Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý chất thải phóng xạ của quá trình thuỷ luyện quặng uran

Công nghệ xử lý quặng để thu hồi uran kỹ thuật Các phương pháp xử lý chất thải phóng xạ trong quá trình khai thác, xử lý quặng urani Các phương pháp chung Định nghĩa chất thải phóng xạ P

BỘ KHAO HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN CÔNG NGHỆ XẠ HIẾM

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

XỬ LÝ CHẤT THẢI PHÓNG XẠ CỦA QUÁ TRÌNH

THUỶ LUYỆN QUẶNG URAN

Chủ nhiệm đề tài: VŨ HƯNG TRIỆU

7303

20/4/2009

HÀ NỘI - 2009

những người thực hiện đề tài

1 Vũ Hưng Triệu KSC Trung tâm xử lý chất thải

Công nghệ xử lý quặng để thu hồi uran kỹ thuật

Các phương pháp xử lý chất thải phóng xạ trong quá trình khai

thác, xử lý quặng urani

Các phương pháp chung

Định nghĩa chất thải phóng xạ

Phân loại chất thải phóng xạ

Các phương pháp xử lý và quản lý chất thải phóng xạ

Xử lý khí thải phóng xạ

Xử lý chất thải rắn phóng xạ

Hệ thống xử lý thải lỏng phóng xạ

Lưu giữ và chôn cất các chất thải phóng xạ

Phương pháp xử lý chất thải rắn và lỏng từ quá trình khai thác

và chế biến quặng uran

Phần thực nghiệm

Đặt vấn đề của đề tài

Nhận xét chung về chất thải của quá trình thuỷ luyện quặng

uran

Mục tiêu của đề tài

Nội dung nghiên cứu

Xác định đặc tính nguồn chất thải từ quá trình thuỷ luyện bằng

phương pháp hoà tách đống

Khảo sát thử nghiệm công nghệ, xây dựng quy trình xử lý nước

thải phóng xạ từ quá trình thuỷ luyện quặng uran bằng phương

pháp kết tủa

Nghiên cứu tách Ra từ nước thải của quá trình thu hồi uran

Tách Ra bằng phương pháp kết tủa cộng kết với BaCl2

Nghiên cứu quy trình tách thori ra khỏi nước thải phóng xạ từ

quá trình thu hồi uran

Nghiên cứu quy trình tách thori từ nước thải phóng xạ bằng

phương pháp trao đổi ion

Nghiên cứu quy trình tách thori từ nước thải phóng xạ bằng

phương pháp kết tủa cộng kết Na2S

Nghiên cứu quá trình ổn định hoá chất thải rắn sau khi hoà tách

quặng để thu hồi uran

Nghiên cứu ổn định hoá bã thải từ quá trình hoà tách thấm

quặng uran

Nghiên cứu ổn định hoá bã thải từ quá trình hoà tách bằng

phương pháp trộn ủ và rửa

Kết quả và thảo luận

Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý bã thải rắn

(bùn lắng gạn) sau kết tủa chứa rađi

Nghiên cứu tỷ lệ bã thải với xi măng trong quá trình xi măng

hoá

Nghiên cứu tỷ lệ cát vàng đưa vào trong quá trình xi măng hoá

Nghiên cứu ảnh hưởng sự phát tán các đồng vị phóng xạ trong

nước của khối bã thải chứa rađi đã xi măng hoá

Quy trình công nghệ xi măng hoá bã thải chứa kết tủa rađi

Nghiên cứu thiết kế thiết bị xử lý nước thải phóng xạ

Nghiên cứu thiết kế thiết bị kết tủa RaSO4

Nghiên cứu thiết kế thiết bị trao đổi iôn

Các bản vẽ thiết kế của thiết bị kết tủa và thiết bị trao đổi ion

- Bản vẽ thiết kế thiết bị kết tủa (Xem phần phụ lục)

- Bản vẽ thiết kế thiết bị trao đổi ion (Xem phần phụ lục)

Kết luận

Tài liệu tham khảo

phụ lục

- Bản vẽ thiết kế thiết bị kết tủa

- Bản vẽ thiết kế thiết bị trao đổi ion

- Báo cáo tổng kết kinh phí

- Phiếu đăng ký đề tài NCKHCN cấp Bộ năm 2006-2007

- Phiếu báo kết quả phân tích các mẫu

các từ viết tắt, ký hiệu dùng trong báo cáo

Ký hiệu, từ viết tắt Giải nghĩa

EW Chất thải mức miễn trừ

LILW Chất thải có hoạt độ mức thấp và trung bình HLW Chất thải có hoạt độ mức cao

ICRP Uỷ ban an toàn phóng xạ quốc tế

IAEA Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế

ALARA Thấp đến mức có thể đạt được một cách hợp lý KBq,Bq Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ

KBq/kg, Bq/l Nồng độ phóng xạ

mSv/h, àSv/h Đơn vị đo suất liều tương đương

pH Chỉ số axit

tóm tắt

Trong quá trình nghiên cứu thuỷ luyện quặng uran chắc chắn sinh ra một lượng chất thải phóng xạ dạng rắn và dạng lỏng cần được xử lý đảm bảo an toàn môi trường Chất thải phóng xạ này chủ yếu thuộc loại mức độ phóng xạ thấp Đề tài tiến hành nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ thích hợp xử lý chất thải phóng xạ dạng rắn và lỏng có chứa uran, thori, rađi và một số kim loại nặng trong quá trình thuỷ luyện quặng uran Đề xuất phương pháp quản lý bã thải phóng xạ và bảo quản cất giữ an toàn

Trên cơ sở lý thuyết và các tài liệu đã được công bố về quản lý chất thải phóng xạ của Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế và trong nước đồng thời trên cơ sở kết quả thực nghiệm đã xây dựng được các quy trình công nghệ xử lý chất thải phóng xạ của quá trình thuỷ luyện quặng uran như sau:

- Quy trình công nghệ tách rađi từ nước thải phóng xạ;

- Quy trình công nghệ tách thori từ nước thải phóng xạ;

- Quy trình công nghệ xi măng hoá bã thải phóng xạ chứa Ra;

- Quy trình công nghệ ổn định hoá chất thải rắn (bã thải) của quá trình thuỷ luyện quặng uran

Đề tài đã thiết kế và chế tạo được thiết bị kết tủa và thiết bị trao đổi ion phù hợp bổ sung cho xưởng xử lý chất thải phóng xạ của Viện

Abstract

The hydrometalurgical technology of uranium ores has generated low level solid and liquid radioactive wastes which required of treatment before discharged into environment This wastes contain mainly low level radioactive wastes The objective of present studies is to research and setting-up a suitable technology for treatment of radioactive wastes contained uranium, thorium, radium and some heavy metals from the hydrometalurgical technology of uranium ores Proposals on method of safety management and storage of radioactive wastes

Based on theory, pulished documents on radioactive management of IAEA, Viet nam and experimental results obtained, the technology for treatment of radioactive wastes from the hydrometalurgical technology of uranium ores was set-up on that is as follows:

- The flow-sheet of technology for separation of radium from liquid radioactive wastes;

- The flow-sheet of technology for separation of thorium from liquid radioactive wastes;

- The flow-sheet of technology for cementation of radioactive wastes contained radium;

- The flow-sheet of technology for immobilization of solid radioactive wastes from the hydrometalurgical process of uranium ores

Beside, precipitate and ion exchange equipments that were made to supplemental for radioactive wastes treatment factory of IREE is also the result of this studies

Mở đầu

Chất thải phóng xạ sinh ra trong quá trình xử lý chế biến quặng có chứa phóng xạ và các hoạt động khác của những cơ sở có ứng dụng năng lượng, kỹ thuật hạt nhân Các chất phóng xạ tác động xấu tới môi trường và sức khoẻ con người Bảo vệ môi trường tránh khỏi các chất thải phóng xạ đang là một trong những vấn đề rất được sự quan tâm của cộng đồng trên quy mô toàn thế giới ở Việt nam, chính phủ ta cũng rất quan tâm đến vấn đề quản lý, xử lý, cất giữ các chất thải phóng xạ Nhà nước đã ban hành pháp lệnh quản lý chất thải phóng xạ

Vấn đề xử lý chất thải phóng xạ đã được Viện năng lượng nguyên tử Việt nam quan tâm từ lâu nhất là liên quan đến hoạt động của lò phản ứng hạt nhân

Đà lạt Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã có khu xử lý và cất giữ chất thải phóng xạ sinh ra trong quá trình hoạt động lò phản ứng Viện Công nghệ xạ hiếm

đã tiến hành nghiên cứu thăm dò một số phương pháp nhằm xử lý một vài loại chất thải sinh ra từ các hoạt động của chu trình nhiên liệu hạt nhân ở Viện

Từ trước tới nay các cơ sở nghiên cứu công nghệ chế biến quặng phóng xạ

và quặng nguyên tố hiếm đều sinh ra chất thải phóng xạ dạng lỏng và dạng rắn Chúng ta mới chỉ quan tâm tới việc thu gom cất giữ tạm thời trong các bể xi măng, chưa xây dựng được các quy trình công nghệ xử lý chất thải phóng xạ áp dụng cho các cơ sở nghiên cứu và sản xuất công nghiệp Hiện tại Viện Công nghệ xạ hiếm có nhiệm vụ nghiên cứu chế biến quặng uran bằng phương pháp hoà tách thấm Trong quá trình nghiên cứu chế biến quặng để thu hồi uran chắc chắn sinh ra một lượng bã thải phóng xạ dạng rắn và dạng lỏng cần được xử lý

đảm bảo an toàn môi trường

Hiện tại Viện Công nghệ xạ hiếm đã xây dựng một khu vực riêng để thực hiện công nghệ xử lý chất thải phóng xạ và kho cất giữ tạm thời Để đảm bảo an toàn phóng xạ cho khu vực xung quanh nơi cất giữ theo tiêu chuẩn Việt nam và thế giới Viện đã giao cho nhóm đề tài thực hiện đề tài “Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý chất thải phóng xạ của quá trình thuỷ luyện quặng uran” với mục tiêu:

- Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý nước thải phóng xạ trong quá trình thu hồi uran;

- Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý chất thải rắn phóng xạ trong quá trình xử lý quặng uran;

- Thiết kế chế tạo thiết bị kết tủa xử lý nước thải phóng xạ sử dụng trong khu xử lý thải xạ;

- Thiết kế chế tạo thiết bị trao đổi ion xử lý nước thải phóng xạ sử dụng trong khu xử lý thải xạ;

- Bổ sung một số thiết bị cho phòng thí nghiệm và đào tạo cán bộ quản lý

và xử lý chất thải phóng xạ

Phần tổng quan

I Công nghệ xử lý quặng để thu hồi urani kỹ thuật

- Quặng urani sau khi được khai thác, người ta phải làm giàu hàm lượng urani lên bằng các phương pháp tuyển để loại bớt đất đá và các khoáng vật khác không chứa urani; Trên thế giới hiện nay, các phương pháp tuyển chủ yếu đang

sử dụng là: tuyển phóng xạ, tuyển quang học, tuyển nổi, tuyển trọng lực

- Để xử lý quặng uran, từ đó thu được urani kỹ thuật Trên thế giới và cả ở Việt Nam, phương pháp chủ yếu vẫn là phương pháp thuỷ luyện Quặng urani sau khi tuyển được đem đi hoà tách trong dung dịch axít hoặc cacbonat để tách urani

ra khỏi một lượng lớn đất đá Dung dịch sau khi hoà tách được xử lý bằng các phương pháp hoá học hoặc hoá lý để thu hồi được sản phẩm urani kỹ thuật có hàm lượng 65 ữ 98% U3O8 Từ sản phẩm này, bằng các phương pháp tách khác nhau, người ta có thể thu được sản phẩm là urani tinh khiết, là nhiên liệu trong các lò phản ứng hạt nhân

Công nghệ xử lý quặng urani bao gồm nhiều công đoạn Các công đoạn chính trong chu trình xử lý quặng để thu nhận urani kỹ thuật là chuẩn bị quặng (tuyển, đập, nghiền, nghiền chọn lọc và phân loại; hoà tách quặng đã nghiền, phân chia các pha rắn lỏng, tách chọn lọc urani từ dung dịch hoà tách dưới dạng hợp chất này hay hợp chất khác của nó với độ sạch kỹ thuật cần thiết (để tách urani từ dung dịch hoà tách có thể sử dụng nhiều phương pháp hoặc kết hợp giữa các phương pháp đó, như trao đổi ion trong dung dịch, trao đổi ion trong bùn quặng, chiết dung môi, kết tủa trực tiếp từ dung dịch hoà tách); kết tủa urani kỹ thuật, sấy và đóng gói, lưu giữ sản phẩm Tuy nhiên không phải đối với loại quặng nào cũng phải trải qua các công đoạn như đã nêu, các công đoạn phụ thuộc từng loại quặng cụ thể

Sơ đồ tổng quát quá trình thuỷ luyện quặng urani được nêu ra ở hình1

Hiện nay, Viện Công nghệ xạ hiếm đang thực hiện nghiên cứu công nghệ

xử lý quặng urani bằng phương pháp hoà tách đống Sơ đồ công nghệ được nêu ra

ở hình 2

Nước thải(Phần không hấp thụ) dung dịch Th,Ra,U

NH3NaCl

Bã quặng(Thải rắn)

Hình 2- Sơ đồ thuỷ luyện quặng urani bằng phương pháp hoà tách đống

Hoà tỏch đống:

-H/T thấm hoặc -Trộn ủ và rửa

II Các phương pháp xử lý chất thải phóng xạ trong quá trình khai thác, xử

lý quặng urani

II.1 Các phương pháp chung

II.1.1 Định nghĩa chất thải phóng xạ

Theo định nghĩa của Cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA), chất thải phóng xạ là:” mọi vật liệu có chứa hoặc bị ô nhiễm bởi các nhân phóng xạ ở hàm lượng hoặc mức phóng xạ lớn hơn mức miễm trừ được quy định bởi các cơ quan có thẩm quyền và không còn sử dụng được nữa”

II.1.2 Phân loại các chất thải phóng xạ

Chất thải phóng xạ có thể được phân loại theo các cách chủ yếu như sau:

- Phân loại theo mức độ phóng xạ

+ Chất thải phóng xạ miễn trừ: nếu tổng hoạt độ phóng xạ và hoạt độ phóng xạ riêng của nó ở dưới mức miễn trừ ( mức phóng xạ bằng hoặc nhỏ hơn mức miễn trừ để có thể gây nên liều bức xạ dân chúng hàng năm nhỏ hơn 0,01 mSv

+ Chất thải phóng xạ mức thấp: nếu tổng hoạt độ phóng xạ và hoạt độ phóng xạ riêng của nó lớn hơn mức miẽn trừ, suất liều bức xạ đo tại điểm tiếp xúc với chất thải nguyên thuỷ nhỏ hơn 2 mSv/h và năng lượng nhiệt giải phóng trong khối thải nhỏ hơn 2 kwh/m3

+ Chất thải phóng xạ mức trung bình: nếu suất liều bức xạ đo tại điểm tiếp xúc với chất thải nguyên thuỷ lớn hơn 2 mSv/h và năng lượng nhiệt giải phóng trong khối thải nhỏ hơn 2 kwh/m3

+ Chất thải phóng xạ mức độ cao: nếu suất liều bức xạ đo tại điểm tiếp xúc với chất thải nguyên thuỷ lớn hơn 2 mSv/h và năng lượng nhiệt giải phóng trong khối thải lớn hơn 2 kwh/m3

- Phân loại theo nguồn gốc sinh ra chất thải

+ Chất thải sinh ra từ nhà máy điện hạt nhân,

+ Chất thải sinh ra trong khai thác và chế biến quặng urani; từ tái chế nhiên liệu

+ Chất thải sinh ra trong nghiên cứu, y tế, công nghiệp vv

- Phân loại theo trạng thái vật lý

Chất thải rắn; chất thải lỏng; chất thải khí

- Phân loại theo thời gian sống (chu kỳ bán rã) của các nhân phóng xạ

+ Chất thải có chu kỳ bán rã cực ngắn: nếu chất thải này chứa các nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 16 ngày

+ Chất thải có chu kỳ bán rã ngắn: nếu chất thải này chứa các nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã không vượt quá 5,3 năm

+ Chất thải có chu kỳ bán rã trung bình: nếu chất thải này chứa các nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã không vượt quá 30 năm

+ Chất thải có chu kỳ bán rã dài: nếu chất thải này chứa các nhân phóng xạ

có chu kỳ bán rã vượt quá 30 năm và hoạt độ phóng xạ riêng của chất thải lớn hơn 400 Bq/g

II.1.3 Các phương pháp xử lý và quản lý chất thải phóng xạ

Như chúng ta đã biết có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sức khoẻ cũng như môi trường sống của con người, trong đó yếu tố bức xạ nói chung và phóng xạ của các nguồn phóng xạ nhân tạo, nguồn phóng xạ tự nhiên nói riêng có những tác động nguy hiểm đáng lưu ý do tính chất đặc biệt của các tia phóng xạ: không nhìn thấy, không cảm nhận thấy bằng các giác quan của con người

Việc xử lý chất thải của quản lý chất thải phóng xạ hiện nay là mối quan tâm hàng đầu của mọi quốc gia có nền công nghiệp hạt nhân cũng như các quốc gia có những ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp, nông nghiệp, y học

và trong nhiều lĩnh vực khác của cuộc sống

Quản lý chất thải phóng xạ được tiến hành theo quy trình sau:

- Thu gom chất thải, phân loại và lưu giữ tạm thời

Trong lĩnh vực tái sử dụng và tái chế thanh nhiên liệu đã cháy, người ta

đang trông chờ vào sự phát triển của khoa học và kỹ thuật trong tương lai Hầu hết các nước đều không nghĩ đến việc chôn cất vĩnh viễn thanh nhiên liệu đã đốt Các nguyên tố có thể sử dụng làm nhiên liệu có trong thanh nhiên liệu đã cháy sẽ chưa được tái chế và được cất giữ trong các kho lưu giữ tạm thời, các kho này thường được thiết kế cho khoảng thời gian hàng 50 năm

Nguyên lý chung khi xử lý chất thải phóng xạ: giảm thiểu phát thải phóng xạ ra môi trường Do vậy, ngay từ việc thiết kế nhà máy đến các cơ sở xử lý thải

đi kèm nhà máy điện hạt nhân, người ta luôn cố gắng tuân theo quy tắc ALARA (Thấp đến mức hợp lý có thể chấp nhận được)

II 1.4 Xử lý khí thải phóng xạ

Khí thải phóng xạ: Chủ yếu là bụi trong quá trình đập, gia công quặng urani, phân khác sinh ra khi phải thao tác, sấy các sản phẩm uran ở dạng bột Các khí thải này nói chung rất nguy hiểm vì nó có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, gây nên sự chiếu xạ trong, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ của người lao động và cộng đồng Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải phóng xạ được nêu trên hình sau :

Hình 3- Sơ đồ xử lý khí thải phóng xạ

a Hệ thống lọc khí phóng xạ sử dụng các chất hấp phụ hợp chất tự nhiên cao lanh, CaO, Fe2O3, TiO2, Sb2O5, Zr3(PO4)4, Fe[Ni(CN)6], than gỗ, than hoạt tính Nguyên lý làm việc của các hệ thống lọc khí dạng này cũng giống như

K

Lớp đệm Các bon

Thùng chứa chờ phân rã

nguyên lý làm việc của các tháp hấp phụ khí Điều khác biệt ở đây là hoạt độ phóng xạ của các chất khí trước khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị được kiểm tra một cách chặt chẽ Khi không khí ra khỏi tháp không đạt tiêu chuẩn cho phép về

độ sạch phóng xạ thì người ta phải điều chỉnh lại chế độ làm việc của hệ thống (thay đổi lưu lượng – dòng khí, thay đổi vật liệu lọc ) Các vật liệu lọc khí sau khi sử dụng lại trở thành chất thải phóng xạ dạng rắn và phải được xử lý như là chất thải phóng xạ

b Hệ thống tháp lọc sử dụng các loại vật liệu đặc biệt (gốm xốp): Hệ thống này được dùng khi chất khí phóng xạ cần phải xử lý có nhiệt độ cao hoặc

có khả năng làm hỏng vật liệu (khí thải từ lò đốt rác thải phóng xạ)

c Hệ thống lọc bụi phóng xạ sử dụng các tháp phun dung dịch Ca(OH)2, NaOH, Na2B2O4, Na2CO3 Nguyên tắc làm việc của hệ thống giống như nguyên tắc làm việc của các tháp hấp thụ khí, hấp thụ bụi Thường thì khí và bụi được thổi vào từ phía dưới tháp, các dung dịch hấp thụ được phun ra từ trên tháp ở dạng sương hoặc mưa Trong quá trình di chuyển ngược dòng: khí, bụi đi từ dưới lên, chất lỏng rơi từ trên xuống, bụi và các hạt nhân phóng xạ có trong khí bị hấp thụ bởi dung dịch Dung dịch thường được bơm tuần hoàn Khi khả năng hấp thụ của dung dịch giảm cần phải thay dung dịch, dung dịch sau khi đã sử dụng lại trở thành chất phóng xạ và phải được xử lý như chất thải phóng xạ dạng lỏng

II 1.5 Xử lý chất thải rắn phóng xạ

a Xử lý chất thải rắn có hoạt độ thấp và trung bình

Chất thải rắn có hoạt độ thấp là dạng chất thải phổ biến nhất trong tất cả các cơ sở có liên quan đến vật liệu phóng xạ Tuỳ thuộc vào bản chất của từng loại chất thải mà người ta có các phương pháp xử lý khác nhau như: Phương pháp

đốt, phương pháp nén, phương pháp ổn định hoá Riêng đối với chất thải rắn quặng uranium do có khối lượng rất lớn, hoạt độ phóng xạ không cao nên lại có cách xử lý riêng

Hình 4- Sơ đồ xử lý chất thải phóng xạ dạng rắn

Sau đây sẽ trình bày tóm tắt về từng phương pháp xử lý cụ thể

Phương pháp đốt: Chỉ dùng cho chất thải phóng xạ dạng đốt được (quần

áo, giấy, găng tay, giày, dép, nhựa trao đổi ion…) Chất thải được đưa vào lò đốt

có nhiệt độ cao, sản phẩm sau khi đốt bao gồm: Tro và khí thải

Tro được tháo ra khỏi phía đáy lò đốt và được tập trung, đóng kín trong thùng thép để lưu giữ trong kho chứa tạm thời sau đó được chôn cất như các bã thải rắn đã qua xử lý khác

Khí thải có nhiệt độ cao, có nhiều bụi phóng xạ cần phải đưa qua hệ thống

xử lý khí đặc bịêt, có chứa lớp đệm gốm xốp có khả năng chịu được nhiệt độ cao

và hấp phụ được bụi phóng xạ

Thải

rắn

Có thể nén

được

Có thể

đốt được

Nén giảm thể tích

Đóng thùng thép

ổn định hoá

Không thể nén

được

Tách FeS2thải ra

Chôn cất gần mặt đất

Mức PX rất thấp

Phương pháp đốt có ưu điểm: làm giảm thể tích chất thải tới hàng trăm lần

do vậy giảm gánh nặng cho việc xây dựng kho chứa tạm thời, việc chôn cất cuối cùng

Nhược điểm của phương pháp đốt là chi phí cho thiết bị cao, không phải bất kỳ cơ sở xử lý chất thải phóng xạ nào cũng có đủ điều kiện để trang bị loại thiết bị này Hơn nữa phương pháp này chỉ áp dụng được với loại chất thải có khả năng đốt được

- Phương pháp nén: Nguyên lý của phương pháp là dùng máy nén có áp lực cao để nén làm giảm thể tích của chất thải có tính nén được Đây là phương pháp

đơn giản, có hiệu quả tương đối cao (có thể giảm thể tích tới 10 lần) với chi phí thấp Phương pháp này chỉ dùng được với các chất thải phóng xạ có tính nén

được và các chất thải này phải có tính ổn định, không gây phản ứng hoá học, không gây nổ khi bị ép

Các phương pháp ổn định hoá (Bitum hoá, Ximăng hoá): Mục đích của phương pháp ổn định hoá là chuyển các hạt nhân phóng xạ ở trạng thái vật lý, hoá học chưa ổn định (có tính linh động, có nhiểu khả năng tham gia các phản ứng hoá học …) trở về trạng thái ổn định hoá như:

* Dùng các chất polyme, nhựa đường để đóng rắn chất thải rắn (phương pháp bitum hoá)

* Dùng chất kiềm (xút hoặc vôi) để trung hoà các chất thải rắn có tính axit

để chuẩn chúng về dạng hyđroxit, có tính ổn định, khó hoà tan trước khi đóng chúng vào thùng

* Dùng xi măng để đóng rắn các chất thải rắn dạng bùn, dạng bột rời rạc sau đó mới chuyển chúng vào lưu giữ trong thùng kim loại

và đặc biệt là các nhà máy điện hạt nhân, các cơ sở sản xuất và sử dụng đồng vị phóng xạ Các bước tiến hành xử lý nước thải được thực hiện như sau:

a Lựa chọn các chất hấp thu tự nhiên các hợp chất vô cơ để xử lý nước thải, thu gom các đồng vị có ích

b Lựa chọn các chất hấp thu tổng hợp từ các hợp chất hữu cơ (nhựa trao

đổi ion, các chất chiết) xử lý nước thải, thu gom các đồng vị có ích

c Tuỳ theo từng loại dung dịch nước thải cụ thể và điều kiện của từng cơ

sở xử lý nước thải mà người ta lựa chọn các chất hấp thụ tự nhiên hay tổng hợp làm tác nhân trao đổi ion trong thiết bị trao đổi ion để thu gom các nguyên tố có ích hoặc tập trung các nguyên tố phóng xạ vào một thể tích nhỏ để tiếp tục xử lý bằng phương pháp kết tủa hoặc đóng rắn

Nước

Thải

PX

Trao đổi ion

Bể chứa chờ

xử lý

Kết tủa lắng gạn lọc

SP lọc

Nước sạch Thải ra môi trường hoặc

quay vòng sử dụng

Đóng thùng thép

d Phương pháp kết tủa, đồng kết tủa: thường sử dụng sữa vôi (có thể bổ sung các tác nhân đồng kết tủa như BaCl2 để kết tủa các nguyên tố phóng xạ

e Phương pháp bay hơi: là phương pháp dùng nhiệt để cô đặc, làm giàu các nguyên tố phóng xạ trong một thể tích nhỏ dung dịch, sau đó dùng xi măng

đóng rắn dung dịch (đối với chất thải có hoạt độ mức thấp và trung bình LILW) hoặc thủy tinh hoá (đối với chất thải có hoạt độ mức cao HLW)

II.2 Lưu giữ và chôn cất các chất thải phóng xạ

II.2.1 Lưu giữ tạm thời

Trong công tác quản lý và xử lý chất thải phóng xạ, không phải lúc nào người ta cũng có đủ điều kiện để xử lý hoặc chôn cất ngay chất thải phóng xạ Như đã trình bày về quy trình xử lý chất thải phóng xạ ở phần trên, các chất thải trước tiên được tập trung về bộ phận thu gom bã thải, được phân loại theo dạng thích hợp với phương thức xử lý của cơ sở xử lý thải Trong công đoạn này có một giai đoạn nhỏ cần lưu giữ tạm thời bã thải chưa xử lý để chờ xử lý Sau khi tập trung đủ lượng chất thải cần thiết để xử lý, người ta tiến hành xử lý chất thải theo một trong các phương thức đã trình bày ở trên Bã thải sau khi xử lý xong,

được đóng thùng (thường là thùng 200 lít) Trên thùng được ghi rõ các thông số cho biết một số chỉ tiêu cần thiết về thùng chất thải (theo quy định của cơ quan pháp quy)

Các thùng chứa chất thải đã xử lý được lưu giữ tại các kho chứa thải tạm thời trước khi được đưa về chôn cất tại bãi chôn cất thải Các kho chứa tạm thời thường được thiết kế và xây dựng trong khuôn viên của nhà máy điện hạt nhân Sức chứa của các kho chứa này thường được thiết kế sao cho đủ để chứa được lượng thải của nhà máy trong vòng 30-50 năm Rút kinh nghiệm của các nước như Hàn Quốc Nhật Bản, việc tìm địa điểm cho xây dựng bãi chôn thải quốc gia

để chôn cất vĩnh viễn chất thải phóng xạ thường gặp rất nhiều khó khăn nên các kho chứa tạm thời tại các nhà máy hiện đang có nguy cơ hết chỗ chứa Hiện nay người ta có xu hướng thiết kế công suất của các kho chứa thải đủ để lưu giữ tạm thời chất thải phóng xạ cho hết tuổi thọ của nhà máy

II.2.2 Chôn cất trên bề mặt

Trong quá trình xử lý quặng để thu hồi urani, có một vấn đề lớn cần được giải quyết là chôn cất bã thải sau khi đã hoà tách Đây là bã thải rắn có hoạt độ phóng xạ thấp (< 0,1mSv/h), khối lượng đất đá rất lớn, do đó không thể dùng phương pháp chôn cất dưới lòng đất hoặc chôn cất dưới tầng địa chất vì chi phí rất tốn kém Chính vì vậy, đa số các nước đã sử dụng phương pháp chôn cất trên

bề mặt ngay tại nơi khai thác, hoà tách để thu hồi urani Phương pháp này rất đơn giản là bã quặng sau hoà tách thu được trộn với vôi (CaO) sao cho pH của bã đạt tới 7-8, sau đó đắp thành đống (phía dưới có một lớp bê tông mỏng, có hệ thống rãnh thoát nước) Khi kết thúc quá trình khai thác và xử lý quặng uran, những

đống bã thải này được phủ một lớp bê tông mỏng, sau đó lại phủ lên trên bằng một lớp đất, sau đó người ta tiến hành trồng cỏ phủ lên trên Các rãnh của hệ thống thoát nước được thu gom về các bể chứa và cho chảy ra môi trường sau khi

xử lý Chu kỳ cứ một đến hai năm các nhà quản lý lại phân tích hoạt độ phóng xạ của nước thải để từ đó kiểm tra và có các phương án xử lý phù hợp Phương pháp này được thực hiện rất phổ biến tại ấn Độ Ví dụ như vùng Jaduguda, Bihan, Domisiat ; Sau khi đã thực hiện như phương pháp trên, hoạt độ phóng xạ của các vùng này nhỏ hơn 0,001mSv/h, hoạt độ phóng xạ của nước thải nhỏ hơn 3,4 Bq/l Ngoài tính chất an toàn, chi phí thấp, phương pháp này còn tạo ra cảnh quan

đẹp cho môi trường ở khu vực xử lý quặng uran

II 2.3 Chôn cất dưới lớp đất nông

Ví dụ: Khu chôn thải Amory, Nhật Bản được thiết kế với sức chứa 3 triệu thùng Để chôn cất các thùng bã thải có hoạt độ thấp đã được xử lý và lưu giữ tạm thời tại các nhà máy, người ta xây những hầm xi măng ở độ sâu 10 m cho các thùng bã thải vào hầm, đổ xi măng lấp kín, sau đó trong khoảng thời gian từ 30-300 năm hoặc sau 300 năm, thì hoạt độ phóng xạ của chất thải sẽ <0,01mSv/h khi đó bã thải được coi như đất tự nhiên Với cách quản lý như trên, đối với chất thải có hoạt độ thấp không có nhiều vấn đề phải bàn cãi Tuy nhiên, vấn đề khó khăn nhất hiện nay đối với các nhà khoa học cũng như đối với dư luận của dân chúng là vấn đề xử lý và quản lý chất thải phóng xạ có hoạt độ cao

Đối với chất thải quặng uran Ngoài phương pháp chôn cất trong lòng những kho đã khai thác xong, không còn sử dụng nữa, người ta cũng có thể áp dụng phương pháp chôn cất nông

II.2.4 Chôn cất dưới các tầng địa chất

Chôn cất chất thải phóng xạ sâu dưới lòng đất có những đặc tính thích hợp cho chôn cất HLW Chôn cất dưới tầng địa chất được xem là cách có hiệu quả nhất để cách ly HLW khỏi môi trường của con người bằng cách sử dụng các công nghệ hiện tại và không đòi hỏi sự kiểm tra hoạt độ phóng xạ trong khoảng thời gian dài Điều này đã được thừa nhận ở phạm vi quốc tế và thiết lập các chương trình quan trọng để quản lý HLW ở hầu khắp các nước

Các đặc điểm chủ yếu của chôn cất chất thải sâu dưới lòng đất là:

* Bị ảnh hưởng bởi những sự biến động trên bề mặt như các hiện tượng tự nhiên và các tác động của con người

* Sự biến đổi của các vật liệu bị hạn chế do các điều kiện hoá học ổn định

* Di chuyển của các hạt nhân phóng xạ bị hạn chế do các dòng nước ngăn chặn

Quy trình để chôn cất dưới các tầng địa chất được thực hiện như sau:

* Theo chính sách tái xử lý thanh nhiên liệu đã cháy, thanh nhiên liệu đã

sử dụng, sau khi được bảo quản theo phương pháp khô hoặc ướt trong vòng 30-50 năm tại các kho lưu giữ tạm thời trong nhà máy điện hạt nhân cho nguội bớt và giảm bớt hoạt tính phóng xạ được đưa vào nhà máy tái chế để thu hồi urani và plutoni

* Tại nhà máy tái chế thanh nhiên liệu sẽ thải ra các dung dịch có hoạt độ phóng xạ cao, các dung dịch này sẽ được xử lý bằng các thuỷ tinh hoá, đóng trong các contener đặc bịêt lưu giữ tại các kho chứa tạm thời (bảo quản lạnh) trong vòng 50 năm

* Chuyển xuống chôn cất trong các kho ở sâu dưới lòng đất > 300m hiện các kho này mới đang chỉ nằm trong kế hoạch chọn địa điểm và xây dựng (ví dụ

ở Nhật Bản có kế hoạch sẽ đưa kho chứa kiểu này vào hoạt động trong khoảng thời gian của những năm 2033 – 2038)

II.3 phương pháp xử lý thải rắn và lỏng từ quá trình khai thác và chế biến quặng urani

Quá trình xử lý thải rắn và lỏng thuộc trách nhiệm của cơ sở khai thác chế biến quặng urani Các biện pháp an toàn và xử lý thải phải được tính toán từ khi thiết kế lựa chọn công nghệ khai thác xử lý quặng, chọn địa điểm xây dựng nhà máy và khu vực thải (tính đến các yếu tố khí hậu, khí tượng thuỷ văn, địa hình,

địa chất, quy hoạch chung về sử dụng đất và khả năng dễ tẩy xạ cũng như chôn cất lâu dài của bã thải)

Nhiều cải tiến công nghệ đã được nghiên cứu triển khai nhằm giảm diện tích khu vực phải làm việc với chất phóng xạ, giảm lượng quặng phải xử lý bằng tác nhân hoá học dẫn tới làm giảm lượng chất thải phóng xạ gây nguy cơ ô nhiễm môi trường Để giảm lượng chất thải lỏng, việc tái sử dụng nước trong một chu trình sử dụng nước khép kín được nhiều cơ sở sản xuất áp dụng

Các chất thải lỏng và rắn nói chung phải qua giai đoạn xử lý để thu hồi và giảm nồng độ các đồng vị phóng xạ tới giới hạn cho phép

Xử lý thải lỏng bao gồm 2 giai đoạn chính:

- Trung hoà dung dịch đến pH=10 bằng sữa vôi Quá trình trung hoà dung dịch thải có tác dụng khử axit hoặc kiềm dư Trong sơ đồ hoà tách dùng axit nhiều kim loại chuyển vào kết tủa: Fe, Pb, As, Mn, Ra

- Để tách triệt để rađi khỏi dung dịch, thực hiện quá trình cộng kết bằng cách thêm 1 lượng nhỏ muối BaCl2 (0,05-0,3g/l) nhờ đó lượng Ra226 trong dung dịch thải giảm 90-97%, cho phép nhiều trường hợp thải lỏng trực tiếp vào nguồn nước hở

Các số liệu trong bảng 1 [9] cho thấy kết quả sử dụng BaSO4, BaCO3 và BaCl2 để xử lý radi Từ đó thấy rằng BaCl2 là tác nhân kết tủa radi hiệu quả nhất

Bảng 1: Kết quả sử dụng muối bari để tách rađi từ thải lỏng của quá trình

xử lý quặng [9]

Nồng độ rađi (àCi.10 -8 /ml) Môi trường Tác nhân

Lượng tác nhân g/l Trước khi xử

lý Sau khi xử lý

Hiệu suất loại rađi (%)

Kết tủa thu được từ quá trình thải lỏng chuyển vào khu vực chứa bã thải

Bãi chứa thải rắn và lỏng là một bộ phận của nhà máy xử lý quặng để sản xuất uran kỹ thuật Toàn bộ đuôi thải từ quá trình hoà tách sau khi trung hoà bằng sữa vôi cùng bã kết tủa khi xử lý thải lỏng (dưới dạng bùn nhão chứa 45% chất rắn) được tập trung về khu vực chứa thải ở khoảng cách nhất định (3km) từ nhà máy Khu vực chứa thải được bao quanh bằng các đê chắn làm từ vật liệu tại chỗ (đất đá từ khu vực khai thác), chiều cao nâng dần bằng chính bã thải rắn từ quá trình xử lý quặng Diện tích khu vực chứa thải phù hợp đối với nhà máy công suất 1000 tấn quặng/ngày là 16 ha Đối với nhà máy công suất lớn hơn thì diện tích bãi chữa > 40 ha

Khi kết thúc hoạt động của nhà máy, cần xúc tiến những hoạt động lưu giữ dài hạn và tái tạo môi trường tại khu vực bãi thải Để giảm lượng radon trong khu

vực này, bãi thải cần được phủ lớp đất đá dày Sau đó phủ xanh bằng cây xanh hoặc thảm cỏ

Sau hơn 40 năm hoạt động kể từ năm 1946, công ty Wismut (Đức) đã sản xuất được 231.000 tấn urani và xếp vào hàng thứ 3 trên thế giới sau Canada và

Mỹ trong lĩnh vực này Tổng lượng quặng urani Wismust đã khai thác khoảng

240 triệu tấn tương ứng với một lượng đất đá thải khoảng 700 triệu tấn từ quá trình khai thác Các hoạt động kể trên đã tạo thành hơn 312 triệu m3 chất thải từ quá trình tuyển và xử lý hoá học chứa tại 14 cơ sở đã ngừng hoạt động

Các đống lớn đuôi quặng thải có thể tích hàng triệu m3 kể trên phải được di dời xa khu dân cư hoặc xử lý tại chỗ để vĩnh viễn không tiếp tục di chuyển phát tán chất bụi bẩn chứa phóng xạ alfa gây tác động lâu dài, đặc biệt tránh xuất hiện radon và các đồng vị phóng xạ con cháu vào môi trường khí

Việc xử lý các đống lớn đuôi quặng thải bao gồm xác định các thông số

về phóng xạ, hóa học và sau đó che phủ bằng các lớp đất khác nhau với chiều dày 1,9m (0,4m lớp đất khoáng và 1,5m đất trồng trọt), đồng thời tạo thảm thực vật

và định hướng dòng chảy lâu dài cho nước bề mặt

Đối với các ao chứa bùn thải từ quá trình xử lý quặng urani, công việc hoàn thổ bao gồm : tách và xử lý nước tự do từ ao, che phủ bề mặt lớp bùn lắng bằng các vật liệu nhân tạo thích hợp tạo bờ ngăn và che phủ bằng đất đa từ quá trình khai thác, lâp đất trồng trọt và tạo thảm thực vật, đồng thời tiếp tục theo dõi

xử lý nước từ khu vực

phần thực nghiệm

III Đặt vấn đề của đề tài

III.1- Nhận xét chung về chất thải của quá trình thuỷ luyện quặng uran

Trong quá trình thuỷ luyện quặng để thu hồi urani theo phương pháp hoà tách đống tạo ra chất thải rắn và lỏng có đặc điểm chung là hoạt độ phóng xạ thấp và khối lượng lớn

Lượng thải lỏng bằng 1-3 tấn thải/tấn quặng đầu tuỳ thuộc vào sơ đồ công nghệ được áp dụng Thải lỏng từ cơ sở thuỷ luyện quặng uran là chất độc hại phóng xạ đối với môi trường xung quanh vì có chứa Ra226, Th230, Pb, Fe,

Lượng chất thải rắn nói chung bằng lượng quặng đầu đưa vào xử lý, song

có cỡ hạt mịn và ngậm một lượng axít Sau quá trình hoà tách bằng axít H2SO4 phần chủ yếu urani đã được tách ra khoảng 80-95%, song tới 98-99% rađi và 20% thori còn nằm lại trong bã rắn Nói chung sau quá trình xử lý quặng để thu sản phẩm urani kỹ thuật, khoảng 70% các chất phóng xạ (bao gồm hầu như toàn

bộ Ra226và Th230) chuyển vào bã thải rắn

Về mặt phóng xạ trong cả chất thải rắn và lỏng của quá trình thuỷ luyện quặng uran đều có chứa một lượng đồng vị phóng xạ cao hơn tiêu chuẩn an toàn bức xạ Dưới tác động của các điều kiện môi trường, chất phóng xạ nằm trong chất thải rắn và lỏng còn tiếp tục xâm nhập và gây ảnh hưởng xấu nếu không có biện pháp xử lý, ổn định, theo dõi và quản lý cần thiết

III.2- Mục tiêu của đề tài

- Xây dựng được các quy trình công nghệ thích hợp xử lý chất thải phóng xạ rắn

và lỏng có chứa uran, rađi, thori và một số kim loại nặng trong quá trình thuỷ luyện quặng uran

- Đề xuất phương pháp quản lý và cất bã thải phóng xạ sau khi đã xử lý

- Thiết kế chế tạo thiết bị kết tủa và trao đổi ion sử dụng cho khu xử lý tại Phùng

III.3- Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng

để tách uran, thori, rađi và một số kim loại nặng bằng phương pháp kết tủa

- Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng

để tách hoàn toàn uran, thori, rađi và một số kim loại nặng bằng phương pháp trao đổi ion

- Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý chất thải phóng xạ dạng rắn từ các chất thải rắn của quá trình xử lý quặng uran

- Thiết kế chế tạo thiết bị kết tủa xử lý nước thải có hàm lượng các nguyên tố phóng xạ

- Thiết kế chế tạo thiết bị trao đổi ion xử lý nước thải có hàm lượng các nguyên

tố phóng xạ thấp

IV- Xác định đặc tính nguồn chất thải từ quá trình nghiên cứu xử lý quặng uran bằng phương pháp trộn ủ và hòa tách đống do viện công nghệ xạ hiếm thực hiện

Nguồn phát sinh chất thải phóng xạ của quy trình xử lý quặng uran bằng phương pháp trộn ủ chủ yếu gồm:

Chất thải rắn: - Bã quặng sau khi trộn ủ rửa thu hồi uran

- Bã thải (bùn) chứa Ra sau kết tủa cộng kết chất thải lỏng Chất thải lỏng: Nước thải sau trao đổi ion và lọc thu hồi uran kỹ thuật

- Đã phân tích mẫu nước thải và bã thải sau xử lý quặng uran bằng kỹ thuật đo hoạt độ anpha, gamma do Trung tâm Kỹ thuật an toàn và môi trường thực hiện

- Cán bộ Trung tâm Xử lý chất thải phóng xạ và môi trường đã tiến hành thực nghiệm và phân tích mẫu

Kết quả hàm lượng các nguyên tố của bã thải tính theo U, Th, Fe, Pb và hoạt độ phóng xạ Ra thể hiện trong bảng 2:

Bảng 2- Hàm lượng các nguyên tố của thải rắn

Nguyên tố Hàm lượng trong bã (%) Hoạt độ phóng xạ

Kết quả hàm lượng các nguyên tố của nước thải sau khi trao đổi ion để thu uran

kỹ thuật tính theo U, Th, Fe, Pb và hoạt độ phóng xạ Ra thể hiện trong bảng 3

Bảng 3- Hàm lượng các nguyên tố của thải lỏng

Nguyên tố Hàm lượng (mg/lit) Hoạt độ (KBq/lit)

Nhận xét: So sánh với tiêu chuẩn thải của bã thuỷ luyện quặng phóng xạ, hoạt độ

phóng xạ của Ra226 và các đồng vị (96 KBq/Kg) và pH của mẫu vượt giới hạn

theo tiêu chuẩn an toàn bức xạ của IAEA 111.F, TCVN 4397-87 (Giới hạn cho

phép hoạt độ phóng xạ <1,7 KBq/kg) Do đó để giảm hoạt độ phóng xạ và tăng

độ pH, đề tài đã tiến hành khảo sát các thông số cơ bản nhằm ổn định hoá bã

thải Đối với nguồn thải phóng xạ nêu trên chúng tôi nghiên cứu tách Ra và Th ra

khỏi nước thải

V- Khảo sát thử nghiệm công nghệ, xây dựng quy trình xử lý nước thải

phóng xạ từ quá trình thuỷ luyện quặng uran bằng phương pháp đồng kết

tủa

V.1-Nghiên cứu tách Ra từ nước thải của quá trình thu hồi uran

Đây là phương pháp cơ bản của nhiều nước trên thế giới đã và đang sử

dụng để tách Ra từ nước thải của quá trình sản xuất uran Tuy nhiên, với công

nghệ và đặc điểm của quặng uran tại Việt Nam, đề tài đã tập trung xử lý nước

thải phóng xạ theo phương pháp này

Các quá trình thực nghiệm và kết quả thu được như sau:

V.1.1.1- Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình tách Ra

pH của nước thải ban đầu: pH=1,5

Tác nhân để thay đổi pH: Sữa vôi

Máy đo pH, các dụng cụ thí nghiệm

Tiến hành : Chúng tôi lấy 1 lít nước thải ban đầu sau đó trung hoà bằng sữa vôi

với các giá trị pH khác nhau ở mỗi giá trị pH, chúng tôi lọc kết tủa, nước lọc

được đem đi phân tích Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình tách

Nhận xét: Khi thay đổi pH thì khả năng tách Ra cũng thay đổi, giá trị pH càng

cao thì Ra sẽ bị tách ra khỏi dung dịch càng tốt, tại thời điểm dung dịch pH=10

thì hoạt độ phóng xạ của nước thải đã giảm đáng kể

V.1.1.2- Nghiên cứu mối quan hệ của CaO với dung dịch nước thải

Một vấn đề quan trọng trong các quá trình công nghệ xử lý nước thải

phóng xạ là phải tuân thủ nguyên tắc ALARA Chính vì vậy, nhóm đề tài đã

nghiên cứu mối quan hệ giữa lượng tiêu thụ của CaO với thể tích nước thải

Kết quả thí nghiệm mối quan hệ của CaO với dung dịch nước thải được thể hiện

Nhận xét: Từ kết quả trên, chúng tôi thấy rằng trong 10 lít nước thải, để có giá

trị pH=10 chúng ta chỉ cần thêm vào 132 g CaO Điều này rất hữu ích cho qui mô

xử lý công nghiệp và tính toán chi phí cho quá trình xử lý thải xạ khi chế biến

quặng uran ở qui mô công nghiệp

V.1.1.3- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng BaCl 2 đến kết quả tách Ra

Lấy 1 lít nước thải của quá trình trao đổi ion sau khi thu hồi uran, dùng sữa

vôi điều chỉnh đến pH=8, thêm lượng BaCl2 vào (lượng BaCl2 sẽ thay đổi khác

nhau theo các thí nghiệm), khuấy 30 phút, sau đó điều chỉnh pH đến pH=10,

khuấy tiếp 20 phút, để lắng, lọc, lấy nước đem phân tích, kết quả được thể hiện ở

tách Ra là đạt tốt nhất đồng thời hàm lượng Uran trong nước thải cũng giảm đáng

kể (gần 10 lần so với phương pháp không BaCl2)

V.1.1.4- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn đến quá trình tách

Ra

Mẫu thí nghiệm được điều chỉnh đến pH=10, thêm vào đó 30 mg BaCl2 /l, sau

đó thay đổi thời gian khuấy, nước lọc được đem đi phân tích Kết quả nghiên cứu

được thể hiện trong bảng 7

Bảng 7- ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn đến quá trình tách Ra

Thời gian khuấy trộn (Phút) Hàm lượng Ra còn lại (Bq/l)

khoảng 20 - 30 phút thì khả năng tách Ra ra khỏi dung dịch là hoàn toàn đạt yêu

cầu về an toàn phóng xạ, hoạt độ phóng xạ trong nước thải để thải ra môi trường

đáp ứng được các yêu cầu về nước thải của IAEA, TCVN 4397-87

V.1.1.5- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến tốc độ lắng BaSO 4 RaSO 4

Một trong những thông số quan trọng trong quá trình tách rađi bằng

phương pháp kết tủa cộng kết là thời gian lắng của chất đồng kết tủa Đây là một

thông số công nghệ rất quan trọng, vì biết được thời gian khi chất kết tủ lắng,

chúng ta mới thải được phần nước trong ra môi trường và từ đó mới tính toán

được các thông số khi xây dựng bể của quá trình xử lý nước thải trong quá trình

xử lý quặng uran

có chất phụ gia tạo lắng

Lấy 950 ml nước thải phóng xạ có chứa Ra có chứa Ra của qúa trình hoà

tỏch đống (thành phần cỏc nguyờn tố theo bảng 3 ), thờm vào đú 30ml sữa vụi,

điều chỉnh pH của dung dịch bằng 8, thờm vào đú 30 mg BaCl2, khuấy đều, sau

đú điều chỉnh pH của khối dung dịch bằng 10 Tổng thể tớch của dung dịch là

1lớt Chuyển toàn bộ khối dung dịch đú vào ống đong cú thể tớch 1 lớt, khuấy đều

và sau đú để lắng Chỳng tụi đó theo dừi tốc độ lắng của khối kết tủa theo thời

gian Kết quả trỡnh bày trong bảng 8:

Bảng 8- Ảnh hưởng của thời gian đến tốc độ lắng

Thời gian (ngày) Chiều cao của kết tủa (mm) Hiệu suất lắng (%)

Nhận xột: Qua kết quả thớ nghiệm trờn, chỳng tụi nhận thấy rằng, khả năng lắng

của kết tủa BaSO4.RaSO4 rất kộm, tốc độ lắng cực chậm, thời gian để lắng rất lõu

( cú thể kộo dài hơn 2 thỏng) Điều này ảnh hưởng tới quỏ trỡnh xử lý nước thải,

muốn cho tốc độ lắng nhanh hơn thỡ phải tăng hàm lượng của BaCl2 lờn gấp

hàng trăm lần gõy ra tăng lượng bó kết tủa, lóng phớ húa chất và chi phớ xử lý

tăng

V.1.1.5.b-Nghiờn cứu ảnh hưởng của thời gian đến tốc độ lắng kết tủa

Chỳng ta đó biết rằng ở một số quốc gia, để tăng tốc độ lắng của kết tủa

BaSO4.RaSO4, người ta thờm một số chất phụ gia là cỏc hợp chất cú mạch cỏc

bon dài Ở phần thớ nghiệm này chỳng tụi sử dụng chất phụ gia axit stearic 1%

Cỏch nghiờn cứu thớ nghiệm cũng tương tự như ở trờn, chỉ cú khỏc là bổ

sung thờm vào khối dung dịch axit stearic 1%

Kết quả thu được trỡnh bày trong bảng 9

Bảng 9- Ảnh hưởng của thời gian đến quỏ trỡnh lắng của kết tủa BaSO4.RaSO4

Nhận xột: Qua kết quả trờn, chỳng tụi thấy rằng;

Khi thờm chất phụ gia là axit stearic 1% thỡ tốc độ lắng của chất kết tủa

BaSO4.RaSO4 nhanh hơn từ 2 đến 3 lần so với khi khụng sử dụng chất phụ gia

-Cú chất phụ gia thỡ khả năng lắng “kiệt” hơn Chiều dày của bó rắn khi cú chất

phụ gia là 180mm, cũn khụng cú chất phụ gia thỡ chiều dày của bó rắn là 220mm

Điều này rất hữu ớch khi chỳng ta xử lý một khối lượng lớn nước thải trong quỏ

trỡnh chế biến quặng urani tại mỏ

Từ tất cả các nghiên cứu trên, nhóm đề tài đưa ra sơ đồ quy trình công

nghệ tách Ra trong nước thải phóng xạ của quá trình thu hồi uran bằng phương

pháp trao đổi ion của trung tâm công nghệ xử lý quặng được thể hiện ở Hình 6

Quy trình công nghệ tách rađi từ nước thải:

- Lấy 50 lít dung dịch nước thải có chứa rađi với hàm lượng của các nguyên tố đã

nêu ở trên, chuyển vào thùng thiết bị kết tủa, tốc độ khuấy 240 v/ph

- Cho thêm sữa vôi có nồng độ 13,2 g CaO/ l vào dung dịch chứa trong thùng, khuấy điều chỉnh pH của dung dịch đến 8

- Cho thêm vào dung dịch chứa trong thùng một lượng BaCl2 30mg/l (khoảng 75

mg BaCl2 2H2O), khuấy 20 phút

- Điều chỉnh pH của dung dịch trong thùng đạt tới 10 bằng sữa vôi và thêm vào

đó 500 ml dung dịch axit stearic 1%, khuấy tiếp khoảng 10 phút nữa cho rađi kết

tủa cộng kết hoàn toàn với BaSO4 Mở van tháo dung dịch ra thùng chứa

- Để lắng trong thùng chứa khoảng 20 ngày sau đó xi phông hoặc lọc ly tâm, bùn

bã thải được tập trung để xi măng hoá và cất giữ tại kho chứa theo quy định Phần

dung dịch lỏng có chứa thori, uran được đem đi xử lý tiếp (bằng phương pháp trao đổi ion)

Kết quả phân tích hàm lượng các nguyên tố của nước thải sau khi kết tủa cộng kết được nêu trong bảng 10

Bảng 10- Hàm lượng các nguyên tố của thải lỏng

Nguyên tố Hàm lượng (mg/lit) Hoạt độ (Bq/lit)

Dung dịch có Th

Trao đổi ion

V.1.2 Tách Ra bằng phương pháp sử dụng Mn(OH) 2

Trong công nghệ của Trung tâm công nghệ xử lý quặng để hòa tách uran

ra khỏi quặng thì có cho thêm vào đó một lượng chất oxy hoá là KMnO4 hoặc

MnO2 tương đối lớn, do vậy trong nước thải phóng xạ sẽ có một lượng lớn muối

Mn2+ Nhóm đề tài đã nghiên cứu thêm một chuyên đề về khả năng tách Ra ra

khỏi dung dịch bằng tác nhân Mn(OH)2 hoạt hóa Dung dịch thải của quá trình

thu hồi uran bằng sắc ký trao đổi ion đã được chúng tôi lấy làm dung dịch đầu

vào để nghiên cứu Các số liệu phân tích các đồng vị phóng xạ có trong dung

dịch thải được thể hiện trong bảng 3

Bảng 3- Hàm lượng các nguyên tố của thải lỏng

Nguyên tố Hàm lượng (mg/lit) Hoạt độ (KBq/lit)

Theo các tài liệu tham khảo, để tách Ra từ dung dịch, hàm lượng của ion

Mn2+ phải cao hơn 64mg/l Theo các số liệu phân tích ở trên, chúng tôi thấy rằng

cần phải bổ sung thêm một lượng Mn Tác nhân chúng tôi dùng để nghiên cứu là

muối MnSO4 Cách tiến hành thí nghiệm như sau:

Lấy 1 lít nước thải ở trên, bổ sung thêm các khối lượng muối Mn2+ khác

nhau, điều chỉnh pH của dung dịch đến 10 bằng sữa vôi, khuấy trong thời gian 1

giờ Sau đó lọc, dung dịch sau khi lọc được đem đi phân tích Kết quả quan hệ

giữa nồng độ Mn2+ tới khả năng tách Ra được thể hiện ở bảng 11:

Bảng 11- ảnh hưởng của nồng độ Mn(2+) tới quá trình tách Ra

Tổng hàm lượng

Mn(2+)

Hàm lượng U(mg/l)

Hàm lượng Th(mg/l)

Hoạt độ Ra226(Bq/l)

Nhận xét: Từ kết quả trên, chúng ta thấy rằng khi hàm lượng của ion Mn2+ tăng thì khả năng tách Ra từ dung dịch càng tốt Tổng hàm lượng của ion Mn tốt nhất

Bảng 12- ảnh hưởng của pH tới quá trình tách Ra

pH dung dịch Hàm lượng U

(mg/l)

Hàm lượng Th (mg/l)

Nhận xét: Từ các kết quả trên chúng tôi nhận thấy rằng: Với giá trị pH đạt từ 10

đến 11 thì khả năng tách Ra đạt giá trị tốt nhất Tuy nhiên với hoạt độ phóng xạ này của dung dịch nước thải thì khả năng thải ra môi trường bị hạn chế do vẫn cao hơn tiêu chuẩn an toàn môi trường bức xạ của IAEA

Kết luận :

- Khả năng tách Ra và các đồng vị phóng xạ từ nước thải phóng xạ sau quá trình trao đổi Ion để thu hồi uran từ quặng là hoàn toàn có thể thực hiện được tại Viện Công nghệ xạ hiếm, đảm bảo các tiêu chuẩn về an toàn phóng xạ của nước thải môi trường

- Trong hai phương pháp đã nghiên cứu, phương pháp sử dụng BaCl2 là tác nhân

đồng kết tủa để tách Ra có ưu thế vượt trội hơn phương pháp sử dụng muối Mn Vì phương pháp sử dụng BaCl2 công nghệ đơn giản, khả năng tách Ra tốt hơn, chi phí ít hơn, nước thải sau khi xử lý hoàn toàn đạt được các tiêu chuẩn về an toàn phóng xạ của IAEA

VI- Nghiên cứu quá trình tách thori ra khỏi nước thải phóng xạ từ quá trình thu hồi uran

VI.1.Nghiên cứu xây dựng quy trình tách thori từ nước thải phóng xạ bằng phương pháp trao đổi ion

Dung dịch thu được sau khi tách rađi phải được thu hồi bởi vì trong dung dịch này luôn luôn có một lượng nhỏ thori, nếu không tách ra thì sẽ không thể thải ra môi trường được Vì đây là một lượng thori rất nhỏ, do đó nhóm đề tài đã dùng phương pháp trao đổi ion để tách thori

VI.1.1- Dùng nhựa trao đổi cation KPS-110 (Đức), cột trao đổi ion d=10cm, H=0,5m

Xử lý nhựa: Nhựa trao đổi cationit KPS -110 do Đức sản xuất được chúng tôi mua về, ngâm vào trong nước (Thêm vào nước khoảng 5% cồn sạch ), sau đó nhựa được chuyển dạng sang Na+ bằng dung dịch Na2SO4 10% Nhựa sau khi đã

được phơi khô và đem sử dụng cho công tác nghiên cứu

Để xác định dung tích trao đổi của nhựa, nhóm đề tài đã sử dụng dung dịch Th(NO3)4 tinh khiết do Nga sản xuất Sau đó đã tiến hành chuyển về dạng Th(SO4)2 để nghiên cứu (Dung dịch thải phóng xạ sau khi thu hồi uran cũng ở dạng SO4(2-)) Để tiến hành xác định dung tích trao đổi, chúng tôi đã tiến hành như sau :

Sử dụng 10 bình định mức 250ml, thêm vào mỗi bình 1g nhựa trao đổi ion, thêm vào mỗi bình 150 ml dung dịch Th(4+) có nồng độ 1mg/ml, pH của dung dịch

=2,5; lắc đều, để qua đêm, xác định lượng Thori còn lại bằng phương pháp phân tích thể tích Chúng tôi đã lặp lại các thí ngiệm ba lần Kết quả trung bình được thể hiện ở bảng 13

Bảng 13- Dung lượng trao đổi nhựa cation với ion Th(4+)

Từ các kết quả thực nghiệm ở trên, chúng tôi đã xác định được dung lượng trao

đổi của nhựa cation KPS-110 đối với ion Th(4+)

Dung lượng trao đổi của nhựa đối với ion Th4+ là: 83,5 mg Th/1g nhựa khô

VI.1.3- Xác định các thông số của quá trình trao đổi ion đối với thori

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp thu Thori

Nồng độ axit( pH) có một vai trò rất quan trọng đến quá trình trao đổi ion do đó nhóm đề tài đã nghiên cứu rất kỹ lưỡng, quá trình thí nghiệm được lập lại ba lần với tác nhân là H2SO4 Nồng độ H2SO4 thay đổi từ 0,01 đến 0,5M, khối lượng thori đưa vào là 150mg, thể tích tổng của dung tích là 250ml, khối lượng nhựa

đưa vào là 1g Hiệu suất hấp thu được tính theo công thức:

H=(Số mg Th trên nhựa/ Số mg Th dung dịch trao đổi)x100

Kết quả trung bình được trình bày trong bảng 14

Bảng 14- ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp thu Thori

Nồng độ H2SO4(M) 0,01 0,025 0,05 0,1 0,25 0,5 Hiệu suất hấp thu(%) 85,6 92,5 98,8 80,6 72,4 65,2

Nhận xét : Từ kết quả trên, chúng tôi thấy rằng: ở giá trị nồng độ axit trong

dung dịch đạt 0,05M thì ion Thori được hấp thu gần như hoàn toàn trên cột Nước thải ra khỏi cột hầu như không có các đồng vị phóng xạ do đó có thể thải ra môi trường

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các ion đồng dạng tới quá trình hấp thu

Trong quá trình trao đổi ion, để tăng cường khả năng hấp thu của nhựa, đôi khi người ta thêm vào dung dịch cần hấp thu một lượng nhỏ muối có các ion

đồng dạng với ion cần hấp thu Trong phần nghiên cứu này nhóm đề tài đã sử dụng tác nhân là Na2SO4, nồng độ axit trong tất cả các mẫu thí nghiệm là 0,05M Kết quả thu được thể hiện ở bảng 15:

Bảng 15- ảnh hưởng của các ion đồng dạng đến quá trình hấp thu Thori

Nồng độ Na2SO4(%) 0,1 0,5 1,5 2,0 2,5 5,0 Hiệu suất hấp thu(%) 97,3 98,5 99,2 99,5 98,4 97,6

Nhận xét : Từ các kết quả trên, chúng tôi nhận thấy rằng: Tại thời điểm nồng độ

của dung dịch muối Na2SO4 đạt giá trị 2% thì Thori bị hấp thu hoàn toàn trên nhựa trao đổi cationit Khi ta tiếp tục tăng nồng độ của muối lên thì khả năng hấp thụ giảm xuống, điều này được giải thích là do sự cạnh tranh của ion Na(+) với ion Th4+ trong quá trình trao đổi của nhựa

Nồng độ của tác nhân cần trao đổi trong phương pháp sắc ký trao đổi ion có một vai trò hết sức quan trọng Tuỳ theo nồng độ của tác nhân mà hiệu suất hấp thu trên nhựa cũng khác nhau Một trong những mục tiêu quan trọng của đề tài là đào tạo cán bộ, do đó nhóm đề tài đã đã nghiên cứu chuyên đề về ảnh hưởng của hàm lượng Thori đến khả năng trao đổi của nhựa Khối lượng của Thori thay đổi theo các mẫu thí nghiệm là: 5mg/l, 10mg/l, 15mg/l , 20mg/l, 25mg/l ,30mg/l Nồng

độ axít trong dung dịch được cố định là 0,05M, nồng độ muối sunphát là 2% Thể tích tổng thể của dung dịch là 250ml Sau khi kết thúc các thí nghiệm, chúng tôi đã xác định được hiệu suất của quá trình trao đổi ion Kết quả thu được trình bày trong bảng 16:

Bảng 16- ảnh hưởng của nồng độ Th(4+) đến quá trình trao đổi ion

Hiệu suất hấp thu (%) 82,7 85,3 86,9 87,4 87,8 89,3

Nhận xét : Qua thí nghiệm trên, chúng tôi thấy rằng : Khi khối lượng Thori trong dung dịch hấp thu thấp thì khả năng trao đổi của nhựa giảm xuống Điều này

được giải thích là do có sự cạnh tranh của các ion khác có trong dung dịch Tuy nhiên trong dung dịch thải phóng xạ thì hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ cực kỳ thấp, do đó khả năng tách các nguyên tố này cũng sẽ bị ảnh hưởng Tuy vậy đây vẫn là phương pháp hữu hiệu nhất để tách các nguyên tố phóng xạ có trong dung dịch thải vì hàm lượng các nguyên tố phóng xạ có trong dung dịch khi đi ra khỏi cột trao đổi ion vẫn thấp hơn tiêu chuẩn cho phép (< 0,001mg/l )

VI.1.5- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất quá trình

trao đổi ion

Bản chất của quá trình trao đổi ion là phản ứng dị thể giữa pha rắn (Nhựa trao đổi) và pha lỏng (dung dịch ), do đó thời gian tiếp xúc giữa hai pha là một yếu tố không thể bỏ qua Chúng tôi đã làm các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng

của thời gian đến quá trình hấp thụ của Thori trên nhựa trao đổi cationít KPS-

110 Các thông số công nghệ ở trên được giữ nguyên, thời gian hấp thu của nhựa

với dung dịch chứa thori thay đổi Tổng khối lượng thori có trong dung dịch hấp

thu là 150mg, khối lượng nhựa nghiên cứu là 1g, tổng thể tích dung dịch là 5L Kết quả được trình bày trong bảng 17

Bảng 17- ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất quá trình trao đổi ion

kLTh trong nhựa(mg) 45,7 72,6 79,5 80,3 80,5

kLTh trong dd(mg) 104,3 77,4 70,5 69,7 69,5

Nhận xét: Qua các kết quả trên, nhóm đề tài nhận thấy rằng sau thời gian 1,5

giờ thì hiệu suất hấp thu của nhựa trao đổi KPS-110 với dung dịch Thori tăng lên

không đáng kể, do đó thời gian để kết thúc quá trình trao đổi là 1,5 giờ là tốt nhất Thông số này rất quan trọng để tính toán khi chúng ta xử lý một lượng lớn

dung dịch chất thải phóng xạ có chứa thori với hàm lượng cực thấp

VI.1.6- Quy trình công nghệ tách thori và các đồng vị phóng xạ từ nước thải

của quá trình xử lý quặng uran

Từ các kết quả của các thí nghiệm trên, chúng tôi đã tiến hành tách thori

và các đồng vị phóng xạ còn lại trong nước thải sau khi đã tách Ra bằng dung dịch BaCl2 Nước thải sau khi lọc tách bã Ra được đem đi phân tích tại Trung tâm

phân tích Viện Công nghệ xạ hiếm Kết quả được thẻ hiện trong bảng10

Bảng 10- Hàm lượng các nguyên tố của thải lỏng

Nguyên tố Hàm lượng (mg/lit) Hoạt độ (Bq/lit)