Влияние механохимической активации на растворение трилоном Б модельных отложений продуктов коррозии, образованных на ионообменных смолах

При химической дезактивации отработанных ионообменных смол фильтров спецводоочистки атомных электростанций возникает проблема удаления из них радионуклидов, входящих в состав неорганических отложений, образованных в процессе эксплуатации и промежуточного хранения. Как правило, в таких отложениях радионуклиды коррозионной группы (^58,60Co, ⁵⁴Mn, ⁵¹Сr) зафиксированы в кристаллической решетке труднорастворимых оксидов железа. Цель работы – исследование возможности применения механохимической активации при дезактивации отработанных ионообменных смол, загрязненных отложениями активированных продуктов коррозии конструкционных материалов. В качестве модельных отложений использован образец природного магнетита и магнетит, синтезированный на поверхности катионита КУ-2-8 в присутствии метки ⁵⁷Со. Показано, что увеличение времени механохимической активации приводит к увеличению скорости растворения магнетита в модельных дезактивирующих растворах на основе динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (трилон Б) и азотной кислоты. Показано, что при использовании трилона Б магнетит растворяется более эффективно, что объясняется особенностями взаимодействия поверхности оксида с органическими комплексообразующими агентами. Предположено, что при механохимической активации магнетита в присутствии сухих реагентов (трилона Б, щавелевой, аскорбиновой и лимонной кислот) протекают твердофазные реакции, приводящие к образованию на поверхности оксида труднорастворимой оболочки, что затрудняет растворение при невысоких соотношениях магнетит/раствор. Для магнетита, активированного в присутствии щавелевой кислоты, показано, что увеличение отношения раствор/магнетит способствует растворению оксидов железа по сравнению с безреагентной активацией. На примере модельного катионита показано, что скорость и эффективность дезактивации отработанных ионообменных смол, загрязненных отложениями активированных продуктов коррозии, существенно возрастает после механохимической активации в присутствии щавелевой кислоты.

1. Hussain A., Al-Othmany D. Treatment and Conditioning of Spent Ion Exchange Resin from Nuclear Power Plant // Advances in Physics Theories and Applications. 2013. Vol. 15. P. 79–90.

2. Wang J., Wan Z. Treatment and disposal of spent radioactive ion-exchange resins produced in the nuclear industry // Progress in Nuclear Energy. 2015. Vol. 78. P. 47–55. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2014.08.003.

3. Abdel Rahman R. O., Zaki A. A. Comparative analysis of nuclear waste solidification performance models: Spent ion exchanger-cement based wasteforms // Process Safety and Environmental Protection. 2020. Vol. 136. P. 115–125. https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.12.038.

4. Leybros A., Ruiz J. C., D’Halluin T., Ferreri E., Grandjean A. Treatment of spent ion exchange resins: Comparison between hydrothermal and acid leaching processes // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2020. Vol. 8, no. 4. Article number 103873. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.103873.

5. Xu T., Wang S., Li Y., Zhang J., Li J., Zhang Y., Yang C. Optimization and mechanism study on destruction of the simulated waste ion-exchange resin from the nuclear industry in supercritical water // Indus-trial & Engineering Chemistry Research. 2020. Vol. 59, no. 40. P. 18269–18279. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c02732.

6. Castro H. A., Rodríguez R. A., Luca V., Bianchi H. L. Pyrolysis and high performance plasma treat-ment applied to spent ion exchange resins // Journal of Nuclear Engineering and Radiation Science. 2019. Vol. 5, no. 2. Article number 020901. 8 p. https://doi.org/10.1115/1.4042193.

7. Palamarchuk M. Egorin А., Tokar E., Tutov M., Marinin D., Avramenko V. Decontamination of spent ion-exchangers contaminated with cesium radionuclides using resorcinol-formaldehyde resins // Journal of Hazardous Materials. 2017. Vol. 321. P. 326– 334. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2016.09.005.

8. Korchagin Yu. P., Aref’ev E. K., Korchagin E. Yu. Improvement of technology for treatment of spent radioactive ion-exchange resins at nuclear power stations // Thermal Engineering. 2010. Vol. 57, no. 7. P. 593–597. https://doi.org/10.1134/S0040601510070104.

9. Паламарчук М.С., Токарь Э.А., Тутов М.В., Егорин А.М. Дезактивация отработанных ионообменных смол, загрязнённых радионуклидами цезия и кобальта // Экология и промышленность России. 2019. Т. 23, N 4. С. 20–24. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-4-20-24.

10. Shih Y.-H., Wen T.-J., Chen L.-C., Tsai T.-L. Characterization of solid particles sampled from condensates in boiling water reactor // Nuclear Science and Techniques. 2016. Vol. 27, no. 2. Article number 40. https://doi.org/10.1007/s41365-016-0051-4.

11. Tokar E. A. Matskevich A. I., Palamarchuk M. S., Parotkina Y. A., Egorin A. M. Decontamination of spent ion exchange resins contaminated with iron-oxide deposits using mineral acid solutions // Nuclear En-gineering and Technology. 2021. Vol. 53, no. 9. P. 2918–2925. https://doi.org/10.1016/j.net.2021.03.022.

12. Ou Z., Li J., Wang Z. Application of mechanochemistry to metal recovery from second-hand resources: a technical overview // Environmental Science: Processes and Impacts. 2015. Vol. 17, no. 9. P. 1522–1530. https://doi.org/10.1039/c5em00211g.

13. Tan Q., Deng C., Li J. Innovative application of mechanical activation for rare earth elements recovering: process optimization and mechanism exploration // Scientific Reports. 2016. Vol. 6, no. 1. Article number 19961. 10 p. https://doi.org/10.1038/srep19961.

14. Tan Q., Li J. Recycling metals from wastes: a novel application of mechanochemistry // Environ-men-tal Science & Technology. 2015. Vol. 49, no. 10. P. 5849–5861. https://doi.org/10.1021/es506016w.

15. Van Loy S., Önal M. A. R., Binnemans K., Van Gerven T. Recovery of valuable metals from NdFeB magnets by mechanochemically assisted ferric sulfate leaching // Hydrometallurgy. 2020. Vol. 191. Article number 105154. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2019.105154.

16. Wang M.-M., Zhang C.-C., Zhang F.-S. Recycling of spent lithium-ion battery with polyvinyl chloride by mechanochemical process // Waste Management. 2017. Vol. 67. P. 232–239. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.05.013.

17. Altomare A.,Corriero N., Cuocci C., Falcicchio A., Moliterni A., Rizzi R. QUALX2.0: A qualitative phase analysis software using the freely available database POW_COD // Journal of Applied Crystallography. 2015. Vol. 48, no. 2. P. 598–603. https://doi.org/10.1107/S1600576715002319

18. Salazar-Camacho C., Villalobos M., de la Luz Rivas-Sánchez M., Arenas-Alatorre J., Alcaraz-Cienfuegos J., Gutiérrez-Ruiz M.E. Characterization and surface reactivity of natural and synthetic magne tites // Chemical Geology. 2013. Vol. 347. P. 233–245. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2013.03.017.

19. Salmimies R., Mannila M., Kallas J., Häkkinen A. Acidic dissolution of magnetite: Experimental study on the effects of acid concentration and temperature // Clays and Clay Minerals. 2011. Vol. 59, no. 2. P. 136–146. https://doi.org/10.1346/CCMN.2011.0590203.

20. Biswakarma J., Kang K., Borowski S. C., Schenkeveld W. D. C., Kraemer S. M., Hering J. G., et al. Fe(II)-catalyzed ligand-controlled dissolution of iron(hydr)oxides // Environmental Science & Technology. 2019. Vol. 53, no. 1. P. 88–97. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b03910.

21. Kim E. J., Lee J.-C., Baek K. Abiotic reductive extraction of arsenic from contaminated soils en-hanced by complexation: Arsenic extraction by reducing agents and combination of reducing and chelating agents // Journal of Hazardous Material. 2015. Vol. 283. P. 454–461. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.09.055.

22. Kallay N., Matijević E. Adsorption at solid/solution interfaces. 1. Interpretation of surface complexa-tion of oxalic and citric acids with hematite // Langmuir. 1985. Vol. 1, no. 2. P. 195–201. https://doi.org/10.1021/la00062a003.

23. Zhang Y., Kallay N., Matijević E. Interactions of metal hydrous oxides with chelating agents. 7. Hematite-oxalic acid and -citric acid systems // Langmuir. 1985. Vol. 1, no. 2. P. 201–206. https://doi.org/10.1021/la00062a004.

24. Wu S., Deng S., Ma Z., Liu Y., Yang Y., Jiang Y. Ferrous oxalate covered ZVI through ball-milling for enhanced catalytic oxidation of organic contaminants with persulfate // Chemosphere. 2022. Vol. 287. Part 4. Article number 132421. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132421