一种放射性污染砂土的自蔓延固化方法技术

本发明专利技术公开了一种放射性污染砂土的自蔓延固化方法，其特征是：将放射性污染砂土制备成放射性砂土固化体，包括：按CuO：CaO：Ti：ZrO2为4：1：2：1的摩尔比取各原料，加入总质量10%～20%的放射性污染砂土，经干法球磨、过筛、烘干，压制成坯料；将坯料置于自蔓延准等静压装置中，经自蔓延高温合成，将放射性污染砂土固化在高热稳定性、高化学稳定性的钙钛锆石型致密人造岩石中；本发明专利技术具有合成速度快、生产效率高、反应温度高、能耗低、工艺简单等优点，本发明专利技术方法特别适用于放射性污染砂土的安全固化处理与处置。

A self propagating curing method for radioactive contaminated sand

The invention discloses a self propagating curing method for radioactive contaminated sand, which is characterized in that the radioactive sand soil is prepared into a radioactive sand soil solidified body, including: taking each raw material according to the mole ratio of CuO:CaO:Ti:ZrO2 4:1:2:1, adding 10% to 20% of the total mass of radioactive contaminated sand, through dry ball milling and screening. In the self propagating quasi isostatic pressure device, the radioactive contaminated sandy soil is solidified in the calcium titanium zircon compact artificial rock with high thermal stability and high chemical stability, and the invention has high synthesis speed, high production efficiency, high reaction temperature and low energy consumption, and the material is placed in a self propagating quasi isostatic pressure device. The method is especially suitable for the solidification and treatment of radioactive contaminated sand.

【技术实现步骤摘要】
一种放射性污染砂土的自蔓延固化方法
本专利技术属于环保领域中用于放射性废物固化处理的人造岩石的制备，涉及一种放射性污染砂土的自蔓延固化方法，适用于放射性核素污染的砂土的固化处理。
技术介绍
放射性废物的处理与处置是核工业发展的关键环节，目前中低放废物的处理与处置技术已经较为成熟，高放射性废物（简称HLW）的处理依然是国内外放射性废物处置的重点和难点。一般的放射性废物由废物本身引入到固化体系中的无关物质并不多，但对于放射性污染砂土而言，砂土是不可分离的主体物质，必须一起进行固化处理。目前，我国对于放射性污染砂土的处理方式主要有物理填埋法和植物修复法，前者耗时耗力，对处理地的生态系统会产生毁灭性损害，同时在运输过程中会因抛洒和泄露造成污染物进一步扩散，而后者植物修复法对植物的要求较高，修复时间较长。因此在处理放射性砂土时最好要快速处理同时不能损害当地的生态环境。人造岩石作为第二代处置HLW的固化基材，利用类质同象原理将放射性核素固定在矿相的晶格之中。钙钛锆石（Zirconolite）作为人造岩石中的主要矿相之一，具有高核素包容量、高热稳定性和化学稳定性，以及优异的抗辐照性能，是理想的HLW固化介质。同时，钙钛锆石和砂土在自然界中广泛存在，说明两者能相互稳定共存，几乎互不影响。自蔓延高温合成（Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis，简称SHS）是在1967年由前苏联科学家Merzhanov等人首次提出的。它是一种利用化学反应自身放热使反应持续进行，最终合成所需材料或制品的新技术。印度学者Muthuraman在1994年提出将此技术应用于放射性核废物的固化处理（M.Muthuraman等，燃烧合成制备氧化物材料固化核废料，材料科学快报，1994,17:977)，尤其是用于受污染的土壤、高放废物焚烧灰等难以回收处理的固体废物。使用自蔓延技术固化受污染砂土时，可以根据拟固化核素的特性来设计自蔓延固化体系。北京理工大学张松林等采用铝热剂体系，利用SHS固化了锕系核素污染砂土（张松林等，锕系核素污染沙土的铝热剂SHS固化模拟实验，硅酸盐通报，2010，29：1）。SHS固化放射性固体废物的优点主要体现在(1)能耗低，不需要大型的昂贵设备；(2)可应用到废物处置点或就地处置；(3)可根据放射性核素类型进行产物设计；(4)合成温度高，最高可达3000℃～4000℃，能够熔融很多有害物质；(5)反应速度快，处理效率高，减少了高温下气溶胶的产生。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种放射性污染砂土的自蔓延固化方法。本专利技术采用自蔓延高温合成（简称SHS）结合快速加压工艺制备钙钛锆石型人造岩石用于固化放射性污染砂土，其合成速度快、低能耗、设备操作方便，同时可对燃烧后样品快速施加压力，能在较短时间能获得高致密化样品，进一步提高固化效果，处理效果好。本专利技术的内容是：一种放射性污染砂土的自蔓延固化方法，系采用Ti粉作为还原剂，CuO粉末作为氧化剂，用自蔓延高温合成（简称SHS）结合快速加压技术制备钙钛锆石型人造岩石用于固化放射性污染砂土，其固化体系生成钙钛锆石的化学反应方程式（Ⅰ）为：4CuO+CaO+2Ti+ZrO2=CaZrTi2O7+4Cu（Ⅰ）本专利技术的内容是：一种放射性污染砂土的自蔓延固化方法，其特征是：将放射性污染砂土制备成放射性砂土固化体，包括下列步骤：a、配料：按CuO：CaO：Ti：ZrO2=4：1：2：1的摩尔比取原料CuO、CaO、Ti和ZrO2粉体；所述原料CuO、CaO、Ti和ZrO2粉体组成固化体系；按放射性污染砂土10%～20%、固化体系80%～90%的质量百分比例取放射性污染砂土和固化体系；b、混料：将上述放射性污染砂土与固化体系原料（CuO、CaO、Ti和ZrO2粉体）混合，经干法球磨10～30分钟，混合均匀，过20目筛，得到混合料，将混合料（放入烘箱或其它干燥设备中）在温度70℃下烘干1小时，得烘干的混合料；c、压制成型：将烘干的混合料装入成型模具中，采用10～50MPa压力将烘干的混合料压制成坯料（1）；d、自蔓延高温合成放射性砂土固化体：采用自蔓延准等静压装置，该装置的组成包括：由底部、下端与底部连接或连为一体的环形侧壁构成的钢模（4），铜电极（5），与铜电极（5）一端连接的钨丝（3），设置于钢模（4）的环形侧壁内上端的压头（6），以及设置于压头（6）上方的加压用液压机（7）；用石英砂（2）铺满钢模（4）内底部，将坯料（1）置于石英砂（2）上，坯料（1）的一侧面与连接在铜电极（5）一端的钨丝（3）接触，再用石英砂（2）将钢模（4）内填满，用压头（6）封闭钢模（4）；对钨丝（3）通直流电，当达到设定电流50～60A即可引燃钨丝（3），通过燃烧的钨丝（3）加热点燃坯料（1），燃烧结束后得到反应后的坯料（1），在燃烧结束后的15～50s时间内，采用液压机（7）对压头（6）施加50～200MPa压力并保持施压20～100s，将反应后坯料（1）冷却至常温；将冷却后的反应后坯料（1）取出，即为制得的放射性砂土固化体。本专利技术的内容中：步骤a中所述放射性污染砂土中的SiO2的质量百分比含量可以为40%～70%。本专利技术的内容中：步骤b中所述混合料的粒度较好的是小于20目。本专利技术的内容中：步骤c所述将烘干的混合料装入成型模具中，采用10～50MPa压力将烘干的混合料压制成坯料（1），可以是：将烘干的混合料10～50g装入成型模具中，采用10～50MPa压力将烘干的混合料压制成直径为20～50mm的圆柱形坯料（1）。本专利技术的内容中：步骤a中所述原料CuO、CaO、Ti和ZrO2的纯度较好的是高于99%。与现有技术相比，本专利技术具有下列特点和有益效果：（1）本专利技术采用CuO固化体系，在固化体中形成能稳定包容模拟放射性核素的钙钛锆石相结构，提高了固化体的抗浸出性能；（2）本专利技术采用自蔓延高温合成（简称SHS）结合快速加压工艺制备钙钛锆石型人造岩石用于固化放射性污染砂土，将污染砂土固化在高热稳定性、高化学稳定性的钙钛锆石型致密人造岩石中，形成致密度较高的固化体，对放射性砂土进行有效固化；其合成速度快、反应温度高、低能耗、设备操作方便，同时可对燃烧后样品快速施加压力，能在较短时间能获得高致密化样品，进一步提高固化效果，处理效果好；（3）本专利技术特别适用于放射性核素污染砂土的固化处理，效果好，钙钛锆石型人造岩石固化体能将放射性污染砂土固定在内部，降低其放射性；（4）本专利技术工艺简单，不需要大功率熔炉设备，处理程序简单、时间短，可直接在受污染的场地进行操作，实用性强。附图说明图1是本
技术实现思路
和实施例中所述自蔓延准等静压装置结构示意图；图中：1—坯料、2—石英砂、3—钨丝、4—钢模、5—铜电极、6—压头、7—液压机；图2是实施例1所得样品的X射线衍射图谱，图中可见：采用反应式（）制得样品包含CaZrTi2O7钙钛锆石相，SiO2相和Cu三种物相；图3是实施例2所得样品的X射线衍射图谱，图中可见：采用反应式（）制得的样品包含CaZrTi2O7钙钛锆石相，SiO2相和Cu三种物相。具体实施方式下面给出的实施例拟对本专利技术作进一步说明，但不能理解为是对本专利技术保护范围的限制，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种放射性污染砂土的自蔓延固化方法，其特征是：将放射性污染砂土制备成放射性砂土固化体，包括下列步骤：a、配料：按CuO：CaO：Ti：ZrO2= 4：1：2：1的摩尔比取原料CuO、CaO、Ti和ZrO2粉体；所述原料由CuO、CaO、Ti和ZrO2粉体组成固化体系；按放射性污染砂土10%～20%、固化体系80%～90%的质量百分比例取放射性污染砂土和固化体系；b、混料：将上述放射性污染砂土与原料CuO、CaO、Ti和ZrO2粉体混合，经干法球磨10～30分钟，混合均匀，过20目筛，得到混合料，将混合料在温度70℃下烘干1小时，得烘干的混合料；c、压制成型：将烘干的混合料装入成型模具中，采用10～50MPa压力将烘干的混合料压制成坯料（1）；d、自蔓延高温合成放射性砂土固化体：采用自蔓延准等静压装置，该装置的组成包括：由底部、下端与底部连接或连为一体的环形侧壁构成的钢模（4），铜电极（5），与铜电极（5）一端连接的钨丝（3），设置于钢模（4）的环形侧壁内上端的压头（6），以及设置于压头（6）上方的加压用液压机（7）；用石英砂（2）铺满钢模（4）内底部，将坯料（1）置于石英砂（2）上，坯料（1）的一侧面与连接在铜电极（5）一端的钨丝（3）接触，再用石英砂（2）将钢模（4）内填满，用压头（6）封闭钢模（4）；对钨丝（3）通直流电，当达到设定电流50～60A即引燃钨丝（3），通过燃烧的钨丝（3）加热点燃坯料（1），燃烧结束后得到反应后的坯料（1），在燃烧结束后的15～50s时间内，采用液压机（7）对压头（6）施加50～200MPa压力并保持施压20～100s，将反应后坯料（1）冷却至常温；将冷却后的反应后坯料（1）取出，即为制得的放射性砂土固化体。...

【技术特征摘要】
1.一种放射性污染砂土的自蔓延固化方法，其特征是：将放射性污染砂土制备成放射性砂土固化体，包括下列步骤：a、配料：按CuO：CaO：Ti：ZrO2=4：1：2：1的摩尔比取原料CuO、CaO、Ti和ZrO2粉体；所述原料由CuO、CaO、Ti和ZrO2粉体组成固化体系；按放射性污染砂土10%～20%、固化体系80%～90%的质量百分比例取放射性污染砂土和固化体系；b、混料：将上述放射性污染砂土与原料CuO、CaO、Ti和ZrO2粉体混合，经干法球磨10～30分钟，混合均匀，过20目筛，得到混合料，将混合料在温度70℃下烘干1小时，得烘干的混合料；c、压制成型：将烘干的混合料装入成型模具中，采用10～50MPa压力将烘干的混合料压制成坯料（1）；d、自蔓延高温合成放射性砂土固化体：采用自蔓延准等静压装置，该装置的组成包括：由底部、下端与底部连接或连为一体的环形侧壁构成的钢模（4），铜电极（5），与铜电极（5）一端连接的钨丝（3），设置于钢模（4）...

【专利技术属性】
技术研发人员：张魁宝，薛佳利，彭乐，尹丹，李玉香，滕元成，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51