Перспективные технологии утилизации отхода

Содержание

 

1) Введение

2) РАЗДЕЛ 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА ОТХОДА

3)РАЗДЕЛ 2. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА

4)РАЗДЕЛ 3. Технологические  процессы в которых образуется  данный вид

5)РАЗДЕЛ 4. Существующие  технологии переработки

6)РАЗДЕЛ 5. Перспективные  технологии утилизации отхода

7)Выводы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            

Введение

 

Проблема защиты окружающей среды – одна из важнейших задач  современности. Выбросы промышленных предприятий, энергетических систем и  транспорта в атмосфе-ру, водоемы и недра на современном этапе развития науки и техники достигли таких размеров, что в ряде районов, особенно в крупных промышленных центрах, уровни заг-рязнений в несколько раз превышают допустимые санитарные нормы.

Экологические исследования, проведенные в последние десятилетия во многих стра-нах мира, показали, что всё возрастающее разрушительное воздействие антропогенных факторов на окружающую среду привело ее на грань кризиса. Среди различных состав-ляющих экологического кризиса (истощение сырьевых ресурсов, нехватка чистой прес-ной воды, возможные климатические катастрофы) наиболее угрожающий характер при-няла проблема незаменимых природных ресурсов – воздуха, воды и почвы – отходами промышленности и транспорта.

Проблема охраны окружающей среды является комплексной проблемой и имеет гло-бальный характер. Дальнейшее развитие человечества невозможно без комплексного учета социальных, экологических, технических, экономических, правовых и междуна-родных аспектов проблемы применительно не только к конкретному производствен-ному циклу, но и в масштабах регионов, стран и всего мира.

Проблема обращения  с радиоактивными отходами (РАО) чрезвычайно  важна. Нали-чие РАО воспринимается людьми как жизненно опасный фактор и настраивает их про-тив АЭС  даже больше, чем возможность аварий, вероятность которых в современных проектах снижена до незначительного уровня. 
     Любые промышленные отходы, и РАО в том числе, негативно воздействуют на чело-века, животный мир, в целом на биосферу. Но у специалистов есть основания полагать, что ядерная энергетика XXI века может продемонстрировать технологические-циклы с утилизацией отходов без их выброса в биосферу. Для достижения этой цели необходи-ма целенаправленная программа совершенствования технологий, организации учета и хранения материалов и, главное, экологическое воспитание.  
     Рассмотрим некоторые общие положения, позволяющие определить направление решения проблемы РАО.  
    Антропогенное воздействие на природу в XX в. приблизило ее к пределу устойчи-вости. Например, техногенные процессы увеличили планетарный объем окиси углерода на 22% и биосферные системы уже не обеспечивают равновесия потоков СОг. Его кон-центрация в атмосфере в последние десятилетия непрерывно растет. Биосфера пережи-вает экологический кризис, к основным признакам которого специалисты относят гло-бальное потепление, сокращение озонового слоя, загрязнение Мирового океана и почв, исчезновение многих видов животных и растений.  
   На возрастающее антропогенное воздействие природа отвечает непредвиденными изменениями в полном соответствии с правилом социально-экологического равновесия, сформулированным Н.Ф. Реймерсом: «Общество развивается до тех пор, пока сохра-няется равновесие между его давлением на среду и восстановлением этой среды — естественным или искусственным путем. По оценкам некоторых ученых, в случае про-должения сложившихся технических и демографических тенденций человечеству оста-лось жить в относительном благополучии недолго. Далее возможны катаклизмы».  
     Основные факторы воздействия имеющихся технологий на окружающую среду — это промышленные отходы, выбросы и сбросы. По статистическим данным, из 120 Гт ископаемых материалов и биомассы, мобилизуемых мировой экономикой за год, только 9 Гт (7.5%) преобразуется в полезную продукцию. Ежегодно к отвалам «пустой» поро-ды, золо- и шлакоотвалам, свалкам и захоронениям добавляется 85 Гт. Рост объемов отходов промышленной деятельности на Земле продолжается экспоненциально.  
      Но понятие отходов, принятое в экологии, отличается от технократического тем, что указывает направление для защиты среды обитания: «Отходы — это разнообразные по физико-химическим свойствам остатки, обладающие потенциальной потребительской ценностью, то есть являющиеся вторичными ресурсами, использование которых тре-бует специальных технологий для придания им привлекательных для потребителя свойств» (Н.Ф. Реймерс). На «придание» необходимых свойств технологическим остат-кам требуются немалые деньги, именно поэтому всегда считалось приемлемым созда-вать горы отвалов, терриконов, свалок.  
      Наступила пора разбирать накопленное. Сокращение отходов возможно только при их утилизации или при использовании более совершенных технологий. В «Декларации ООН о малоотходной и безотходной технологии и использовании отходов» дано опре-деление: «Безотходная технология это практическое применение знаний, методов и средств для обеспечения наиболее рационального использования природных ресурсов и защиты окружающей среды». И, следовательно, уменьшение массы промышленных отходов за счет использования веществ, содержащихся в них, — главное экологическое условие спасения биосферы.  
      В ближайшие десятки-сотни лет вследствие истощения ресурсов возрастут потреб-ности общества в материалах, находящихся в настоящее время в отвалах и «хвостохра-нилищах». На добычу из недр, транспортировку и частичное разделение сырья уже затрачен труд, и поэтому потребительская стоимость «отходов производства» со време-нем будет возрастать.  
     Таким образом, кардинальное сокращение отходов — это главная экологическая за-дача всех производств, а максимально возможная их утилизация вместо захоронения или накопления на свалках — магистральный путь экологизации производственных процессов. Включение производственных отходов в природные или техногенные циклы может стать реальностью и в ядерных технологиях.

             

 

 

 

 

 

 

 

 

 РАЗДЕЛ 1.    ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТХОДА

       Уран (лат. Uranium), U, радиоактивный химический элемент III группы периодической системы Менделеева, относится к семейству актиноидов; атомный номер 92, атомная масса 238,029; металл. Природный Уран состоит из смеси трех изотопов: ²³⁸U - 99,2739% с периодом полураспада T_½ =4,51·10⁹ лет, ²³⁵U - 0,7024% (T_½ = 7,13·10⁸ лет) и ²³⁴U - 0,0057% (T_½ = 2,48·10⁵ лет).

Из 11 искусственных радиоактивных  изотопов с массовыми числами  от 227 до 240 долгоживущий - ²³³U (T_½ = 1 ,62·10⁵ лет); он получается при нейтронном облу-чении тория. ²³⁸U и ²³⁵U являются родоначальниками двух радиоактивных рядов.

Историческая справка. Уран открыт в 1789 немецким химиком М. Г. Клапротом и назван им в честь планеты Уран, открытой В. Гершелем в 1781. В металлическом состоянии Уран получен в 1841 французским химиком Э. Пелиго при восстановлении UCl₄ металлическим калием. Первоначально Урану приписы-вали атомную массу 120, и только в 1871 году Д. И. Менделеев пришел к выводу, что эту величину надо удвоить.

Длительное время уран представлял  интерес только для узкого круга  химиков и находил ограниченное применение для производства красок и стекла. С откры-тием явления радиоактивности Урана в 1896 году и радия в 1898 году началась промышленного переработка урановых руд с целью извлечения и использования радия в научных исследованиях и медицине. С 1942 года, после открытия в 1939 году явления деления ядер, Уран стал основным ядерным топливом.

Распространение Урана в  природе. Уран - характерный элемент для гранит-ного слоя и осадочной оболочки земной коры. Среднее содержание Урана в зем-ной коре (кларк) 2,5·10^-4% по массе, в кислых изверженных поро-дах 3,5·10^-4%, в глинах и сланцах 3,2·10^-4%, в основных породах 5 ·10^-5%, в ультраосновных поро-дах мантии 3·10^-7%. Уран энергично мигрирует в хо-лодных и горячих, нейтраль-ных и щелочных водах в форме простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. Важную роль в геохимии Урана играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку соединения Урана, как правило, хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с вос-становительной сре-дой (например, сероводородных).

        Известно около 100 минералов Урана;  промышленное значение имеют  12 из них. В ходе геологической  истории содержание Урана в  земной коре уменьши-лось за  счет радиоактивного распада;  с этим процессом связано накопление  в земной коре атомов Рb, He. Радиоактивный распад Урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла.

Физические свойства Урана. Уран по цвету похож на сталь, легко под-дается обработке. Имеет три аллотропических модификации - α, β и γ с тем-пературами фазовых превращений: α → β 668,8 °С, β → γ 772,2 °С; α-форма имеет ромбическую решетку (а = 2,8538Å, b = 5.8662Å, с = 4.9557Å), β-форма - тетрагональную решетку (при 720 °С а = 10,759Å, b = 5,656Å), γ-форма – объемноцентрированную кубическую решетку (при 850 °С а = 3,538Å). Плотность Урана в α-форме (25 °С) 19,05 г/см³; t_пл 1132 °С; t_кип 3818 °С; теплопроводность (100-200 °С), 28,05 вт/(м·К) [0,067 кал/(см·сек·°С)], (200-400 °С) 29,72 вт/(м·К) [0,071 кал/(см·сек·°С)]; удельная теплоемкость (25 °С) 27,67 кдж/(кг·К) [6,612 кал/(г·°С)]; удельное электросопротивление при ком-натной температуре около 3·10^-7 ом·см, при 600 °С 5,5·10^-7ом·см; обладает сверхпроводимостью при 0,68 К; слабый парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 1,72·10^-6.

Механические свойства Урана зависят  от его чистоты, от режимов меха-нической и термической обработки. Среднее  значение модуля упругости для литого Уран 20,5·10^-2 Мн/м² [20,9·10^-3кгс/мм²]; предел прочности при растя-жении при комнатной температуре 372-470 Мн/м² [38-48 кгс/мм²]; прочность повышается после закалки из β- и γ-фаз; средняя твердость по Бринеллю 19,6-21,6·10² Мн/м² [200-220 кгс/мм²].

Облучение потоком нейтронов (которое  имеет место в ядерном реакторе) изменяет физико-механические свойства Урана: развивается ползучесть и повышается хрупкость, наблюдается деформация изделий, что заставляет использовать Уран в ядерных реакторах в виде различных урановых сплавов.

Уран - радиоактивный элемент. Ядра ²³⁵U и ²³³U делятся спонтанно, а так-же при захвате как медленных (тепловых), так и быстрых нейтронов с эффек-тивным сечением деления 508·10^-24 см² (508 барн) и 533·10^-24 см² (533 барн) соответственно. Ядра ²³⁸U делятся при захвате только быстрых нейтронов с энергией не менее 1 Мэв; при захвате медленных нейтронов ²³⁸U превра-щается в ²³⁹Рu, ядерные свойства которого близки к ²³⁵U. Критическая масса Урана (93,5% ²³⁵U) в водных растворах составляет менее 1 кг, для открытого шара - около 50 кг, для шара с отражателем - 15-23 кг; критическая масса ²³³U- примерно 1/3 критической массы ²³⁵U.

Химические свойства Урана. Конфигурация внешней электронной обо-лочки атома Урана 7s²6d^l5f³. Уран относится к реакционноспособным метал-лам, в соединениях проявляет степени окисления +3, +4, + 5, +6, иногда +2; наиболее устойчивы соединения U (IV) и U (VI). На воздухе медленно окис-ляется с образованием на поверхности пленки оксида (IV), которая не пре-дохраняет металл от дальнейшего окисления. В порошкообразном состоянии Уран пирофорен и горит ярким пламенем. С кислородом образует оксид (IV) UO₂, оксид (VI) UО₃ и большое число промежуточных оксидов, важнейший из которых U₃O₈. Эти промежуточные оксиды по свойствам близки к UO₂ и UO₃. При высоких температуpax UO₂ имеет широкую область гомогенности от UO_{1, 60} до UO_2,27. С фтором при 500-600 °С образует тетрафторид UF₄ (зеленые игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде и кислотах) и гексафторид UF₆ (белое кристаллическое вещество, возгоняющееся без плавления при 56,4 °С); с серой - ряд соединений, из которых наибольшее значение имеет US (ядерное горючее). При взаимодействии Урана с водо-родом при 220 °С получается гидрид UH₃; с азотом при температуре от 450 до 700 °С и атмосферном давлении - нитрид U₄N₇, при более высоком давле-нии азота и той же температуре можно получить UN, U₂N₃ и UN₂; с углеро-дом при 750-800 °С - монокарбид UC, дикарбид UC₂, а также U₂С₃; с метал-лами образует сплавы различных типов. Уран медленно реагирует с кипящей водой с образованием UO₂ н Н₂, с водяным паром - в интервале температур 150-250 °С; растворяется в соляной и азотной кислотах, слабо - в концентри-рованной плавиковой кислоте. Для U (VI) характерно образование иона ура-нила UO₂²⁺; соли уранила окрашены в желтый цвет и хорошо растворимы в воде и минеральных кислотах; соли U (IV) окрашены в зеленый цвет и менее растворимы; ион уранила чрезвычайно способен к комплексообразованию в водных растворах как с неорганических, так и с органических веществами; наиболее важны для технологии карбонатные, сульфатные, фторидные, фос-фатные и других комплексы. Известно большое число уранатов (солей не выделенной в чистом виде урановой кислоты), состав которых меняется в зависимости от условий получения; все уранаты имеют низкую раствори-мость в воде.

Уран и его соединения радиационно и химически токсичны. Предельно допустимая доза (ПДД) при профессиональном облучении 5 бэр в год.

Получение Урана. Уран получают из урановых руд, содержащих 0,05-0,5% U. Руды практически не обогащаются, за исключением ограниченного способа радиометрической сортировки, основанной на γ-излучении радия, всегда сопутствующего урану. В основном руды выщелачивают растворами серной, иногда азотной кислот или растворами соды с переводом Урана в кислый раствор в виде UО₂SO₄ или комплексных анионов [UO₂(SO₄)₃]^4-, а в содовый раствор - в виде [UО₂(СО₃)₃]^4-. Для извлечения и концентрирования Урана из растворов и пульп, а также для очистки от примесей применяют сорбцию на ионообменных смолах и экстракцию органических растворите-лями (трибутилфосфат, алкилфосфорные кислоты, амины). Далее из раство-ров добавлением щелочи осаждают уранаты аммония или натрия или гидро-оксид U(OH)₄. Для получения соединений высокой степени чистоты техни-ческие продукты растворяют в азотной кислоте и подвергают аффинажным операциям очистки, конечными продуктами которых являются UO₃ или U₃О₈; эти оксиды при 650-800 °С восстанавливаются водородом или дис-социированным аммиаком до UO₂ с последующим переводом его в UF₄ обра-боткой газообразным фтористым водородом при 500-600 °С. UF₄ может быть получен также при осаждении кристаллогидрата UF₄·nН₂О плавиковой кислотой из растворов с последующим обезвоживанием продукта при 450 °С в токе водорода. В промышленности основные способом получения Уран из UF₄ является его кальциетермическим или магниетермическим восстановле-ние с выходом Урана в виде слитков массой до 1,5 т. Слитки рафинируются в вакуумных печах.

Очень важным процессом  в технологии Урана является обогащение его изо-топом ²³⁵U выше естественного содержания в рудах или выделение этого изо-топа в чистом виде, поскольку именно ²³⁵U - основные ядерное горючее; осу-ществляется это методами газовой термодиффузии, центробежными и други-ми методами, основанными на различии масс ²³⁸U и ²³⁵U; в процессах разде-ления Уран используется в виде летучего гексафторида UF₆. При получении Урана высокой степени обогащения или изотопов учитываются их критичес-кие массы; наиболее удобный способ в этом случае – восстановление окси-дов Урана кальцием; образующийся при этом шлак СаО легко отделяется от Урана растворением в кислотах. Для получения порошкообразного Урана, оксида (IV), карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений приме-няются методы порошковой металлургии.

 

                             ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

 

                                     Физико-химические свойства

 

       Трансурановые  элементы — радиоактивные химические элементы, расположенные в периодической системе после урана, то есть с атомным но-мером Z≥93. Ряд трансурановых элементов включает Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr, Ku, NsB, Sg. Все синтезированы с помощью ядерных реакций. Первые трансурановые элементы получены в начале 40-х годов XX в. в Беркли (США) группой ученых под руководством Э. Макмиллана и Г. Сиборга, удостоенных Нобелевской премии за открытие и изучение этих элементов. Из-за относительно высокой скорости радиоактивного распада трансурановые элементы в заметных количествах не сохранились в земной коре. Возраст Земли оценивают в ~5·109 лет, а период полураспада (T1/2) наиболее долгоживущих изотопов трансурановых элементов <107 лет. За время существования Земли трансурановые элементы, возникшие в процессе нуклеосинтеза, либо полностью распались, либо их количество резко умень-шилось (до 1012 раз). В природных минералах найдены микроколичества 244Pu — наиболее долгоживущего трансуранового элемента (T1/2~8·106 лет), который, возможно, сохранился на Земле с момента ее формирования. В урановых рудах выявлены следы 237Np (T1/2~2,14·106 лет) и 239Pu (T1/2~2,4·104 лет), которые образуются в результате ядерных реакций с учас-тием ядер U.

Специфическим свойством трансурановых  элементов является их способ-ность к распаду путем спонтанного деления. У этих элементов возможны че-тыре вида радиоактивных превращений: α-распад, электронный захват, β-распад и спонтанное деление. Большинство трансурановых элементов являются высокоактивными α-излучателями, обладающими высокой токсич-ностью при попадании в организм человека. Высокая удельная активность этих элементов способствует образованию аэрозольных горячих частиц при различных технологических операциях. Кроме того, при работе с трансурановыми элементами следует учитывать α- и n-реакции, сопровождаю-щиеся нейтронным, а также γ-излучениями. Поэтому фактор внутреннего облучения этими элементами представляет наибольшую опасность при попа-дании изотопов внутрь организма. Характерным для этих элементов является длительная задержка их в организме при высокой удельной α-активности и нейтронном излучении.

 

          Авария на Чернобыльской АЭС  и объект «Укрытие»

 

        Максимальные выбросы из IV энергоблока  Чернобыльской АЭС продол-жались 10 дней и включали радиоактивные газы, конденсированные аэрозоли и большое количество топливных частиц. Общий выброс радиоактивных ве-ществ на 26 апреля 1986 г. составил около 14 EБк (1 EБк=1018 Бк), который включал 1,8 EБк 131I; 0,085 EБк 137Cs и других изотопов цезия; 0,01 EБк 90Sr; 0,003 EБк изотопов плутония. Благородные газы составляли около 50% общего выброса радиоактивности. После начального периода аварии 137Cs стал радионуклидом наибольшей радиологической значимости, тогда как 90Sr имел меньшее значение. На протяжении первых лет после аварии 134Cs был также значимым. По прошествии значительного времени (сотни и тыся-чи лет) радионуклидами, которые будут представлять наибольший интерес,