2)将干法处理后的所述的含铯-137的放射性污染土壤与磁化沸石混合后进行吸附处理；
15.(3)将吸附处理后的混合物在磁分离器中通过360
°
旋转和双向震荡进行磁化沸石与土壤的分离处理。
16.本发明的相关原理如下：
17.使用分离效果更高的360
°
旋转+双向震荡的磁分离器(磁桶分离装置) 对含cs
+
污染土壤废物进行干法处理，采用新型na-p1型磁化沸石(磁铁矿含量在12-15wt％)，用混合静置法进行cs吸附交换反应，磁分离器旋转震动法进行磁分离后，na-p1型磁化沸石对cs具有很好的吸附分离效果， cs-137的去除率可达90％，其中沸石:土壤质量比优选为0.5:1，含cs
+
污染土壤的含水量≤20％。
18.分离工艺过程为：将磁化沸石、土壤混合物放入磁分离器内，旋转震荡磁分离器实现充分分离后，打开磁分离器盖倾倒出产物相，此时废物相被磁吸在薄壁无磁内筒上，之后抽出薄壁无磁内筒倾倒出废物相。
19.磁分离操作是以沸石、土壤颗粒在体系中的可保持良好的流动性为前提的。在液体环境中通过振荡使颗粒形成悬浮液体系，此时颗粒间距拉大、水较大程度消除静电吸引作用。在外加磁场下，悬浊液中磁性颗粒向磁性面聚集阻力小，可实现比较充分完全的磁分离。而当颗粒混合物含水量较小或完全干燥时，外加磁场下的磁性颗粒向磁性面的迁移受到其他颗粒的物理阻碍及静电吸引，分离效果欠佳。
20.将磁分离器设计成圆柱形，柱面为磁性面，两端面为非磁性面。运行时径向旋转、震荡，操作方式为间歇操作。磁分离器设计成圆筒状是为了在固定单次处理体积下可得到最大的颗粒与磁性面的接触面积，避免由于磁颗粒在小面积上的密堆积造成位阻效应，同时也避免卸料死角和震荡在离散相体系内动量传导的不均匀性。工作时仅进行单一方向旋转、单一方向震荡即可达到动量均匀传递的效果；且两端非磁性面也使震荡间歇脱离磁性面的颗粒混合物可保持更好的流动性，避免位阻效应中夹盖现象的发生；也可减少产物相
卸料时产物相对磁化沸石的携带。磁分离器的d/h设计参考了标准烧杯尺寸(h为柱高，d为直径)。
21.沸石、土壤颗粒混合物在磁分离器内的填充比对磁分离效果是有影响的，当填充比为10-25％时可得到较好的分离效果。旋转和震荡相配合：旋转为震荡提供多个作用法线，震荡形成的疏松离散相又在旋转中获得较大的流动游程，使磁分离器内含水量较小的固体颗粒混合物获得类似悬浮液体系中的流动性，从而提高了磁分离效果。其中，磁分离器的转速在 30-60rpm，震荡频率为旋转频率的4倍时，即旋转90
°
震荡1次，使体系形成2维正交震荡，即可达到较好的分离效果。
22.具体操作：使用50ml磁分离器，单次处理混合物量为10g，单次旋转震荡分离时间为1min，手工加料、卸料，整个操作时间约为15min。假设将磁分离器旋转震动分离工艺及设备同比放大为500l工程应用规模，同比单次可处理100kg混合物，同样使用1min进行分离。由于磁分离器尺寸增加，磁分离器内颗粒旋转时获得的线速度增加，而震动获得离散相动能不变，可预期在分离效果上，工程规模分离要好于实验室规模，而若使用机械加料、卸料，单批次操作时间可小于15min，即处理量可大于400kg/hr。而该工艺及设备可处理低含水量的含磁混合物，这是目前市场上其他磁分离器所做不到的。工程规模放大的冲击震荡设备可能存在噪音大、设备损耗快、操作工业安全性低等缺点，此时可不用机械震荡，而使用电磁铁代替实验室装置用的永久磁铁，通过间歇高频电流提供间歇磁性面，使其内部颗粒自发脱离磁性面发生再分配形成类似悬浮液状态。同时电磁铁可提供较永久磁铁更高的磁感应强度，对弱磁性磁化沸石也可望得到良好的分离效果。
23.设备的磁感应强度测定，使用wt20b型毫特斯拉计测定5个磁分离器内壁的磁场强度，结果如表1。
24.表1所用磁设备的磁感应强度
25.设备磁感应强度(g)1#磁分离器23312#磁分离器21543#磁分离器21474#磁分离器23275#磁分离器2178
26.由表1可知，各磁分离器的磁感应强度略有不同，验算证明该误差对本研究所得结论无影响。
27.磁分离器和磁性分离板的磁感应强度相近，即磁性分离板可为磁分离器分离操作工艺提供理想分离的参考数值。
28.分离过程是将磁化沸石、土壤混合物放入磁分离器内，旋转震荡磁分离器后，打开磁分离器盖倾倒出产物相，此时废物相被磁吸在薄壁无磁内筒上，之后抽出薄壁无磁内筒倾倒出废物相。
29.在一种优选的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其中所述的磁分离器为圆柱形，柱面为磁性面，两端面为非磁性面。
30.在一种优选的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其中步骤(1)中，所述的360
°
旋转的转速为30-60rpm。
31.在一种优选的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其中步骤(1)中，所述的双向震荡的双向为所述的磁分离器的横截面方向和与横截面方向垂直的方向，震荡速度为旋转的转速的3-5倍。
32.在一种优选的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其中步骤(1)中，所述的含铯-137的放射性污染土壤加入磁分离器后体积占磁分离器内部体积的10-25％。
33.在一种优选的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其中步骤(1)中，所述的干法处理的时间为0.5-2min。
34.在一种优选的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其中步骤(2)中，所述的干法处理后的所述的含铯-137 的放射性污染土壤与所述的磁化沸石的质量比为1:0.2-1，所述的吸附处理的时间为16-48h。
35.在一种优选的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其中步骤(2)中，所述的磁化沸石为na-p1型磁化沸石，其磁铁矿含量为12-15wt％。
36.在一种优选的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其中步骤(3)中，所述的旋转震荡的旋转的转速为 30-60rpm，震荡速度为旋转的转速的3-5倍。
37.在一种优选的实施方案中，本发明提供一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其中步骤(3)中，所述的分离处理的时间为0.5-2min。
38.本发明的有益效果在于，利用本发明的含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，能够更高效的从含铯-137的放射性污染土壤中去除铯-137。
39.本发明通过改进磁性载体法分离土壤和沸石颗粒的工艺及设备，实现了沸石、土壤混合物的有效分离，填补了沸石直接处理较小含水量cs
+
污染土壤的技术空白。该工艺过程不产生液体废物，实现了放射性土壤废物的有效减容。
40.本发明提供的磁化沸石磁分离处理技术具有较高的铯-137去除率、较高的废物减量比，无二次液体废物、处理成本低、工艺及设备简单，具备较好技术可行性，为放射性土壤废物减容处理提供了新技术。
附图说明
41.图1为hgms去污工艺流程原理图。
42.图2为日本爱媛大学设计的磁化沸石处理污染土壤的工程化应用方案原理图。
43.图3为本发明步骤(3)中磁分离器旋转震荡分离的原理示意图。
具体实施方式
44.以下通过实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明，各实施例的试验步骤(3)中磁分离器旋转震荡分离的原理如图3所示。
45.实施例1：na-p1型磁化沸石对土壤中cs
+
的吸附实验(一)
46.粗粒径磁化沸石(粒径为1-3mm)加入量(w
石
)：3.33g(xrf测定)； 1wt％cs
+
污染样品总重(w
废
)：6.67g，其中土壤样品加入量w
土
为5.50g， cs
+
含量(cs
始
)为0.055g。
47.试验步骤：
48.(1)将1wt％cs
+
污染样品加入磁分离器中，进行360
°
旋转和双向震荡 (双向震荡的双向为磁分离器的横截面方向和与横截面方向垂直的方向) 的干法处理1min；
49.(2)将干法处理后的1wt％cs
+
污染样品与粗粒径磁化沸石混合后进行静态吸附处理，吸附时间24h；
50.(3)将吸附处理后的混合物在磁分离器中通过360
°
旋转和双向震荡(双向震荡的双向为磁分离器的横截面方向和与横截面方向垂直的方向)进行磁化沸石与土壤的分离处理1min，然后出料。
[0051][0052]
处理效果：
[0053][0054][0055]
实施例2：na-p1型磁化沸石对土壤中cs
+
的吸附实验(二)
[0056]
中粒径磁化沸石(粒径为60-80目)加入量(w
石
)：3.33g(xrf测定)；1wt％cs
+
污染样品总重(w
废
)：6.67g，其中土壤样品加入量w
土
为5.50g，cs
+
含量(c
s始
)为0.055g。
[0057]
试验步骤：
[0058]
(1)将1wt％cs
+
污染样品加入磁分离器中，进行360
°
旋转和双向震荡 (双向震荡的双向为磁分离器的横截面方向和与横截面方向垂直的方向) 的干法处理1min；
[0059]
(2)将干法处理后的1wt％cs
+
污染样品与中粒径磁化沸石混合后进行静态吸附处理，吸附时间24h；
[0060]
(3)将吸附处理后的混合物在磁分离器中通过360
°
旋转和双向震荡(双向震荡的双向为磁分离器的横截面方向和与横截面方向垂直的方向)进行磁化沸石与土壤的分离处理1min，然后出料。
[0061][0062]
处理效果：
[0063][0064][0065]
实施例3：含铯-137的放射性污染土壤的干法去污
[0066]
放射性铯-137污染的土壤为中国原子能科学研究院极低放污染土壤，土壤样品加入量(w
土
)：10g，中石磁化沸石粒径为60-80目，磁化沸石加入量(w
石
)：3.33g。土壤粒径为0.125-2mm，放射性土壤中cs-137的比活度为6085bq/kg。
[0067]
试验步骤：
[0068]
(1)将放射性铯-137污染的土壤样品加入磁分离器中，进行360
°
旋转和双向震荡(双向震荡的双向为磁分离器的横截面方向和与横截面方向垂直的方向)的干法处理1min；
[0069]
(2)将干法处理后的放射性铯-137污染的土壤样品与中粒径磁化沸石混合后进行静态吸附处理，吸附时间24h；
[0070]
(3)将吸附处理后的混合物在磁分离器中通过360
°
旋转和双向震荡(双向震荡的双向为磁分离器的横截面方向和与横截面方向垂直的方向)进行磁化沸石与土壤的分离处理1min，然后出料。
[0071]
处理后cs-137的比活度为599bq/kg，cs-137的去除率90％。
[0072]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

技术特征：

1.一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法，其特征在于，所述的干法去污方法包括如下步骤：(1)将所述的含铯-137的放射性污染土壤加入磁分离器中，进行360
°
旋转和双向震荡的干法处理；(2)将干法处理后的所述的含铯-137的放射性污染土壤与磁化沸石混合后进行吸附处理；(3)将吸附处理后的混合物在磁分离器中通过360
°
旋转和双向震荡进行磁化沸石与土壤的分离处理。2.根据权利要求1所述的干法去污方法，其特征在于：所述的磁分离器为圆柱形，柱面为磁性面，两端面为非磁性面。3.根据权利要求1所述的干法去污方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的360
°
旋转的转速为30-60rpm。4.根据权利要求1所述的干法去污方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的双向震荡的双向为所述的磁分离器的横截面方向和与横截面方向垂直的方向，震荡速度为旋转的转速的3-5倍。5.根据权利要求1所述的干法去污方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的含铯-137的放射性污染土壤加入磁分离器后体积占磁分离器内部体积的10-25％。6.根据权利要求1所述的干法去污方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的干法处理的时间为0.5-2min。7.根据权利要求1所述的干法去污方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的干法处理后的所述的含铯-137的放射性污染土壤与所述的磁化沸石的质量比为1:0.2-1，所述的吸附处理的时间为16-48h。8.根据权利要求1所述的干法去污方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的磁化沸石为na-p1型磁化沸石，其磁铁矿含量为12-15wt％。9.根据权利要求1所述的干法去污方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的旋转震荡的旋转的转速为30-60rpm，震荡速度为旋转的转速的3-5倍。10.根据权利要求1所述的干法去污方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的分离处理的时间为0.5-2min。

技术总结

本发明属于放射性去污技术领域，涉及一种含铯-137的放射性污染土壤的干法去污方法。所述的干法去污方法包括如下步骤：(1)将所述的含铯-137的放射性污染土壤加入磁分离器中，进行360

技术研发人员：

张怡 郑佐西 朱欣研 鲜亮

受保护的技术使用者：

中国原子能科学研究院

技术研发日：

2022.08.15

技术公布日：

2022/12/5