本发明涉及放射性废物固化处理,具体涉及一种抑制高放废物玻璃固化体析晶的方法。
背景技术:
1、玻璃固化是目前世界范围内普遍接受且应用最为广泛的高放废液处理方式,是将放射性核素固定于柔性的玻璃网络结构中,实现对多种毒害元素的原子尺度固化,阻止其向外界环境迁移。由于高放废液成分复杂,具有高过渡金属元素(如钼、铁与镍)含量、高稀土元素(钕、铈与镧等)含量、以及高腐蚀活化产物(如锆等)含量的特点。例如,在45000mwd/tu及以上燃耗的乏燃料后处理过程产生的高放废液中,钼、钕与锆(以氧化物计)在废物氧化物中的含量一般均大于10wt%。因此,高放废物玻璃需要同时对上述多种废物元素具有较高的包容能力。
2、由于硼硅酸盐玻璃物理与化学稳定性优异、熔制温度较低,已成为玻璃固化的首选基材。然而,硼硅酸盐对氧化钼较低的包容能力限制了废物负载量的提升。由于钼在玻璃中以钼酸根分布在玻璃网络的解聚区域,目前主要通过在玻璃中加入高含量的硼、碱/碱土金属增加玻璃网络的灵活程度,从而增强对钼的固化能力。如中国专利cn 115057618 b与cn 115583796a公布了高硼含量的硅酸盐玻璃固化配方,通过引入高含量的氧化硼和足量的碱金属/碱土金属,为钼酸根的溶解提供足够的网络空隙。
3、然而较高的网络解聚程度在增强对废物包容能力的同时,通过降低析晶活化能降低了玻璃的抗析晶能力。在熔融、保温过程中发生晶体的析出与沉积,可能会增加熔体粘度,导致出料困难,严重时堵塞出料口。部分晶体类型的析出可导致废物玻璃成分偏离目标值,引起抗浸出等性能下降。
4、有必要开发一种抑制高放废物玻璃析晶问题的方法,实现对高放废液高效固化的同时,避免引起玻璃熔体与固化体中晶体析出,维持良好的工艺性能与固化体性能。因此,如何平衡高放废物玻璃对废物元素的包容能力以及玻璃的抗析晶性能,成为一个亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、有鉴于此,本发明提出了一种抑制高放废物玻璃析晶的方法,通过控制玻璃的网络聚合程度,避免废物玻璃熔体与固化体析晶,保证熔炉的运行安全与固化体性能稳定,实现对模拟高放废物高效固化的同时,维持玻璃良好的抗析晶性能。
2、本发明的技术方案是这样实现的:
3、第一方面,本发明提供了一种抑制高放废物玻璃固化体析晶的方法,包括步骤:
4、s1、将玻璃原料混合均匀,加热熔融,冷却,得到基础玻璃;
5、s2、将所述基础玻璃与高放废物混合,加热熔融,冷却,得到玻璃固化体;
6、其中,所述玻璃固化体中的氧化物组成包括网络改变体和网络形成体;
7、所述网络改变体与网络形成体的离子的摩尔比为0.4~0.5。
8、在以上技术方案的基础上,进一步地,所述网络改变体的离子包括li+、na+、ca2+、k+、cs+、rb+、mg2+、ba2+和sr2+中的一种或多种。其能够破坏玻璃网络结构,为钼等废物组分在玻璃中的溶解提供更多的位点,同时提高玻璃的形成能力。
9、在以上技术方案的基础上,进一步地,所述网络形成体离子包括si4+、b3+和al3+中的多种。其高含量可以形成完整的网络,增强玻璃的热稳定性。
10、具体地,通过控制高放废物玻璃固化体中所述网络改变体与所述网络形成体的离子的摩尔比来达到平衡玻璃的废物包容能力和抗析晶性能的目的。当该比例在小于0.4时,玻璃中作为网络改变体的碱/碱土金属含量过低,玻璃网络聚合程度较高,易因玻璃形成能力不足,且对钼等废物组分包容能力不足而难以均化。而当该比例在大于0.5时,玻璃中作为网络改变体的碱/碱土金属含量较高,玻璃网络被网络改变体破坏导致聚合程度下降,同时网络灵活程度的增加将显著增加易析出组分在玻璃熔体内的扩散速率,导致玻璃析晶倾向的增大。当该比例介于0.4与0.5之间时,玻璃兼具较高的废物固化能力与良好的抗析晶性能。
11、在以上技术方案的基础上,进一步地,所述玻璃固化体的化学组成包括sio2、b2o3、al2o3、cao、mgo、bao、li2o、na2o、moo3、zro2、nd2o3、la2o3、ceo2、y2o3、fe2o3、cr2o3、nio、teo2、sno2、bao、sro、cs2o、rb2o、k2o、mno中的多种。
12、在以上技术方案的基础上,进一步地,所述网络改变体与网络形成体的离子的摩尔比为0.42~0.46。
13、在以上技术方案的基础上,进一步地,所述步骤s1和步骤s2中加热熔融的温度为1100~1300℃,所述步骤s1和步骤s2中加热熔融的时间为1~24h。
14、在以上技术方案的基础上,进一步地,所述冷却的方法为将加热熔融得到的玻璃液浇筑后在空气中自然冷却。
15、第二方面,本发明提供一种高放废物玻璃固化体,采用第一方面所述的方法制备得到。
16、与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
17、(1)通过限制废物玻璃中网络改变体与网络形成体含量的比例下限,使网络中有足够的间隙,保证玻璃对废物成分的有效固化;
18、(2)通过限制废物玻璃中网络改变体与网络形成体含量的比例上限,保证玻璃网络的完整程度,进而通过增加晶体析出活化能来抑制析晶;
19、(3)本发明提供的方法,易实现对模拟高放废液高效固化的同时,避免引起玻璃熔体与固化体中晶体析出,维持良好的工艺性能与固化体性能,具有较好的应用前景。
1.一种抑制高放废物玻璃固化体析晶的方法,其特征在于,包括以下步骤:
2.如权利要求1所述的一种抑制高放废物玻璃固化体析晶的方法,其特征在于,所述网络改变体的离子包括li+、na+、ca2+、k+、cs+、rb+、mg2+、ba2+和sr2+中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种抑制高放废物玻璃固化体析晶的方法,其特征在于,所述网络形成体的离子包括si4+、b3+和al3+中的多种。
4.如权利要求1所述的一种抑制高放废物玻璃固化体析晶的方法,其特征在于,所述玻璃固化体的化学组成包括sio2、b2o3、al2o3、cao、mgo、bao、li2o、na2o、moo3、zro2、nd2o3、la2o3、ceo2、y2o3、fe2o3、cr2o3、nio、teo2、sno2、bao、sro、cs2o、rb2o、k2o、mno中的多种。
5.如权利要求1所述的一种抑制高放废物玻璃固化体析晶的方法,其特征在于,所述网络修饰体与网络形成体的离子的摩尔比为0.42~0.46。
6.如权利要求1所述的一种抑制高放废物玻璃固化体析晶的方法,其特征在于,所述步骤s1和步骤s2中加热熔融的温度为1100~1300℃,所述步骤s1和步骤s2中加热熔融的时间为1~24h。
7.如权利要求1所述的一种抑制高放废物玻璃固化体析晶的方法,其特征在于,所述冷却的方法为将加热熔融得到的玻璃液浇筑后在空气中自然冷却。
8.一种高放废物玻璃固化体,其特征在于,采用如权利要求1~7任一项所述的方法制备得到。