含氚泵油處理技術(shù)研究

　　本文選擇粘土、硅藻土、蛭石粉、Nochar 4 種材料作為泵油的吸收質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗，確定了它們的吸油率分別為0.316﹕1、1.079﹕1、1.196﹕1、2.0﹕1;滲油率為2.099%、8.155%、3.90%、0.028%;體積膨脹率為398%、266%、312%、437%。經(jīng)綜合考慮，推薦采用Nochar 處理比放較高的含氚泵油;而蛭石粉、粘土處理比放較低的含氚泵油。

　　目前階段，國內外對含氚泵油處理的一般流程為：先用吸收質(zhì)對含氚泵油進(jìn)行吸收處理，將流動(dòng)態(tài)的泵油轉變成易于固化處理的固定狀態(tài)，然后再將包裝體置于鋼桶中進(jìn)行多重包裝處理。在退役活動(dòng)中，對含氚泵油的處理已積累了部分經(jīng)驗，但對不同吸收質(zhì)的吸油率、滲油率、體積膨脹率、長(cháng)期穩定性、包裝體的優(yōu)化等方面還缺乏深入具體的研究，而吸收質(zhì)的選擇是較為關(guān)鍵的環(huán)節，國內在該領(lǐng)域的研究卻很少。

　　通過(guò)調研發(fā)現，蛭石粉和Nochar 是兩種較好的含氚泵油吸收質(zhì)。Nochar 在美國普遍應用于對液體含氚廢物的處理，但該物質(zhì)目前為注冊商品，制備技術(shù)難于獲得，只能通過(guò)該商品在中國的代理獲得少量實(shí)驗物質(zhì)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗室性能確定。

　　國內有采用粘土和硅藻土對廢油進(jìn)行吸收與固化的實(shí)例，因此，本工作在基于上述兩種物質(zhì)的基礎上，再增選蛭石粉和Nochar 兩種物質(zhì)作為實(shí)驗吸收質(zhì)，并從吸油率(油和吸收質(zhì)的質(zhì)量比)、滲油率、體積膨脹率、長(cháng)期穩定性等方面進(jìn)行實(shí)驗驗證，并綜合考慮性?xún)r(jià)比，最終選定最為合適的吸收質(zhì)。

1、吸油原理

　　吸收質(zhì)的吸油及保油過(guò)程基本屬于物理過(guò)程。有機吸收質(zhì)與無(wú)機吸收質(zhì)的吸油過(guò)程有所不同。

　　1.1、無(wú)機吸收質(zhì)吸油原理

　　無(wú)機吸收質(zhì)的吸油及保油過(guò)程主要是借助吸附、包容、毛吸現象來(lái)完成。如果無(wú)機吸收質(zhì)的顆粒較大，油份主要保持在以顆粒為吸油單元的顆粒內部及顆粒表面，吸油主要靠毛吸及吸附;如果無(wú)機吸收質(zhì)的顆粒較小，吸油過(guò)程不僅靠毛吸和吸附，油份還將被包容在互相膠凝在一起的若干微小顆粒之間，形成游離的油份，油質(zhì)混合物在長(cháng)時(shí)間放置后，游離擴散將達到平衡，形成較穩定的吸油膠凝團。

　　1.2、有機吸收質(zhì)吸油原理

　　有機吸收質(zhì)主要利用聚合物內部的親油基與油分子的相互作用力，即范德華力作為推動(dòng)力而吸油。一般而言，有機合成吸收質(zhì)有包藏型、凝膠型、包藏-凝膠復合型3 種。包藏型吸收質(zhì)是利用毛細管現象將油吸收保持在空隙間;凝膠型吸收質(zhì)是利用分子間或物理間的凝聚力，在網(wǎng)絡(luò )結構形成過(guò)程中所產(chǎn)生的空隙空間包裹吸收油;復合型則是這兩者的結合。

2、實(shí)驗方法及過(guò)程

　　根據實(shí)驗設想，每種吸收質(zhì)按照裝桶總高度0.5 m 進(jìn)行模擬。4 種吸收質(zhì)的實(shí)驗過(guò)程相似，以粘土為例的實(shí)驗過(guò)程如下。

　　1)吸油率確定：稱(chēng)取約3 kg 粘土，放置在干燥箱中于40 ℃恒溫下加熱3 h 待用;稱(chēng)取烘干后的粘土100 g 于500 mL 燒杯中，循序滴泵油并充分混合，通過(guò)表觀(guān)現象觀(guān)察油質(zhì)合物飽和程度，確定大致的油質(zhì)配比(0.3﹕1);稱(chēng)取粘土5 份(每份100 g)，按照0.26﹕1、0.28﹕1、0.30﹕1、0.32﹕1、0.34﹕1 油質(zhì)配比充分混合，混合物放置于500 mL 磨口玻璃瓶中(底部鋪墊濾紙)密封保存48 h，通過(guò)濾紙質(zhì)量變化觀(guān)察各種配比條件下的粘土滲油情況，根據滲油的變化規律來(lái)確定粘土的吸油率，最終滲油率確定為0.316﹕1。

　　2)滲油率確定：按照吸油率配制約2 kg 油質(zhì)混合物，按照總高0.5 m 進(jìn)行模擬實(shí)驗。容器底部鋪墊30 張濾紙，于通風(fēng)柜內保存，分別在實(shí)驗開(kāi)始的第1、2、5、8、14、20、30 d 取出濾紙，觀(guān)察濾紙的質(zhì)量變化情況，計算0.5 m 高度吸收質(zhì)的滲油率。

　　3)體積膨脹率確定：根據滲油率實(shí)驗過(guò)程數據，按照公式η=(V2-V1)/V1×100%計算粘土在吸油率配比條件下的體積膨脹率。式中：V1 為泵油體積，V2 為按照吸油率進(jìn)行配比的油質(zhì)混合物體積(mL)。

3、結果與討論

　　不同吸收質(zhì)在不同模擬段的吸油率、滲油率、體積膨脹率的實(shí)驗結果列于表1。表中所列的滲油率分別為實(shí)驗進(jìn)行到第30 d(粘土)、32 d(硅藻土)、32 d(蛭石粉)、30 d(Nochar)的滲油率。

表1 吸油率、滲油率、體積膨脹率

　　3.1、粘土實(shí)驗

　　粘土滲油率(累計滲油率)與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1 所示。從圖1 中可看出，隨時(shí)間的增大，滲油率也逐漸增大，但增加的幅度有下降的趨勢，即單位時(shí)間內的平均滲油率逐漸降低。從吸油機理來(lái)說(shuō)，充分混合后的油質(zhì)混合物，處于游離態(tài)的油的總量基本固定，隨著(zhù)放置時(shí)間的增加，游離態(tài)的油逐漸析出，因此累計滲油率有隨時(shí)間增大的趨勢。但隨著(zhù)游離態(tài)油總量的逐漸減少，單位時(shí)間內的平均油析出量逐漸減少，并最終趨于平衡。如果實(shí)驗時(shí)間足夠長(cháng)(約大于6 個(gè)月)，從某一時(shí)間開(kāi)始，累計滲油率將無(wú)限接近某值，該值將作為粘土在該油質(zhì)配比條件下的最終滲油率。本實(shí)驗在油質(zhì)配比0.316﹕1 的條件下第30 d 累計滲油率為2.099%，體積膨脹率為389%。充分混合的油質(zhì)混合物多成團狀(圖2)，包容現象明顯。

圖1 粘土滲油率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

圖2 粘土油質(zhì)混合物表觀(guān)

　　3.2、硅藻土實(shí)驗

　　硅藻土滲油率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3 所示。累計滲油率和時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)與粘土具有相同的規律，機理也基本相同。

圖3 硅藻土滲油率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

　　充分混合的油質(zhì)混合物與粘土有相似的現象(圖4)，但包容顆粒較小，且包容的大小顆粒團共存。實(shí)驗在油質(zhì)配比1.079﹕1 的條件下第32 d 累計滲油率為8.15%，體積膨脹率為266%。

圖4 硅藻土油質(zhì)混合物表觀(guān)

　　3.3、蛭石粉實(shí)驗

　　蛭石粉滲油率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5 所示。累計滲油率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)與粘土具有相同的規律，機理也基本相同。實(shí)驗在油質(zhì)配比1.196﹕1 的條件下第32 d 累計滲油率為3.90%，體積膨脹率為312%。充分混合的油質(zhì)混合物如圖6 所示，混合物為均勻的小顆粒。

圖5 蛭石粉滲油率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 蛭石粉油質(zhì)混合物表觀(guān)

　　3.4、Nochar 實(shí)驗

　　本產(chǎn)品按照代理商推薦的油質(zhì)配比2﹕1進(jìn)行實(shí)驗，滲油率小于0.1%，體積膨脹率為437%。

　　油質(zhì)混合物如圖7 所示。吸收質(zhì)吸油前后在外觀(guān)上幾乎未改變，油份被穩定包藏在Nochar 產(chǎn)品的分子內部。

圖7 Nochar 油質(zhì)混合物表觀(guān)

4、結論

　　粘土、硅藻土、蛭石粉、Nochar 的吸油率依次為0.316﹕1、1.079﹕1、1.196﹕1、2.0﹕1。根據該比例，在廢物處理過(guò)程中粘土的使用量為最大，而Nochar 在吸收質(zhì)使用量方面占據了絕對優(yōu)勢。如果在工程應用中考慮吸收質(zhì)的使用成本，可將吸收質(zhì)的價(jià)格與吸收率的乘積作為評價(jià)標準。

　　吸收質(zhì)的滲油率是油-固轉化后穩定性的表征，是衡量一種吸收質(zhì)性能好壞的關(guān)鍵指標，一般認為滲油率在1%以?xún)鹊奈�收質(zhì)具有很強的工程適用性。粘土、硅藻土、蛭石粉、Nochar 模擬0.5 m 吸收質(zhì)高度的滲油率依次為2.099%、8.15%、3.90%、0.028%，Nochar 產(chǎn)品的適用性明顯為最強，硅藻土高達8.15%的滲油率在適用性方面處于劣勢。

　　體積膨脹率將直接影響廢物的產(chǎn)生量。根據廢物最小化原則，體積膨脹率是吸收質(zhì)應用于放射性含氚廢油處理的一個(gè)重要指標。粘土、硅藻土、蛭石粉、Nochar 的體積膨脹率分別為398%、266%、312%、437%，增幅在64%以?xún)�，�?yōu)劣較為不明顯。

　　綜合考慮吸油率、滲油率、體積膨脹率3個(gè)特征參數，Nochar 的性能最好，應用在含氚泵油處理上可保證廢物長(cháng)期放置的穩定性，但Nochar 的購置費用昂貴，從工程應用角度推薦使用在比放較高的含氚泵油的處理過(guò)程中;蛭石粉、粘土各項特征參數基本符合含氚泵油處理的工程應用要求，且購置費用較低，可批量使用，推薦使用在比放較低的含氚泵油處理過(guò)程中;硅藻土的滲油率過(guò)高，不適宜應用在含氚泵油處理過(guò)程中。