Изучение синтеза и свойств железофосфатного цемента

УДК 502 (06) Экология и рациональное природопользование
Т.С. ВОЛКОВА, Е.С. ТАНКОВИЧ
Научные руководители – А.И. МАЛЫШЕВ, к.биол.н., профессор,
А.В. РЯКОВ1, инженер-исследователь,
А.В. КОБЯКОВ1, инженер-исследователь
Озерский технологический институт (филиал) МИФИ,
1Центральная заводская лаборатория ФГУП «МАЯК»
ИЗУЧЕНИЕ СИНТЕЗА
И СВОЙСТВ ЖЕЛЕЗОФОСФАТНОГО ЦЕМЕНТА
Описывается синтез и свойства железофосфатнных цементов (ЖФЦ) с включением имитаторов твердых радиоактивных отходов. Полученные данные позволяют рекомендовать их в качестве перспективных материалов для иммобилизации
твердых измельченных альфа-активных отходов.
В последние годы особый интерес у исследователей вызывают ортофосфорные соединения. На основе фосфатных связующих получены различные виды высокоэффективных жаростойких материалов, отличающихся термостойкостью, прочностью, малой плотностью, стойкостью в
агрессивных средах. Одним из преимуществ таких материалов по сравнению с керамическими и огнеупорными является возможность их получения без высокотемпературного обжига.
Весьма актуальным является использование ортофосфатов в качестве
потенциальных матриц для создания первого иммобилизационного барьера при захоронении радиоактивных отходов. Новый метод иммобилизации альфа-активных твердых отходов предполагает использование металлофосфатного связующего, которое образуется в результате взаимодействия ортофосфорной кислоты с оксидами металлов. Измельченные альфа-активные отходы смешиваются с данным связующим и при затвердевании смеси образуется твердый композит наподобие цементного блока.
Наиболее перспективными для этого с точки зрения стоимости и простоты технологии являются композиции на основе оксидов железа.
Целью настоящей работы являлось исследование технологии синтеза
железофосфатного цемента (ЖФЦ) с включением имитаторов ТРО.
Основным процессом при синтезе фосфатных связующих является
растворение в фосфорных кислотах (чаще всего применяется H3PO4)
окисных соединений.
Как показывают результаты исследования твердение пасты на основе
Fe2O3 и 60%-ной H3PO4 при 20оС происходит очень медленно, а достаточная прочность образцов достигается лишь через 10 суток. Наоборот, смесь
УДК 502 (06) Экология и рациональное природопользование
FeO и H3PO4 очень активна, твердение происходит быстро с выделением
большого количества тепла, что не позволяет остановить реакцию в определенный момент времени. Поэтому, для достижения оптимальных скоростей химических реакций, а следовательно оптимальных условий для
протекания структурообразующих процессов при твердении пасты требуется варьировать содержание FeO и Fe2O3 в смесях.
Большой практический интерес представляет в этом плане магнетит
Fe3O4, который является смешанным соединением FeO и Fe2O3, относящимся к классу шпинелей. Выбор магнетита в качестве основного компонента шихты обусловлен его распространенностью не только в природе,
но и и в отходах металлургического производства (прокатная окалина). В
работе использовали магнетит, приготовленный из соли Мора и хлорида
железа (III). Важной характеристикой цементоподобных связывающих
материалов является величина их удельной поверхности. Измерение
удельной поверхности полученных образцов железофосфатных порошков
проводили методом газовой адсорбции с помощью установки СОРБИ
N.4.1. В качестве газа-носителя использовался гелий, а газа-адсорбата жидкий азот. Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые образцы имеют достаточную пористость. Для формирования прочных железофосфатных матриц необходимо знать не только состав и свойства структуры магнетита, но и примерный состав отходов, так как фосфорная кислота способна бурно реагировать с оксидами стронция, бария,
кальция и марганца, а также с их карбонатами. Проведенные в этом
направлении исследования показали, что для каждого вида отходов потребуется, по-видимому, подбирать свое оптимальное соотношение оксидов железа, так чтобы матрица имела приемлемую механическую и химическую стойкость при максимальном содержании твердых радиоактивных
отходов.
В целом результаты проделанной работы позволяют заключить, что
отсутствие вторичных отходов, невысокая стоимость материалов, а также
низкие энергозатраты (процесс ведется при комнатной температуре) делают железофосфорные цементы перспективным материалом для иммобилизации твердых измельченных альфа-активных отходов. Однако недостаток информации по данной теме требует уточнения основных параметров ЖФЦ с точки зрения его надежности и долговечности.