专利名称:含有高浓度硼酸的废料浆的固化方法
本发明涉及一种重量百分比含量大于30%的硼酸废浆的固化方法。减少核设施中放射性废料的重要性日益增加，急切希望浓缩各种废料，硼酸料浆就是一种这样的废料。高效的蒸发器现在能够在核电厂中产生重量比浓度大于50%的硼酸。目前浓缩高浓度硼酸废料的方法是依靠水泥固化。这种方法包括添加硅酸盐水泥和必要的多种其它添加剂，以便抑制硼对水泥水合作用的减缓。水泥固化所得到的封装效果(废料量/产品量)限制在约为0.80，在材料可以运送前需要等几天时间。在硼酸废料浆中有时发现离子交换树脂，它们表现出对水泥固化的另一种阻碍作用。
美国书4122028(Iffland等人)描述了一种固化和减少液体中放射性硼酸盐含量的方法。消石灰和硅酸盐水泥添加到含硼的水溶液中，多达30%的水泥可以由硅藻土取代。可以添加水玻璃和磷酸或磷酸氢盐以增加强度，加速固化，提高抗浸析能力。硼酸盐通常存在于四硼酸钠废液中，但也存在于硼酸钾或硼酸之中。
美国书3298960(Pitzer)描述了一种使用硬质凝胶处理废液的方法。通过把硅酸钠或甲醛添加到某些金属清洗废液中，凝胶产物就产生了。这样一种溶液含有可溶解在肼和EDTA中金属腐蚀产物。
美国专利3507801描述了一种方法，使用四硼酸钠捕集放射性废水。四硼酸钠添加到废水中以后，通过加热可使该混合物变稠，直到剩余的水量不大于键合四硼酸钠的结晶水量为止。这种浓缩物排进容器中，在里面冷却和结晶，这样水就同时进入到固体结晶物中。
美国专利3988258(Curtis等人)描述了一种处理放射性废料的方法，是把这种废料掺合到能变硬的基体形成体中实现的。碱或碱金属硅酸盐添加到一种水泥型粘合剂中形成基体材料。据说，这种方法促进了各种含有硼酸液的普通核电厂放射性废料的固化作用。
如上面所指出的，以前的废料处理方法使用水泥产生一种固化产物，利用抗水合减缓剂加快在有废料存在时水泥的固化。所使用的这样一种抗水合减缓剂是硅酸钠，它不仅用在含有硼酸的废料中，并且还用在许多象油一类的其它废料中。使用水泥时，硅酸钠的作用是，在有不同的废料产物存在时，加快水泥固化。
因此，本发明归属于一种固化重量百分比含量大于30%的硼酸废料浆的方法。它包括把硅酸钠添加到废浆中，以一份硼酸料浆比0.1至0.4份硅酸钠(按重量计)，并且混合搅拌。
只要求添加一种成分，即硅酸钠。由于硼酸的存在，这种工艺并不受到阻碍，相反正是硼酸及其低PH值环境，使该工艺生成了干燥坚硬的产物。这种工艺产生的封装效果可以超过0.97。另外，离子交换树脂浆也可以用硼酸在固化基体中经过颗粒封装处理。这项工艺可以在40%或浓度更高的硼酸中完成，脱水颗粒树脂的百分率可以高达废料总量的40%。
为了分别得到包括制备硅胶和四硼酸钠在内的有关机理的定性数据，进行了制备这两种化合物的一系列基础试验。硅胶是通过降低几种不同浓度的硅酸钠溶液的PH值制备的，硅酸钠溶液的浓度范围按其中固体的重量百分数计为4.7%～28.6%。用来制备该溶液的硅酸钠是Metso颗粒2048。硫酸的PH值调节在3～6之间。在这种低PH值环境下，硅酸盐解离，形成了通常称作硅胶的长的SiO2链。提高PH值这种反应很容易的可逆。在这些试验中生成的硅胶具有低溶解性，但其结构质量差。
四硼酸钠是通过把硼酸和氢氧化钠一起溶解的方法制备的，解离出的硼和钠离子化合形成了四硼酸钠盐。所使用的硼酸与氢氧化钠重量比为3∶1，该产物结构性能好但易于溶解。
通过把硅酸钠与硼酸混合，上述两种反应发生了。硅胶是通过用硼酸降低硅酸钠溶液的PH值产生的，而四硼酸钠是通过钠和硼酸盐离子的化合生成的。硅胶和四硼酸钠的化合形成了具有所期望的结构和溶解特性的产物。当使用硼酸重量百分比含量大于30%的硼酸废料浆并在其中加入硅酸钠(硼酸废料浆与硅酸钠的重量比为1∶0.1～0.4)时，便会得到令人满意的反应结果。例如，当使用硼酸的重量百分比含量为50%的硼酸料浆时，产生最佳结果的混合比是1份硼酸料浆比0.25份硅酸钠(按重量计)。
产生这种反应的工序只要求混合。由于料浆通常保持在不停的搅拌状态下并且维持在高温，因此不要求温度和PH值调节，并且该工艺中需要的步骤数目最少，硼酸的重量百分比含量大于30%的硼酸料浆在环境温度下是粘稠的，必须保持在搅拌状态。通过加热可以使料浆粘度降低，但在大气压力下决不会完全溶解。
混合时将硅酸钠慢慢添加到料浆中。碱和酸混合时产生了热，在观察到粘度突然增加以前继续混合。对于少量样品全部混合过程需要5至10分钟，一但反应开始，该混合物只需要几秒钟即可固化;几分钟内产品干燥，坚硬备以运输。
用X射线衍射分析产品表明，形成的化合物是四硼酸钠+水合物。在这种反应中生成的硅胶，由于是非晶态物质没有结晶结构，X射线衍射装置不能判明。但是在本节一开始时所叙述的一系列基础试验中确实表明，当硅酸钠放在低PH值环境下，硅胶产生了。
对已固化的硼酸重量百分比含量为50%的样品作了压应力试验。第一组样品使用水泥和硅酸钠作为固化剂，而第二组固化剂只使用下面的硅酸钠水泥和硅酸钠 硅酸钠水 23.15重量百分比 40.0重量百分比硼酸 23.15重量百分比 40.0重量百分比水泥 46.30重量百分比 -硅酸钠7.41重量百分比 20.0重量百分比这些试样具有圆筒型结构，直径3英尺，高6英尺。圆筒放在水压机上测定其极限强度，使用水泥和硅酸钠的试样表明强度低于100磅/英寸2，而只使用硅酸钠的试样极限强度在500～700磅/英寸2之间。
一种满标内容器试验在55加仑圆筒中进行，以测定在固化中是否存在任何按比例扩大问题。含有14.4加仑的水和120磅硼酸的重量百分比为50%的硼酸料浆在圆筒中制备，一个混合搅拌叶片以30转/分搅拌泥浆，将60磅的硅酸钠慢慢添加到泥浆中。搅拌20分钟以后，混合物开始固化，混合搅拌叶片随即停止搅拌并从圆筒中取出。5分钟内混合物固化。圆筒密封24小时，然后切一半检验产品质量。在整个的基体中，产品完全干燥坚硬，混合物均匀一致，没有裂缝、鼓泡。通过读出废料体积对已固化的产品体积的比率，测定出封装效果为98%。
试验进一步表明，硼酸废料浆中存在的离子交换树脂颗粒没有阻碍也没有降解通过添加硅酸钠生成的产品，只要硼酸的重量百分比浓度高于40%。
在某些情况下，生产硼酸废料浆人员添加氢氧化钠中和废料中产品的酸度。如果硼酸用氢氧化钠中和，将降低PH值。这可以通过添加一种象硫酸这样的酸来达到目的。然后再加入硅酸钠，反应则可进行。但是，固化已中和的硼酸废料浆时，最好先添加硅酸钠，以保证在添加硫酸一类的酸降低PH值至中和前的程度以前，硅酸钠充分溶解。然后固化将迅速发生，形成一种如上所述的满意的产品。
进一步的试验表明，密切相关的物质硅酸钾，在与硼酸反应中不能产生如同硅酸钠所具有的期望性质的最终产品。这可以被认为是，与硼酸反应，硅酸钾不能生成四硼酸钠+水化合物。
权利要求
1.一种硼酸的重量百分比含量大于30%的废料浆的固化方法，其特征在于以一份的硼酸料浆对0.1至0.4份(按重量计)的硅酸钠的比率把硅酸钠添加到废料浆中并且混合搅拌。
2.根据权项1所述的方法，其特征在于废料浆中含有重量百分比小于40%的离子交换树脂和重量百分比大于40%的硼酸。
3.根据权项1所述的方法，其特征在于一份硼酸废料浆与大约0.25份(按重量计)硅酸钠混合。
4.根据权项1，2或3的方法，其特征在于降低废料浆的酸度，并在添加硅酸钠后，酸加入到所得到的混合物中，使酸度降低的料浆恢复到其原有的PH值。
5.根据权项4所述的方法，其特征在于酸是硫酸。
专利摘要
含有高浓度硼酸，即硼酸的重量百分比含量大于30％的废料浆的固化方法。把硅酸钠添加到硼酸废液中并且混合搅拌；一种干燥、坚硬的产品生成。该工艺并不受存在高于40％脱水颗粒树脂的限制。
文档编号G21F9/16GK85105510SQ85105510
公开日1987年1月21日 申请日期1985年7月18日
发明者基思·肯特·姆克丹尼尔 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan