[科普中國]-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)護后制成具有一定機械強度的水泥固化體的過程。水泥固化的目的是將具有流動性、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，提高固化體機械強度，吸收游離水等。

用水泥固化廢液時對水灰比(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。含鹽量增加會降低固化體的機械強度，含水量增加會在水泥漿表面產(chǎn)生一層游離水。加入合適的添加劑雖能提高機械強度和消除游離水，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)，用機械攪拌或加蓋密封后滾動、振動的方法使它們混勻；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)點是工藝和設(shè)備簡單，可連續(xù)操作，也可在貯存容器中固化，進行間歇操作；處理費用低；無燃燒爆炸的危險；水泥本身具有良好的防護屏蔽性能。主要缺點是浸出率高，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)點水泥固化法之所以廣泛用于中、低放廢液的處理，是因為它與其他固化技術(shù)（瀝青固化塑料固化）相比，具有以下優(yōu)點1:

1）設(shè)備和工藝簡單，操作方便、安全

2）固化原料易得、價低，能耗小、成本低

3）不需要加熱，工作溫度低，不會發(fā)生火災(zāi)。

4）固化體機械強度高，耐熱性好，抗輻照能力強

5）產(chǎn)品自屏蔽性能良好

6）易于實現(xiàn)遠距離操作和自動化控制。

缺點但是，該方法也具有一定的缺點:

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個數(shù)量級，比玻璃固化體高4～5個數(shù)量級。

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。實驗和生產(chǎn)證明，最終產(chǎn)品的體積一般為原廢液體積的1.5～2倍，從而增加處置費用。

3）對于高含鹽量的廢物，鹽分會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存過程中變質(zhì)而降低其機械強度。

4）固化工藝對廢水的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)，已被很多國家的核電站、核工業(yè)部門和核研究中心廣泛采用，在德國、法國、美國、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，近年來，國內(nèi)外科技人員對其進行了大量的研究開發(fā)工作主要包括以下幾個方面:

1）降低放射性核素的浸出率

各國研究人員提出了較多的方法，包括

1）對廢液進行預(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個數(shù)量級，抗壓強度可提高3個數(shù)量級。

比較有效的措施是先將廢物干燥脫水，進行干鹽分固化。當然水泥固化時，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，提高機械強度和增加廢物包容量，20世紀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驗室研究。

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，它具有機械強度高、孔隙率極低、耐化學(xué)腐蝕和耐風(fēng)化等特點，特別適合于強腐蝕性場所使用。鑒于聚合物浸漬混凝土的這些特點，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數(shù)量級，機械強度提高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，強輻照下氣體輻解產(chǎn)物會使固化體破裂，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,機械強度提高約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。它的機械強度與玻璃相似，比普通水泥高5～10倍。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

劉瑞桓 - 高級工程師 - 環(huán)境保護部核與輻射安全中心