[科普中國(guó)]-放射性廢物水泥固化

放射性廢液水泥固化就是將放射性廢液與水泥按一定比例摻和，經(jīng)凝固養(yǎng)護(hù)后制成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的水泥固化體的過程。水泥固化的目的是將具有流動(dòng)性、彌散性的放射性廢液轉(zhuǎn)變成物理、化學(xué)性能穩(wěn)定、不易彌散的固態(tài)廢物體，以便于裝卸、運(yùn)輸、貯存和處置;是中、低放（射性）廢物固化方法之一（見放射性廢物固化）。適于固化低放濃縮液、化學(xué)沉淀泥漿和廢離子交換樹脂，是最早用于工業(yè)的固化方法。

基材和添加劑固化中常用的基材是含鈣、鋁、鐵、鎂等成分的硅酸鹽水泥和火山灰硅酸鹽水泥。常用的添加劑有蛭石、沸石和硅藻土等，它們的作用有降低放射性核素的浸出率，提高固化體機(jī)械強(qiáng)度，吸收游離水等。

用水泥固化廢液時(shí)對(duì)水灰比(即廢液和水泥用量比)有一定要求。要獲得大的減容比應(yīng)采用高的水灰比，然而高的水灰比使固化體的含鹽量和含水量增加。含鹽量增加會(huì)降低固化體的機(jī)械強(qiáng)度，含水量增加會(huì)在水泥漿表面產(chǎn)生一層游離水。加入合適的添加劑雖能提高機(jī)械強(qiáng)度和消除游離水，但也使減容比降低和重量增加。因此必須權(quán)衡利弊，選用合適的水灰比和添加劑，一般水灰比不超過0.5。

方法主要有兩種：①桶內(nèi)混合法，廢液、水泥和蛭石等按比例加到作為貯存容器的金屬桶內(nèi)，用機(jī)械攪拌或加蓋密封后滾動(dòng)、振動(dòng)的方法使它們混勻；②桶外混合法，廢物和水泥在混合器內(nèi)混合，得到的漿料裝入貯存桶。

水泥固化的優(yōu)點(diǎn)是工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，可連續(xù)操作，也可在貯存容器中固化，進(jìn)行間歇操作；處理費(fèi)用低；無(wú)燃燒爆炸的危險(xiǎn)；水泥本身具有良好的防護(hù)屏蔽性能。主要缺點(diǎn)是浸出率高，約比瀝青固化體高 100～1000倍(見放射性廢物瀝青固化)；減容比小于1；固化體較重。

優(yōu)點(diǎn)水泥固化法之所以廣泛用于中、低放廢液的處理，是因?yàn)樗c其他固化技術(shù)（瀝青固化塑料固化）相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1:

1）設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，操作方便、安全

2）固化原料易得、價(jià)低，能耗小、成本低

3）不需要加熱，工作溫度低，不會(huì)發(fā)生火災(zāi)。

4）固化體機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱性好，抗輻照能力強(qiáng)

5）產(chǎn)品自屏蔽性能良好

6）易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作和自動(dòng)化控制。

缺點(diǎn)但是，該方法也具有一定的缺點(diǎn):

1）放射性核素特別是堿金屬核素的浸出率比較高，比瀝青固化體高2個(gè)數(shù)量級(jí)，比玻璃固化體高4～5個(gè)數(shù)量級(jí)。

2）固化體體積大于被固化的廢液體積，即固化過程不是減容，而是增容。實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)證明，最終產(chǎn)品的體積一般為原廢液體積的1.5～2倍，從而增加處置費(fèi)用。

3）對(duì)于高含鹽量的廢物，鹽分會(huì)干擾水泥的水化反應(yīng)，使水泥凝固不充分和使固化體在儲(chǔ)存過程中變質(zhì)而降低其機(jī)械強(qiáng)度。

4）固化工藝對(duì)廢水的pH值要求較高，需要預(yù)先調(diào)料。

5）操作過程中易產(chǎn)生粉塵，污染環(huán)境。

發(fā)展動(dòng)態(tài)水泥固化在一般有害廢物（如電鍍污泥、含汞泥渣、含砷泥渣等）處理中是一種較為成熟的方法。在放射性廢物的固化處理方面，水泥固化技術(shù)開發(fā)最早，至今已有40多年的歷史水泥固化中、低放廢物已是一種成熟的技術(shù)，已被很多國(guó)家的核電站、核工業(yè)部門和核研究中心廣泛采用，在德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、日本、印度等都有大規(guī)模工程化應(yīng)用。

主要研究

為了克服水泥固化的缺點(diǎn)，近年來，國(guó)內(nèi)外科技人員對(duì)其進(jìn)行了大量的研究開發(fā)工作主要包括以下幾個(gè)方面:

1）降低放射性核素的浸出率

各國(guó)研究人員提出了較多的方法，包括

1）對(duì)廢液進(jìn)行預(yù)處理，如用K2CuFe（CN和K2ZnFe(CN)6沉淀Cs，用活性炭除去Co。

2）利用添加劑降低銫、鍶的浸出率。

3）改常壓固化為加壓固化，使固化體致密化，減少與水接觸的表面積。

4）在水泥固化體表面敷加涂層（如瀝青、SiF4和有機(jī)聚合物等）。

其中以聚合物浸漬混凝土（PIC）獲得廣泛發(fā)展。其工藝過程為:先將水泥固化體加熱以獲得多孔結(jié)構(gòu)，然后在常壓或減壓下浸漬在苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯之類有機(jī)單體中，然后加熱或利用輻照使單體聚合。經(jīng)過這樣處理后的水泥固化體，其放射性核素的浸出率可降低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，抗壓強(qiáng)度可提高3個(gè)數(shù)量級(jí)。

比較有效的措施是先將廢物干燥脫水，進(jìn)行干鹽分固化。當(dāng)然水泥固化時(shí)，還需要加入2）降低固化體的體積定量的水，這樣包容的廢物量比原來高得多，而固化產(chǎn)品大約只有原廢液體積的0.125～0.25倍。

改善抗水浸出能力為了改善水泥固化體的抗水浸出能力，提高機(jī)械強(qiáng)度和增加廢物包容量，20世紀(jì)70年代中期開始研究用聚合物浸漬水泥固化體。此外還開始了用熱壓水泥固化法處理高放廢液的實(shí)驗(yàn)室研究。

①聚合物浸漬水泥固化體聚合物浸漬混凝土是一種新型建筑材料，它具有機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率極低、耐化學(xué)腐蝕和耐風(fēng)化等特點(diǎn)，特別適合于強(qiáng)腐蝕性場(chǎng)所使用。鑒于聚合物浸漬混凝土的這些特點(diǎn)，研究了用它作為中、低放廢物固化基材的可能性。工藝過程如下：先將廢物轉(zhuǎn)化為水泥固化體，真空脫水后放入含引發(fā)劑的聚合物單體溶液中浸漬，將浸漬后的水泥固化體加熱或輻照使單體聚合（見聚合反應(yīng)）。聚合后一般生成熱固性塑料，如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等。與普通水泥固化體相比，聚合物浸漬水泥固化體的性能有一定改善，如浸出率至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)，機(jī)械強(qiáng)度提高2倍左右。

②熱壓水泥固化高放廢液 一般水泥固化體的抗水浸出性能較差，強(qiáng)輻照下氣體輻解產(chǎn)物會(huì)使固化體破裂，因而水泥固化通常用于放射性水平較低的廢物。但是水泥經(jīng)熱壓處理后孔隙率可降到3%左右,機(jī)械強(qiáng)度提高約10倍。初步研究結(jié)果證明：將模擬高放廢液煅燒物和濕水泥粉混勻，然后在150～250℃、2.4×106帕下熱壓，可得到致密、不透氣、抗水浸出的固化體。它的機(jī)械強(qiáng)度與玻璃相似，比普通水泥高5～10倍。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉瑞桓 - 高級(jí)工程師 - 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心