М.Н. Сабодина ¹ , С.Н. Калмыков ² , Е.В. Захарова ³

¹ ВГМУ, г. Витебск, Беларусь

² МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

³ Институт Физической Химии и Электрохимии им.А.Н. Фрумкина РАН, г. Москва, Россия

При создании новых хранилищ радиоактивных отходов (РАО) и обосновании продления срока эксплуатации действующих хранилищ необходимо исследовать возможность использования различных материалов для сооружения инженерных противомиграционных (техногенно-геохимических) барьеров, с целью предотвращения миграции радионуклидов в окружающую среду. Поэтому изучение взаимодействия радионуклидов с материалом барьера в условиях хранилища РАО является актуальной задачей, требующей комплексного подхода, учитывающего роль различных факторов. В связи с этим, необходимо изучение закономерностей взаимодействия радионуклидов с различными материалами защитных барьеров; проведение сравнительного анализа эффективности их использования; выявление факторов, определяющих возможность использования природных материалов для создания техногенно-геохимического барьера в местах хранения РАО.

Объектами исследования данной работы явились: песчано-глинистые породы из месторождений Томской области, рассматриваемые в качестве материала геохимического барьера в действующих приповерхностных хранилищ твердых РАО на территории ФГУП «Сибирский Химический Комбинат»; бентонит (Хакасского месторождения), модифицированный четвертичными аммониевыми солями, рассматриваемый в качестве одного из компонентов геохимического барьера, эффективный по отношению к анионным формам Tc, I, As, Se.

Для изучения механизма поглощения радионуклидов (¹³⁷Cs, ²³⁷N, ²³⁹Pu, ²³⁸U) песчано-глинистыми породами предложено исследовать фракции с различным размером частиц. Это позволило установить значительное влияние пленок соединений железа, формирующихся на поверхности частиц кварца, на сорбцию U и N. Установлен химический состав пленок с использованием различных методов: сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной спектрометрией, просвечивающей электронной микроскопии в сочетании со спектроскопией характеристических потерь энергии электронов, мессбауэровской спектрометрии и химического анализа. В ходе проведенных сорбционных исследований были даны рекомендации по использованию природных материалов, характеризующихся повышенным содержанием глинистых минералов группы монтмориллонита и соединений железа, в качестве противомиграционных барьеров. Показано, что природные песчано-глинистые породы, отобранные из месторождений, находящихся вблизи хранилищ РАО, благодаря высокой сорбционной способности, минералого-геохимической стабильности свойств в условиях хранилища и по экономическим показателям пригодны для использования при создании противомиграционного барьера в существующих хранилищах твердых радиоактивных и токсичных отходов.

В последнее время органоглины – глины, модифицированные различными органическими лигандами, нашли широкое применение как адсорбенты органических молекул, загустители сред, широко используются также для очистки сточных вод. Во многом свойства органоглин определяются природой органического лиганда и его механизмом взаимодействия с глиной. Некоторые исследования, проведенные ранее, показали, что при замещении части неорганических обменных катионов на четвертичные аммониевые соли (ЧАС – N(CH₃)₃), происходит увеличение сорбционной емкости глин по отношению к анионам.

Для изучения сорбционных свойств новых материалов и подборки оптимальных условий для модифицирования нами были получены несколько образцов органически модифицированного бентонита с использованием 2-х четвертичных аммониевых солей – гексадецилтриметиламмоний (HDTMA) бромида и тетраметиламмоний (TМA) хлорида с различной концентрацией органического лиганда, привитого к бентониту. На основании сорбционных экспериментов показано, что только при модифицировании органическими лигандами с разветвленным скелетом (HDTMA) происходит эффективное поглощение анионных форм ^95mTc, ⁷⁴As, ⁷⁵Se. Вве дение TМA в бентонит не приводит к значительному изменению K_d указанных радионуклидов на модифици орованном производном бентонита. Определено оптимальное количество вводимого в бентонит HDTMА, при котором сорбент сохраняет и свои катионообменные свойства, являясь при этом и эффективным сорбентом по отношению к анионным формам радионуклидов. Проведение экспериментов по изучению фильтрационных свойств показало, что модифицирование бентонита органическими лигандами с разветвленной структурой приводит к его гидрофобности. Таким образом, целесообразно будет использовать его смесь с бентонитом (коэффициенты фильтрации которого весьма низки) при создании противомиграционных и противофильтрационных барьеров в местах хранения РАО с целью обеспечения безопасности их существования. Так опытным путем было установлено, что введение бентонита в соотношении 30 % по массе достаточно, для того чтобы коэффициент фильтрации уменьшился на 6 порядков и в течение времени эксперимента (90 дней) смесь перестала фильтровать воду. Таким образом, использование смеси HDTMA-бентонита и бентонита в соотношении 3:1 достаточно для того, чтобы данный материал был эффективным сорбентом по отношению к катионным и анионным формам радионуклидов и сохранял при этом водонепроницаемые свойства.

В ходе проведенных исследований были даны рекомендации по использованию природных глинистых материалов, характеризующихся повышенным содержанием аморфных соединений железа и органических веществ, и глинистых минералов группы монтмориллонита в качестве противомиграционных барьеров. Показано, что природные глинистые минералы достаточно хорошо сорбируют радионуклиды и вполне пригодны для материала противомиграционного барьера в уже действующих хранилищах радиоактивных и токсичных отходов. Для предотвращения распространения анионных форм радионуклидов возможно применение органически модифицированного бентонита в смеси с бентонитом.