Результат интеллектуальной деятельности: КАТАЛИЗАТОР (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к способам очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов. Комплексоны - это органические соединения, содержащие атомы N, S и/или Р, способные к координации ионов металлов.

Для дезактивации оборудования на атомных электростанциях используют этилендиаминтетрауксусную (ЭДТА), оксиэтилидендифосфоновую (ОЭДФ), нитрилтриметиленфосфоновую (НТФ), щавелевую и лимонную кислоты, образующие прочные водорастворимые комплексонаты с ионами радиоактивных металлов. Среди комплексонов, получивших с начала 60-х годов прошлого столетия наибольшее распространение для отмывки оборудования, особое место занимает ЭДТА, образующая комплексы со всеми катионами, присутствующими в воде. Основными радионуклидами в кубовых остатках являются ^134,137Cs, ⁶⁰Со, ⁵⁴Mn. Одной из наиболее трудных задач очистки жидких радиоактивных отходов является удаление ⁶⁰Со, который образует с ЭДТА очень прочные хелатные соединения, константа стабильности комплексоната ⁶⁰Со(III)-ЭДТА составляет 10⁴⁰, что затрудняет его сорбцию и выделение в осадок в виде гидроксида. Локализация, концентрирование и переработка жидких радиоактивных отходов значительно упрощаются после разрушения металлорганических комплексов.

Известны методы очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонатов, основанные на окислении органических комплексонов перманганатами, персульфатами, кислородом (WO 2007123436, G21F 9/12, 01.11.2007; WO 2009134294, G21F 9/08, 05.11 2009), а также азотной кислотой, йодатами, хлоратами и перхлоратами (WO 2009134294, G21F 9/08, 05.112009). Данные методы требуют жестких условий обработки: большого количества окислителей и высоких температур (120-300°С), что приводит к сильной коррозии оборудования.

Известны способы очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонатов с применением т.н. передовых окислительных технологий, основанных на обработке загрязненных водных растворов озоном, УФ светом, пероксидом водорода в комбинации с облучением УФ светом и/или катализатором. Данные технологии позволяют полностью окислять малые количества органических веществ при низких температурах (20-80°С) и давлениях и являются экологически чистыми.

В ряде патентов (РФ 2226726, G21F 9/08, 10.04.2004; РФ 2268513, G21F 9/06, 20.01.2006) рассматривается применение озона в качестве окислителя. Недостатками озонирования являются высокие капитальные затраты на строительство озонаторной станции, высокий расход электроэнергии, а также высокая токсичность озона.

Известен фотохимический способ окисления комплексонов, основанный на обработке кубовых остатков атомных электростанций пероксидом водорода при воздействии жестким УФ излучением (РФ 2467419, G21F 9/30, 20.11.2012). Применение данного метода ограничено, поскольку жидкие радиоактивные отходы часто содержат высокие концентрации нитратов, поглощающих УФ излучение в диапазоне от 200 до 300 нм и замедляющих разрушение комплексонов.

Каталитические методы пероксидного окисления органических соединений, основанные на генерации гидроксил радикалов, которые вступают в реакцию с органическим субстратом, представляют несомненный интерес для технологии удаления комплексонов из жидких радиоактивных отходов. Эффективным и универсальным методом удаления органических соединений в низких концентрациях из водных растворов является применение раствора пероксида водорода с солями железа (реактив Фентона) или солями циркония, в качестве катализаторов (WO 2006002054, C02F 1/72, 05.01.2006; WO 1999021801 A1, C02F 1/32, 06.05.1999, РФ 2066493, G21F 009/08, 13.11.1995).

Однако применение гомогенных каталитических систем для очистки радиоактивных отходов от комплексонов ограничено узким диапазоном рабочих рН, при рН выше 4 происходит выпадение гидроксидов металлов в осадок, в то время как жидкие радиоактивные отходы преимущественно представляют собой щелочные растворы с рН от 6 до 13.

Существуют различные гетерогенные системы Фентона, представляющие собой различные соединения железа в составе пористых носителей в комбинации с пероксидом водорода. Такие системы более привлекательны для окисления органических веществ по сравнению с гомогенными аналогами. Использование гетерогенных систем позволяет легко отделять и многократно использовать катализатор, расширить диапазон рабочих рН. Метод применения гетерогенных систем Фентона для очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов неизвестен.

Изобретение решает задачу разработки эффективного метода очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов, который не требует жестких условий осуществления и сложного оборудования.

Изобретение решает задачу очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов путем их каталитического окисления пероксидом водорода при низких температурах (20-95°С) в присутствии гетерогенных катализаторов.

Технический результат - высокая степень полного окисления комплексонов в мягких условиях.

Задача решается двумя вариантами катализатора очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов.

По первому варианту катализатор очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов представляет собой железосодержащей цеолит в виде порошка, гранул или нанесенного цеолита на пористые носители, цеолит в составе катализатора имеет удельную поверхность не менее 300 м²/г, удельный объем пор не менее 0,1 см³/г, кристалличность не менее 50%, содержание железа не менее 0,1 мас. %. В качестве носителя катализатор может содержать глину, оксид алюминия, диоксид титана, диоксид кремния, алюмосиликаты, силикаты, пористую керамику с открытым типом пор, стеклоткань, содержание носителя в катализаторе не более 90 мас. %.

По второму варианту катализатор очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов представляет собой железосодержащей цеолит в виде порошка, гранул или нанесенного цеолита на пористые носители, цеолит в составе катализатора имеет иерархическую систему пор, имеет удельную поверхность не менее 300 м²/г, долю удельной внешней поверхности не менее 50%, удельный объем пор не менее 0,3 см³/г, кристалличность не менее 50%, содержание железа не менее 0,1 мас. %. В качестве носителя катализатор может содержать глину, оксид алюминия, оксид титана, оксид кремния, алюмосиликаты, силикаты, пористую керамику с открытым типом пор, стеклоткань и содержание носителя в катализаторе не более 90 мас. %.

Задача решается также двумя вариантами способа приготовления второго варианта катализатора очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов, по которому (первый вариант) иерархическую систему пор железосодержащего цеолита формируют во время кристаллизации цеолита в присутствии различных органических темплатов, в том числе плотноупакованных полимерных сфер.

По второму варианту способа приготовления катализатора очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов иерархическую систему пор формируют путем структурирования железосодержащих цеолитов размером от 10 до 150 нм. Структурирование железосодержащих цеолитов размером от 10 до 150 нм проводят в присутствии темплатов. Структурирование железосодержащих цеолитов размером от 10 до 150 нм можно проводить также центрифугированием, упариванием, пассивной седиментацией с последующей декантацией, воздействием электромагнитного поля.

Задача решается также способом очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов путем окисления пероксидом водорода, который проводят в диапазоне температур от 20 до 95°С, диапазоне рН от 2 до 12, концентрации пероксида водорода от 0,1 до 10 М в присутствии описанных выше катализаторов (варианты), приготовленных описанными выше способами (вариантами).

Для решения задачи предлагается способ очистки жидких радиоактивных отходов от комплексонов, таких как органические кислоты: этилендиаминтетрауксусная ЭДТА, оксиэтилидендифосфоновая ОЭДФ, нитрилтриметиленфосфоновая НТФ и их соли, цитраты, оксалаты, иминодиацетаты (ИДА), нитрилтриацетаты (НТА) и другие, путем окисления пероксидом водорода с применением катализатора в виде порошка, гранул или нанесенного цеолита на пористые носители, на основе железосодержащих цеолитов. Особенностью традиционных цеолитов является то, что цеолиты обладают большой удельной поверхностью (350-450 м³/г) вследствие наличия упорядоченных микропор молекулярного размера, однако большая часть активных центров цеолита, расположенных внутри микропор, оказывается недоступной для крупных молекул.

Для увеличения доступности активных центров для крупных комплексонов и увеличения эффективности использования окислителя предлагается также использовать железосодержащие иерархические цеолиты с развитой внешней поверхностью.

Термин «иерархические цеолиты» означает цеолиты, имеющие помимо системы микропор (<2 нм), связанную систему транспортных мезопор размером от 10 до 50 нм и/или макропор размером от 50 до 2000 нм. Результатом внедрения дополнительных крупных пор в цеолит является увеличение доли удельной внешней поверхности, измеренной по низкотемпературной адсорбции газов как разница общей удельной поверхности и удельной поверхности микропор, до 50%, а также двукратное увеличение общего удельного объема пор (таблица). Внедрение дополнительных пор в структуру цеолита приводит к снижению диффузионных ограничений и обеспечивает высокую доступность активных центров катализатора для крупных молекул.

Иерархические цеолиты синтезируют методами: 1) частичной деструкции решетки крупных кристаллов цеолита; 2) формирования крупных пор с применением темплатов.

Первый метод синтеза иерархических цеолитов заключается в частичной обработке микропористого цеолита кислотами, паром и щелочами, в таком случае мезопоры представляют собой дефекты структуры (Danny Verboekend, Gianvito Vilé, Javier Pérez-Ramírez. Hierarchical Y and USY Zeolites Designed by Post-Synthetic Strategies. Advanced Functional Materials, 22, 5, 916-928, 2012).

Темплатный метод основан на применении структуроформирующих материалов (темплатов) в процессе приготовления цеолитов с их последующим удалением путем экстракции или прокаливания. Темплаты, формирующие крупные поры, могут применяться непосредственно во время гидротермального синтеза цеолита из геля предшественников или могут быть использованы для структурирования уже готовых строительных блоков - наноцеолитов размером от 10 до 150 нм.

В качестве органических темплатов, удаляемых из конечного продукта выжиганием или экстракцией, могут использоваться самые разнообразные вещества природного происхождения или синтезированные искусственно. Для создания мезопор (2<d<50 нм) используют поверхностно-активные вещества, различные типы пористого углерода, кремнийорганические соединения, а для создания макропор (d>50 нм) применяют более крупные темплаты - полимерные наносферы, ионообменные смолы, органические аэрогели, объекты биологического происхождения - бактерии, древесину, крахмал, растения и др.

Авторами изобретения разработаны железосодержащие иерархические цеолиты на основе структурированных наноцеолитов.

На Фиг. 1 представлены снимки сканирующей электронной микроскопии железосодержащих иерархических цеолитов, полученных центрифугированием наноцеолитов (а) и кристаллизацией цеолита в присутствии полимерного темплата из наносфер (б).

Мезопористый цеолитный материал получают центрифугированием коллоида наноцеолитов с последующей сушкой и прокаливанием, в данном случае мезопоры представляют собой промежутки между плотноупакованными наноцеолитами (Фиг. 1а).

Макропористые цеолитные материалы (Фиг. 1б) синтезируют с применением темплата на основе плотноупакованных полистирольных (ПС) сфер.

Размер первичных сфер темплата задают условиями эмульсионной полимеризации в диапазоне от 100 до 2000 нм (Фиг. 2 - Снимок сканирующей электронной микроскопии темплата из полимерных сфер). Регулярную упаковку темплата формируют путем центрифугирования или сушки суспензии полистирольных сфер.

Авторами было показано, что разработанные железосодержащие иерархические цеолиты имеют более высокие величины удельной поверхности, измеренной методом БЭТ, удельной внешней поверхности, общего объема пор (таблица) по сравнению с традиционными цеолитами.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Традиционный железосодержащий цеолит синтезируют в гидротермальных условиях в присутствии тетрапропиламмония в качестве молекулярного темплата со следующим молярным соотношением реагентов: 1,0 SiO₂: 0,02 ТРАОН: 0,08 NaOH: 0,008 Fe(NO₃)₃·9H₂O: 32 Н₂О. Реагенты перемешивают 10 мин, полученный гель помещают в автоклав с тефлоновым стаканчиком и выдерживают в течение 72 ч при 150°С.Полученный образец промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе, прокаливают при 500°С в течение 5 ч. Для активации FeZSM-5 10 г образца обрабатывают 100 мл раствора 1 М щавелевой кислоты 30 мин при 50°С. Обработанный катализатор промывают водой до pH=7,0, сушат при комнатной температуре и прокаливают 3 ч при 500°С. По данным рентгенофазового анализа образцы содержат хорошо окристаллизованную фазу, соответствующую цеолиту со структурой ZSM-5.

Полученный образец имеет удельную поверхность 340 м²/г, удельный объем пор 0,20 см³/г, кристалличность 100%, содержание железа 1,7 мас. %.

Каталитическое окисление аниона этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) пероксидом водорода проводят при 25°C, pH=5, концентрации ЭДТА - 1 г/л, пероксида водорода - 1 М и катализатора FeZSM-5 - 20 г/л. Степень полного окисления ЭДТА до углекислого газа, воды и оксидов азота составляет 40% за 2,5 ч реакции. Скорость разложения пероксида водорода в присутствии ЭДТА, измеренная барометрическим методом по количеству выделяемого кислорода составляет 9,7 Па/с, в отсутствие ЭДТА - 10,7 Па/с. Катализатор FeZSM-5 обладает высокой стабильностью, железо в составе активных центров не смывается ЭДТА. Согласно данным элементного анализа раствора после реакции, концентрация железа в растворе ниже пределов обнаружения.

Пример 2

Нанесенный катализатор на основе железосодержащего цеолита FeZSM-5, приготовленного по примеру 1, готовят путем смешения порошков алюмосиликата (глины) и цеолита с добавлением воды для формирования пасты с последующим экструдированием для получения гранул. Конечный катализатор получают прокалкой гранул при 900°C на воздухе. Содержание цеолита в катализаторе составляет 50 мас. %.

Пример 3

Иерархический микро/макропористый цеолит h-FeZSM-5 синтезируют в гидротермальных условиях в присутствии ПС темплата с молярным соотношением реагентов 1 SiO₂:0,015 Fe₂O₃:0,7 ТРАОН:17,5 Н₂О при массовом соотношении SiO₂: ПС=1:1 при 110°C в течение 40 ч. Полученный образец промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе, прокаливают 8 ч при 500°C.

Образец имеет удельную поверхность, измеренную методом БЭТ, 450 м²/г, долю удельной внешней поверхности 55%, удельный объем пор 0,55 см³/г, что подтверждает наличие иерархической системы макро-микропор, при этом кристалличность образца 90%, содержание железа 1,0 мас. %.

Каталитическое окисление аниона оксиэтилидендифосфоновой кислоты (ОЭДФ) пероксидом водорода проводят при 25°С, pH=7, концентрации ОЭДФ - 1 г/л, пероксида водорода - 1 М и катализатора h-FeZSM-5 - 20 г/л. Степень полного окисления ОЭДФ до углекислого газа, воды и фосфатов составляет 60% за 2,5 часа реакции. Концентрация смытого в раствор железа не превышает 5·10^-5 М.

Пример 4

Нанесенный на оксид алюминия катализатор на основе железосодержащего цеолита, приготовленного по примеру 3, готовят путем смешения порошков псевдобемита и цеолита h-FeZSM-5 с добавлением подкисленнной азотной кислотой воды для формирования пасты с последующим экструдированием для получения гранул. Конечный катализатор h-FeZSM-5/Al₂O₃ получают прокалкой гранул при 900°С на воздухе. Содержание цеолита в катализаторе составляет 30 мас. %.

Пример 5

Коллоид наноцеолитов готовят в гидротермальных условиях в присутствии тетрапропиламмония с молярным соотношением реагентов: 1,0 SiO₂:0,3 ТРАОН:4,8 EtOH:0,01 Fe(NO₃)₃·9H₂O:22 Н₂О. Реагенты перемешивают 30 мин, полученный гель помещают в автоклав с тефлоновым стаканчиком и выдерживают в течение 7 дней при 90°C. Мезо/микропористый железосодержащий цеолит n-FeZSM-5 получают центрифугированием коллоида в течение 24 час при относительном центробежном ускорении 200 g, сушат на воздухе и прокаливают при 500°C в течение 5 ч.

Образец имеет удельную поверхность, измеренную методом БЭТ, 480 м²/г, долю удельной внешней поверхности 60%, удельный объем пор 0,50 см³/г, что подтверждает наличие иерархической системы макро-микропор, при этом кристалличность образца 95%, содержание железа 0,90 мас. %.

Каталитическое окисление аниона нитрилтриметиленфосфоновой кислоты (НТФ) пероксидом водорода проводят при 25°С, pH=7, концентрации НТФ - 1 г/л, пероксида водорода - 1 М и катализатора n-FeZSM-5 - 20 г/л. Катализатор n-FeZSM-5 высокостабилен, концентрация железа в растворе после реакции ниже пределов обнаружения. Степень полного окисления НТФ до углекислого газа, воды, оксидов азота и фосфатов составляет 70% за 2,5 ч реакции.

Пример 6

Нанесенный на диоксид титана катализатор на основе железосодержащего цеолита, приготовленного по примеру 5, готовят путем пропитки гранулированного TiO₂ коллоидным раствором цеолита n-FeZSM-5 с последующей сушкой и многократного повторения процедуры. Конечный катализатор n-FeZSM-5/TiO₂ получают прокалкой гранул при 500°C на воздухе. Содержание цеолита в катализаторе составляет 30 мас. %.

Пример 7

Коллоид наноцеолитов готовят в гидротермальных условиях в присутствии тетрапропиламмония с молярным соотношением реагентов: 1.0 SiO₂: 0,3 ТРАОН: 4,8 EtOH: 0,01 Fe(NO₃)₃·9H₂O: 22 Н₂О. Реагенты перемешивают 30 мин, полученный гель помещают в автоклав с тефлоновым стаканчиком и выдерживают в течение 7 дней при 90°С. Макро/мезо/микропористый железосодержащий цеолит p-FeZSM-5 получают центрифугированием коллоида в присутствии раствора ПС сфер с массовым соотношением коллоид цеолита:раствор ПС сфер = 1:1 в течение 24 ч при относительном центробежном ускорении 200 g, сушат на воздухе и прокаливают при 500°C в течение 5 ч.

Образец имеет удельную поверхность, измеренную методом БЭТ, 460 м²/г, долю удельной внешней поверхности 63%, удельный объем пор 0,60 см³/г, что подтверждает наличие иерархической системы макро-микропор, при этом кристалличность образца 95%, содержание железа 0,95 мас. %.

Каталитическое окисление смеси оксалата (аниона щавелевой кислоты) и цитрата (аниона лимонной кислоты) пероксидом водорода проводят при 25°C, pH=7, концентрации оксалата - 0,5 г/л и цитрата - 0,5 г/л, пероксида водорода - 1 М и катализатора p-FeZSM-5 - 20 г/л. Катализатор p-FeZSM-5 высокостабилен, концентрация железа в растворе после реакции ниже пределов обнаружения. Степень полного окисления органических веществ до углекислого газа и воды составляет 80% за 2,5 ч реакции.

Пример 8

Нанесенный на пористую керамику катализатор на основе железосодержащего цеолита, приготовленного по примеру 7, готовят путем пропитки керамики суспензией цеолита p-FeZSM-5 с последующей сушкой и многократного повторения процедуры. Конечный катализатор p-FeZSM-5/керамика получают прокалкой материала при 500°C на воздухе. Содержание цеолита в катализаторе составляет 30 мас. %.

Пример 9

Иерархический железосодержащий цеолит получают по примеру 3, но вместо ПС темплата используют порошок одноклеточных микроорганизмов Bacillus subtilis при массовом соотношении SiO₂:микроорганизмы = 1:1.

Образец имеет удельную поверхность, измеренную методом БЭТ, 420 м²/г, долю удельной внешней поверхности 50%, удельный объем пор 0,50 см³/г, что подтверждает наличие иерархической системы макро-микропор, при этом кристалличность образца 90%, содержание железа 1,0 мас. %.

Каталитическое окисление аниона ЭДТА пероксидом водорода проводят аналогично приера 1. Степень полного окисления ЭДТА до углекислого газа и воды составляет 60% за 2,5 ч реакции. Концентрация смытого в раствор железа не превышает 5·10^-5 М.