Bài viết trình bày các nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần tác nhân goepolyme, tỷ lệ CTPX/tác nhân geopolyme, tỷ lệ chất phụ gia bentonit, tro bay tới độ bền cơ học và hóa học của khối sản phẩm sau khi đóng rắn.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GEOPOLYME HÓA ĐỂ ĐÓNG RẮN CHẤT THẢI PHĨNG XẠ DẠNG LỎNG ĐÃ CƠ ĐẶC CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN Trong trình vận hành bảo dưỡng nhà máy điện hạt nhân thường sinh lượng lớn chất thải phóng xạ (CTPX) dạng lỏng Sau q trình xử lý hóa học, trao đổi ion cô đặc thu CTPX dạng lỏng đậm đặc Để thỏa mãn tiêu chuẩn kiện chất thải trước chôn cất, cần phải chuyển CTPX dạng lỏng đậm đặc sang trạng thái rắn Trong báo nghiên cứu áp dụng phương pháp geopolyme hóa để đóng rắn mẫu giả CTPX có thành phần với dung dịch CTPX cô đặc từ nhà máy điện hạt nhân Các thông số công nghệ thành phần hốn hợp tác nhân tham gia phản ứng geopolyme, tỷ lệ phối trộn tác nhân phản ứng với lượng CTPX, lượng chất phụ gia bentonit, tro bay nhà máy nhiệt điện, độ bền học khả hòa tách hạt nhân phóng xạ khỏi khối sản phẩm đóng rắn nghiên cứu Đặt vấn đề gia bentonit, tro bay tới độ bền học hóa học Trong loại chất thải phóng xạ phát khối sản phẩm sau đóng rắn sinh từ nhà máy điện hạt nhân (NM ĐHN) chất Vật liệu phương pháp nghiên cứu thải phóng xạ dạng lỏng hoạt độ thấp trung bình chiếm tỉ lệ lớn., CTPX dạng 2.1 Vật liệu lỏng sau làm đậm đặc đóng rắn phương pháp xi măng hóa, bitum hóa geopolyme hóa So với phương pháp xi măng hóa bitum hóa geopolyme hóa phương pháp tương đối thể số đặc tính ưu việt như: tỷ lệ CTPX/tác nhân geopolyme lớn hơn, sản phẩm sau đóng rắn có độ bền học hóa học lớn [1,2,3]… Mẫu CTPX: Thơng thường nước thải từ khu vực NM ĐHN, thu gom, phân loại theo nguồn gốc hoạt độ cô đặc qua nhiều bước (kết tủa, bay hơi, trao đổi ion,…), phần lớn thực cô đặc chân không để thu CTPX đậm đặc có hàm lượng Bo muối khác cao thay đổi khoảng rộng [4] Trong hàm lượng Bo từ vài chục Báo cáo trình bày nghiên cứu đến vài trăm g/L, quan tâm có ảnh hưởng thành phần tác nhân goepolyme, ảnh hưởng lớn đến trình đóng rắn CTPX tỷ lệ CTPX/tác nhân geopolyme, tỷ lệ chất phụ Trên sở nghiên cứu thành phần CTPX 30 Số 50 - Tháng 3/2017 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN đặc NM ĐHN giới (bảng 1), học máy phát xạ huỳnh quang tia X (XRF) tác giả pha chế mẫu CTPX giả định với hãng XEPOS Kết phân tích thể Bảng thành phần nêu bảng [4] Bảng 3: Thành phần hóa học tro bay nhà máy nhiệt điện ng Bí Bảng 1: Thành phần CTPX cô đặc phổ biến nhà máy ĐHN Thông số Giá trị Thông số Giá trị Boric axit (g/l) 60-400 Tổng muối (g/l) 300-400 + Na (g/l) 90-100 Tỉ trọng (g/cm ) 1,2-1,3 K+ (g/l) 10-12 Chất hữu (g/l) 3-4 pH ~ 13 NO3- (g/l) 40 - 50 Ngun liệu Tro bay ng Bí (g/l) 67 30 30 30 30 60 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2 O MKN 58,5 1,1 0,1 2,6 20 - 45 28,1 6,1 0,8 Bảng 4: Thành phần hóa học bentonit Đức Trọng, Lâm Đồng Bảng 2: Thành phần chất thải phóng xạ mơ để nghiên cứu Thành phần H3BO3 K2SO4 CaCl2 Fe(NO3)3 NaNO3 NaOH Thành phần hóa học (%) CsCl2 Mật độ (g/cm2) 0,01 2,5 Độ Độ SiO2 rỗng trương nở (%) 40-60 100-150 Al2O3 Fe2O3 (%) (%) 45-55 15-20 3-6 MgO (%) Na2O (%) K2O (%) 3-4 1-2 10-15 Nguyên liệu tham gia phản ứng geopolyme: Nguyên liệu ban đầu thường dạng aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si Al cho q trình geopolyme hóa Ngun liệu ban đầu có nguồn gốc tự nhiên kaolinit, sét, mica, andalousit, spinel,… nguyên liệu từ trình khác tro bay, silicafum, xỉ, bùn đỏ Việc lựa chọn nguyên liệu ban đầu cho trình chế tạo geopolyme phụ thuộc vào yếu tố như: tính sẵn có, chi phí, loại ứng dụng yêu cầu sử dụng Geopolyme gồm hai thành phần nguyên liệu ban đầu (nguyên liệu gốc) dung dịch dụng cuối Trong nghiên cứu này, nguyên liệu để cung cấp Si Al sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện Uông Bí bentonit làm giàu từ quặng bentonit mỏ Nha Mé, Bình Thuận Chất hoạt hóa kiềm: Chất hoạt hóa kiềm sử dụng nghiên cứu dung dịch NaOH 1:1 thủy tinh lỏng (Na2SiO3) Bentonit: Bentonit có nguồn gốc từ Đức trọng, Lâm Đồng, phân tích thành phần hóa 2.2.3 Khảo sát khả sử dụng tro bay làm tác nhân geopolyme: Theo tài liệu khoa học 2.2 Phương pháp nghiên cứu Các thơng số cơng nghệ q trình đóng rắn geopolyme quan trọng thành phần, tỷ lệ chất tham gia vào phản ứng geopolyme chất kiềm hóa 2.2.1 Khảo sát đóng rắn bentonit với chất kiềm hóa NaOH thủy tinh lỏng: Thay đổi tỷ lệ nước, bentonit, NaOH thủy tinh lỏng để khảo sát đóng rắn hỗn hợp geopolyme qua lựa chọn tỷ lệ thành phần thích hợp 2.2.2 Khảo sát đóng rắn bentonit với chất kiềm hóa NaOH dung dịch đóng Tro bay: Thành phần hóa học tro bay rắn Simon Water Plug L60: Thay đổi tỷ lệ Nhà máy nhiệt điện ng Bí phân tích nước, bentonit, NaOH dung dịch đóng rắn Simon máy phát xạ huỳnh quang tia X (XRF) hãng Water Plug L60 để khảo sát đóng rắn hỗn XEPOS Kết phân tích thể hợp geopolyme qua lựa chọn tỷ lệ thành phần Bảng thích hợp Số 50 - Tháng 3/2017 31 THƠNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN xỉ tro bay nguyên liệu chứa nhiều Si Al thành phần geopolyme Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu sử dụng xỉ tro bay để chế tạo geopolyme [5] Do mà nhóm nghiên cứu đặt vấn đề sử dụng xỉ tro bay để chế tạo geopolyme cho đóng rắn chất thải phóng xạ Các thí nghiệm tiến hành tương tự bentonit Bảng 5: Kết khảo sát đóng rắn bentonite với thủy tinh lỏng NaOH STT Nước (g) Bentonit (g) Thủy tinh lỏng (g) NaOH 1:1 (g) Nhận xét khả đóng rắn 30 10 Đóng rắn với thời gian dài 30 10 Có khả đóng rắn 30 10 12 Thể khả đóng rắn 30 20 Thể khả đóng rắn 30 20 12 Khơng đóng rắn 30 20 15 Khơng đóng rắn 30 30 9 Khơng đóng rắn 30 30 12 Khơng đóng rắn 30 30 15 Khơng đóng rắn 2.2.4 Khảo sát khả sử dụng kết hợp 10 30 30 15 12 Khơng đóng rắn bentonit xỉ tro bay oxit nhôm, oxit silic 11 30 30 18 12 Khơng đóng rắn q trình geopolyme: Các thí nghiệm tiến 12 30 30 24 12 Khơng đóng rắn hành tương tự phần 2.2.1 có sử dụng bentonit tro bay có bổ xung Al2O3 Một số hình ảnh minh họa cho thí SiO2 làm tác nhân phản ứng nghiệm khảo sát sơ khả đóng rắn 2.2.5 Khảo sát đóng rắn dung dịch chất phương pháp geopolyme minh họa thải phóng xạ mơ phương pháp hình geopolyme: Trên sở khảo sát sơ phần trên, kết nghiên cứu lựa chọn để đóng rắn mẫu chất thải phóng xạ mơ có số thành phần gần giống với chất thải phóng xạ thực Kết thảo luận 3.1 Khảo sát đóng rắn bentonit với chất kiềm hóa NaOH thủy tinh lỏng: Kết khảo sát sơ đóng rắn bentonit với chất kiềm hóa NaOH thủy tinh lỏng trình bày bảng Như với kết bảng chọn kết thí nghiệm số để định hước Hình 1: Khảo sát sơ khả đóng cho khả geopolyme bentonit rắn phương pháp geopolyme 3.2 Khảo sát đóng rắn bentonit với chất kiềm hóa NaOH dung dịch đóng rắn Simon Water Plug L60: Khi thay thủy tinh lỏng dung dịch đóng rắn Simon Water Plug L60, ta thu kết hồn tồn tương tự bảng Có thể kết luận vai trị dung dịch đóng rắn Simon Water Plug L60 tương tự thủy tinh lỏng 32 Số 50 - Tháng 3/2017 3.3 Khảo sát khả sử dụng tro bay làm tác nhân geopolyme: Kết khảo sát sơ đóng rắn tro bay với chất kiềm hóa NaOH thủy tinh lỏng trình bày bảng Kết thí nghiệm chứng tỏ rắng sử dụng xỉ tro bay ng Bí với chất kiềm THƠNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN hóa thủy tinh lỏng NaOH tỉ lệ thấp hệ geopolyme đóng rắn tốt với tỷ lệ thành phần thí nghiệm số đến 12 Bảng Kết khảo sát đóng rắn xỉ tro bay với tác nhân hoạt hóa STT Nước (g) Xỉ tro bay Thủy tinh NaOH (g) lỏng (g) dạng vảy (g) SiO2 (g) Nhận xét khả đóng rắn 10 45,8 50 11,5 Khơng đóng rắn 15 50 100 10 Có khả đóng rắn 15 50 100 20 Khơng đóng rắn 15 50 100 20 Khơng đóng rắn 15 50 100 20 25 Khơng đóng rắn 25 50 10 50 Khơng đóng rắn 12,5 24,8 23,4 1,8 Khơng đóng rắn 12,5 24,8 5,8 1,8 Khơng đóng rắn 24,8 5,8 1,8 Đóng rắn tương đối 10 30 0 Đóng rắn tương đối 11 40 10 0 Đóng rắn tương đối 12 45 10 0 Đóng rắn tương đối Bảng Kết thí nghiệm khảo sát đóng rắn bentonit kết hợp xỉ tro bay với bổ xung bổ xung tác nhân oxit nhôm, oxit silic STT Nước Bentonit Thủy tinh (g) (g) lỏng (g) NaOH 1:1 (g) Xỉ tro Al2O3 bay (g) (g) SiO2 (g) Nhận xét khả đóng rắn rắn tăng lên hẳn Bổ sung lượng dư (4 gam, thí nghiệm số 10, số 11 số 12) khối geopolyme lại khơng có khả đóng rắn.) Việc thực q trình đóng rắn trường hợp khác bên cạnh việc xác định thông số thành phần ngun liệu cịn nhằm mục tiêu tìm kiếm việc sử dụng nguyên liệu thích hợp để cố định chất thải phóng xạ Các nguyên liệu khác có ưu điểm hạn chế xét riêng khía cạnh tính cơng nghệ, tính kinh tế v.v Vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu sâu thêm Bảng Kết thí nghiệm khảo sát đóng rắn geopolyme với dung dịch nước thải mơ STT CTPX Bentonit Thủy tinh (g) (g) lỏng (g) Xỉ tro bay (g) Al2O3 (g) SiO2 (g) Nước bổ sung (g) Khả đóng rắn 30 30 15 30 0 Khơng đóng rắn 30 30 10 30 0 Khơng đóng rắn 30 30 30 0 Khơng đóng rắn 30 30 15 30 0 Khơng đóng rắn 30 30 10 30 0 10 Có đóng rắn 30 30 30 0 15 Có đóng rắn 30 30 10 30 15 Có đóng rắn 30 30 10 30 15 Có đóng rắn 20 10 5 60 Đóng rắn tương đối 20 10 10 10 50 Khơng đóng rắn 20 20 10 10 40 Đóng rắn tương đối 30 30 10 30 2 15 Đóng rắn tốt 20 30 10 10 30 Đóng rắn tương đối 10 30 30 10 30 2 20 Đóng rắn tốt 10 10 15 15 50 Khơng đóng rắn 11 30 30 10 30 2 25 Đóng rắn tốt 12 30 30 10 30 2 30 Khơng đóng rắn 10 20 15 15 40 Khơng đóng rắn 10 30 15 15 30 Khơng đóng rắn 25 30 10 10 30 25 30 10 10 30 10 25 30 10 10 30 11 25 30 10 10 30 12 25 30 10 10 30 Đóng rắn tốt Đóng rắn tốt Đóng rắn khơng tốt 4 Khơng đóng rắn Khơng đóng rắn 3.4 Khảo sát khả sử dụng kết hợp bentonit xỉ tro bay oxit nhơm, oxit silic q trình geopolyme: Kết khảo sát thử nghiệm kết hợp bentonit + xỉ tro bay bổ xung oxit nhôm, oxit silic trình geopolyme nêu bảng Kết thí nghiệm chứng tỏ rắng bổ sung lượng thích hợp Al2O3 SiO4 (2 gam, thí nghiệm số số 9) khả đóng 3.5 Khảo sát đóng rắn dung dịch chất thải phóng xạ mơ phương pháp geopolyme: Trên quan điểm quản lý chất thải phóng xạ Cs nguyên tố phóng xạ cần quan tâm Quá trình geopolyme hóa nhằm mục tiêu cố định Cs Tuy nhiên yếu tố ảnh hưởng nhiều đến trình geopolyme hóa lượng kiềm nước thải phóng xạ Dựa thành phần kiềm nước thải phóng xạ tính tốn lượng kiềm thủy tinh lỏng thích hợp cho thành phần nguyên liệu đầu trình geopolyme Ngồi thành phần khác nước thải ảnh hưởng đến q trình đóng rắn geopolyme cần khảo sát Các kết thí nghiệm khảo sát đóng rắn geopolyme với Số 50 - Tháng 3/2017 33 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN dung dịch nước thải mô cho phản ứng q trình geopolyme hóa sở nguyên liệu bentonit xỉ tro bay bảng nêu Kết loạt thí nghiệm chứng Việt Nam Nhóm nghiên cứu tiến hành tỏ rắng q trình geopolyme hóa xẩy tỉ lệ thử nghiệm số tác nhân đóng rắn để tăng kiềm thích hợp nước thải phóng xạ cường q trình đóng rắn geopolyme có chứa lượng kiềm định cần bổ sung thêm nước để tăng cường trình đóng rắn geopolyme Ngồi việc bơ sung thêm oxit nhơm oxit silic tăng cường q trình đóng rắn geopolyme Điều kiện thí nghiệm số lựa chọn để geopolyme CTPX cô đặc với tỷ lệ chất phản ứng sau: CTPX/bentonit/thủy tinh lỏng/xỉ tro bay/Al2O3/ SiO2/nước bổ xung = 30/30/10/30/2/2/15 Sản phẩm geopolyme hóa thực theo tỷ lệ kiểm tra tiêu lý hóa học Thí nghiệm kiểm tra chứng tỏ khối geopolyme có đủ độ bền lý hóa học Cường độ bền nén khối geopolyme đạt đến 7,8 MPa, mẫu ngâm dung dịch hòa tách khác sau thời gian định chưa phát rò rỉ Cs Kết luận Các nghiên cứu xác định tỉ lệ thành phần tham gia phản ứng q trình đóng rắn geopolyme sở mẫu bentonit xỉ tro bay Việt Nam là: CTPX/bentonit/thủy tinh lỏng/xỉ tro bay/Al2O3/SiO2/nước bổ xung = 30/30/10/30/2/2/15 Nghiên cứu xác định sản phẩm geopolyme bảo đảm tính chất lý theo yêu cầu việc lưu giữ chất thải phóng xạ Các nghiên cứu tiếp tục tiến hành theo hướng tăng cường q trình đóng rắn geopolyme phương pháp gia nhiệt nén bổ sung để nâng cao, cường độ bền học hóa học đặc tính khác sản phẩm geopolyme./ Nguyễn Bá Tiến, Bùi Đăng Hạnh Viện Công nghệ xạ TÀI LIỆU THAM KHẢO Báo cáo trình bày thí nghiệm khảo sát q trình đóng rắn geopolyme nhằm mục đích IAEA, 1995 The principle of Radioactive đóng rắng CTPX, loại nguyên liệu khác Waste Management Safety Series 111-F M.Y Khalil, E Merz, Immobilization of bentonit, xỉ tro bay với tác nhân đóng rắn intermediate-level wastes in geopolyme, Journal khác khảo sát of Nuclear Materials 211 (1994) 141-148 Việc xác định thông số công nghệ Treatment and Conditioning of Nuclear q trình đóng rắn geopolyme khó khăn Wastes Radioactive Waste Management geopolyme đóng rắn theo tỉ lệ nghiêm ngặt Appendix http://www.world-nuclear.org F.A Lifanov, M.I Ojovan, S.V Stefanovsky, chất tham gia phản ứng q trình đóng R Burcl, Feasibility and Expedience to Vitrify rắn chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố Để tăng NPP Operational Waste, WM’03 Conference, cường q trình đóng rắn geopolyme cần bổ February 23-27, 2003, Tucson, AZ USA sung thêm phụ gia đặc biệt Thực tế, Joseph Davidovits, Geopolyme Chemistry vấn đề bí mật cơng nghệ, khó chia sẻ and Applications, 3rd edition, july 2011, published quan nghiên cứu Nhóm nghiên cứu thực by Institut Géopolymère, 16 rue Galilée, F-02100 số lớn thí nghiệm thăm dị nhằm tìm Saint-Quentin, France, Web: www.geopolyme kiếm thành phần thích hợp chất tham gia org 34 Số 50 - Tháng 3/2017 ... cho thí SiO2 làm tác nhân phản ứng nghiệm khảo sát sơ khả đóng rắn 2.2.5 Khảo sát đóng rắn dung dịch chất phương pháp geopolyme minh họa thải phóng xạ mơ phương pháp hình geopolyme: Trên sở khảo... cứu lựa chọn để đóng rắn mẫu chất thải phóng xạ mơ có số thành phần gần giống với chất thải phóng xạ thực Kết thảo luận 3.1 Khảo sát đóng rắn bentonit với chất kiềm hóa NaOH thủy tinh lỏng: Kết... Khơng đóng rắn 30 30 30 0 Khơng đóng rắn 30 30 15 30 0 Khơng đóng rắn 30 30 10 30 0 10 Có đóng rắn 30 30 30 0 15 Có đóng rắn 30 30 10 30 15 Có đóng rắn 30 30 10 30 15 Có đóng rắn 20 10 5 60 Đóng rắn