Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнений

Определение параметров движения стронция-90 в потоке загрязненной подземной воды по данным лабораторных экспериментальных Исследований

Лабораторные исследования, проведенные в статиче­ских условиях, дают возможность получить величину коэф­фициента распределения стронция-90 в загрязненной воде и породе, по которому из уравне­ния (Ш-8) определяется рас­пределительное отношение h. Но для решения уравнений ионооб­менной сорбции необходимо знать еще величину константы скорости сорбции р, а также другие пара­метры, характеризующие поток подземной воды: действительную скорость потока, общую пори­стость, активную пористость и объемный вес водоносной породы.

Из всех указанных параметров наиболее сложно определить кон-* станту скорости сорбции, так как остальные величины можно получить при проведении обыч­ных гидрогеологических исследо­ваний.

Константа скорости сорбции зависит от скорости диффузии иона из раствора в сорбент. Из литературных данных (К. М. Сал - дадзе, А. Б. Пашков и В. С. Титов, 1960) известно, что на сорбцию радиоактивного стронция из воды искусственными сорбентами (катионитовыми смолами) затрачивается вре­мя, измеряемое минутами (рис. 17). Указанное время было получено в опытах в статических условиях. Но, как было отмечено в предыдущем параграфе, константа скорости сорбции, кроме скорости диффузии ионов, учитывает еще и неоднородность водных и еорбционных свойств водовме - щающей породы и может быть определена по кривым, по­лучаемым при проведении экспериментальных исследова­ний в фильтрационных колоннах.

Для экспериментальных исследований использовались разборные стеклянные фильтрационные колонны внутрен­ним диаметром 6 см, высотой 2 м со штуцерами. Длина
каждой секции колонны равна 40 см, а расстояние между штуцерами 20 см. Колонны устанавливаются вертикально и заполняются песком, который для этих целей является наиболее удобной породой, так как имеет лучшую однород­ность фильтрационных и сорбционных свойств. В нижней части каждой колонны имеется сужение с краном, которым регулируется скорость фильтрации воды.

Перед началом опыта через колонну пропускается чис­тая вода, а затем в верхнюю часть колонны небольшими порциями с одинаковым уровнем постоянно подливается вода или раствор, загрязненные строн'цием-90. Концентрация стронция-90 в исходной воде или растворе и скорость фильтрации их через песок, заполняющий колонну, в тече­ние одного опыта постоянные. После прохождения необхо­димого количества загрязненной воды или раствора закры­вается кран и из колонны через штуцера отбираются про­бы воды; затем колонна разбирается и на определенных уровнях берется песок. Измерение бета-активности проб воды и песка проводили на установке типа Б с применени­ем торцового счетчика МСТ-17.

Общий характер распределения стронция-90 в воде и песке в фильтрационной колонне после окончания опыта показан на рис. 13. В этом опыте использовались средне­зернистый аллювиальный песок и пресная гидрокарбонат­ная вода с начальным содержанием стронция-90 3-Ю-6 кюри/мл. Через колонну было пропущено 6 л за­грязненной воды.

Из рис. 13 видно, что кривые содержания стронция-90 в воде и песке идут параллельно. В каждой кривой соот­ветственно друг другу устанавливаются два участка: учас­ток насыщения и участок резкого спада. В первом участке, прилегающем к начальному сечению колонны, кривые при­ближаются к горизонтальному положению. Второй участок, находящийся дальше от начального сечения колонны, ха­рактеризуется большим наклоном кривых, что показывает на быстрый спад содержания стронция-90 в воде и песке. Переход от участка насыщения к участку спада посте­пенный.

Необходимо отметить, что, кроме указанных двух участ­ков, во всех опытах в динамических условиях непосредст­венно у начала сечения фильтрационной колонны на не­большой длине отмечается повышенная концентрация стронция-90 в песке. Это связано с тем, что вблизи верхней поверхности при подливании воды или раствора происходит
взмучивание песка и обогащение самого верхнего слоя гли­нистыми частицами, что увеличивает его сорбционную спо­собность. В дальнейшем при анализе данных динамических опытов этот участок кривых не учитывается.

—J. — -(—. -

10 20 30 W $0 60, 70 80 90 ЮО 110 120 130 W ISO 160 Расстояние от начального сечения колонны в см.

Рис. 18. Распространение стронция-90 в песке и воде в фильтрационной

Колонне в зависимости от объема профильтрованной воды. 1 — опыт I (профильтрован 1 л воды); 2 — опыт 2 (профильтровано 3 л воды} 3 — опыт 3 (профильтровано 7 л воды); 4 — опыт 4 (профильтровано 24 л воды}.

На рис. 18 изображены..кривые распределения строн­ция-90 в воде и в мелкозернистом песке по четырем опы­там, в которых через фильтрационные колонны пропускал­ся различный объем загрязненной воды (1, 3, 7 и 24 л). Кривые построены в полулогарифмическом масштабе. На оси ординат показано абсолютное содержание стронция-90 в песке и воде. Во всех четырех ипытах колонны заполня­лись аллювиальным мелкозернистым песком (образец I, табл. 15), Исходная концентрация стронция-90 в водопро­водной пресной гидрокарбонатной воде была равна З - 10~7 кюри/мл; кроме того, в воду была добавлена азот­нокислая соль стронция в концентрации 3,2 мг-экв/л ста­бильного стронция.

Таблица 15

Физико-механические свойства исследованных песков

Мелкозернистый Среднезернистый

Специально поставленные опыты в этих же .фильтраци­онных колоннах показали, что общая пористость песков в колоннах колеблется от 0,42 до 0,45 (в среднем р = 0,44), а водоотдача (активная пористость) от 0,32 до 0,36 (в сред­нем (1 = 0,34). Общий расход воды через полное сечение колонны во всех четырех опытах был равен 1 л/час, а дей­ствительная скорость движения воды и=104 см/час.

В первом опыте, в котором объем воды, прошедший че­рез верхнее сечение колонны, равен 1 л, не был достигнут участок насыщения. Во' втором и третьем опытах (объем пропущенной воды 3 и 7 л) отмечаются оба участка — на­сыщения и спада. В четвертом опыте (объем пропущенной воды 24 л) участок насыщения распространился на всю длину колонны, равную 160 см.

Из сопоставления кривых различных опытов видно, что по мере увеличения объема пропущенной воды увеличива­ется длина участка насыщения, а на участке резкого спада уменьшается наклон кривых (опыты № 1—3), т. е. умень­шается интенсивность падения концентрации стронция-90 в песке и в воде. Это находится в полном согласии с тео­рией ионного обмена, изложенной ранее.

Для определения параметров движения стронция-90 в потоке загрязненной подземной воды содержание строн­ция-90 выражается в относительных величинах, а кривые зависимости этих величин от расстояния представляются в нормальном масштабе.

На рис."' 19 даны кривые опытов № 5 и № 6. В опыте № 5 использовался мелкозернистый песок, а в опыте № 6 — среднезернистый песок (ем. .табл. 15). В обоих опытах было пропущено по 6 л водопроводной пресной гидрокар­бонатной воды, содержащей стронций-90. Как и в опытах N° 1—4, средняя общая пористость песков р = 0,44, а сред­няя величина водоотдачи р = 0,34. В опыте № 5 воду про­пускали в течение 24 часов со средней действительной ско­
ростью и — 26 см/час, а в опыте № 6 —в течение 6 часов со средней действительной скоростью и =104 см/час. По кри­вым указанных рисунков первоначально определяются координаты лг0,5, соответствующие относительной концентра­ции стронция-90 в воде Ф = 0,5, а также координаты * х2 одной из точек с отно - ^ 1,0 сительной концентрацией Ф<0,5; было принято ф = 0,2. ^ 0,9- Из этих условий по уравне - <| ^ нию (ІІІ-І4) получаем вели - ^ ' чину tЈ.' = 0,59. Далее по сред-07.

<х

Ч 0,5-

*0,5 ut —

Для опыта № 5 (мелкозерни­стый песок) = 0,0163, для опыта № 6 (среднезер­нистый песок) /?6=0,052.

Полученные данные поз­воляют по уравнению (III-

20) определить константу Рис. 19. Влияние механического со - скорости сорбции 6: става пе£*а на распростраГние

1 * , г. _ г стронция-90 в песке и воде в филь-

Для опыта № 5 Омелкозер - трационной колонне.

ИИСТЫИ ПЄСОК) — 3,5 ЧаС, /—опыт № 5, песок аллювиальный мелко - ДЛЯ опыта № 6 (среднезер - зернистый глинистый; 2 - опыт № 6 пе - „ ч v tT сок аллювиальный среднезернистый.

Нистыи песок) р6= 17,9 час-1.

Результаты этих двух опытов показывают, что величина константы скорости сорбции зависит от механического состава песка. При уве­личении крупности частиц песка увеличиваются значения константы скорости сорбции.

Как показывают исследования в фильтрационных ко­лоннах, при изменении содержания в загрязненной воде кальция и магния меняются не только значения распреде­лительного отношения, но и величины константы скорости сорбции.

О

На рис. 20 даны кривые относительного содержания стронция-90 по длине колонны в трех опытах № 7, № 8 и № 9, в которых использовались среднезернистый песок и пресная гидрокарбонатнокальциевая вода, загрязненная стронцием-90, но имеющая различное содержание кальция вследствие добавления в нее соли хлористого кальция.

Изображенные на рис. 21 две кривые соответствуют двум опытам № 10 и № 11, проведенным в тех же условиях, что и опыты № 1, № 8 и № 9, но вместо хлористого кальция в воду вводилось различное количество хлористого магния. Условия проведения всех указанных выше опытов и резуль­таты определения по их данным значений распределитель­ного отношения h и величин константы скорости сорбции {} представлены в табл. 16.

Из данных табл. 16 видно, что в одном и том же средне - зернистом песке при увеличении содержания в воде кальция или магния увеличиваются значения, распределительного отношения, а величины константы скорости сорбции умень­шаются. Увеличение h и уменьшение р влечет за собой увеличение длины участков насыщения и спада содержания стронция-90 в воде подземного потока.

Для исследованных образцов песков и воды, содержа­щей стабильные катионы и стронций-90 в количествах, ука­занных в табл. 16, проводилось определение коэффициен­тов распределения в статических условиях. Исходя из этих величин, по уравнению (III-8) получены значения распре­делительного отношения h, а по уравнению (Ш-6) длины участков насыщения Xo, s. В табл. 17 представлены значения распределительного отношения и длины участков насыще­ния, определенные в фильтрационных колоннах и по данным опытов в статических условиях.

Данные, представленные в табл. 17, показывают, что значения распределительного отношения и длины участков насыщения, полученные в фильтрационных колоннах и определенные по данным опытов в статических условиях, довольно близки между собой.

Наряду с описанными выше исследованиями были по­ставлены в фильтрационных колоннах опыты, в которых

Проводилась десорбция стронция-90 с загрязненных песков. Для этого первоначально через колонны, заполненные пес­ком, пропускали загрязненную воду до получения участка насыщения на всей длине колонны, а затем через верхнее сечение ее вводили ту же пресную гидрокарбонатную воду, но не содержащую стронций-90.

На рис. 22 показано распределение стронция-90 в песке и воде по длине колонн после прохождения через верхнее сечение колонн 2, 9 и 18 л чистой воды. Из рис. 22 видно постепенное вымывание стронция-90 из песка, начиная с участков, примыкающих к начальному сечению колонн, и уменьшение содержания его в воде.

Для определения распространения сорбируемых радио­активных веществ, в том числе и стронция-90, в водах, фильтрующихся через глинистые породы, могут быть также использованы уравнения ионообменной хроматографии, приведенные ранее. Однако для получения величины кон­станты скорости сорбции необходимо проводить исследо­вания не в фильтрационных колоннах, а в специальных фильтрационных приборах. Для этой цели удобно исполь­зовать несколько измененный фильтрационный прибор кон­струкции И. Ф. Федорова.

Общий вид и отдельные детали прибора изображены на рис. 23 и 24. Прибор загружается образцом глинистой поро­ды с нарушенной или ненарушенной структурой. Перед на-

Чалом опыта образец с нарушенной структурой, увлажнен­ный исследуемой водой, не содержащей радиоактивный изотоп, обжимают под постоянной нагрузкой в течение не­скольких дней. Объем обжатого образца в дальнейшем со­храняют зажимными винтами, упирающимися в верхнюю металлическую пластинку с отверстиями. Затем прибор ставят на рабочее место и через него фильтруют под давле­нием исследуемую воду, содержащую радиоактивный изо­топ. Продолжительность опыта зависит от скорости филь-

Рис. 23. Общий вид фильтрационного прибора.

Рис. 24. Детали фильтрационного прибора.

Трации и от сорбционной способности породы и обычно со­ставляет от нескольких месяцев до 2—3 лет.

После окончания опыта образец из прибора извлекают и осторожно разрезают перпендикулярно оси на отдельные слои толщиной 3—5 мм. Породу каждого слоя высушивают и после тщательного перемешивания берут пробы, актив­ность которых, указывающая на содержание радиоактивно­

To 20 30 40 50 - 60 70

Расстояние от начального сечения в мм

Рис. 25. Распространение стронция-90 в моренном суглинке (опыт N° 12).

Го вещества, измеряют на установке Б методом толстых об­разцов. По полученным данным строятся кривые в нормаль­ном масштабе, выражающие изменение относительной концентрации радиоактивного вещества в разных участках исследованной породы. По этим кривым так же, как для фильтрационных колонн, определяется расстояние х0,5, соот­ветствующее ф = 0,5, и расстояние для одной из точек с отно­сительной концентрацией f <0,5.

Ниже приводятся описание и результаты двух опытов по распространению стронция-90 в пресной гидрокарбонат­ной воде, фильтрующейся в глинистых породах. В опыте № 12 использовался моренный тяжелый суглинок, взятый из Подмосковья, а в опыте № 13 — делювиальная глина из Киргизии. Механиче­ский состав и катионо - обменная емкость этих пород приведены в табл. 18. Коэффи­циенты распределения стронция-90, указан­ные в табл. 18, опреде­лены в опытах в стати­ческих условиях. В при­боры загружали образ­цы пород с нарушен­ной структурой. Пред­варительное обжатие пород производилось с нагрузкой 1,5 кг/см2. Остальные условия проведения опытов ука­заны в табл. 19. На рис. 25 и 26 изображе­ны кривые относитель­ного распределения стронция-90 в породе по длине образца в указанных опытах.

Вследствие того что для глинистых пород весьма трудно в лабо­раторных условиях определить активную пористость и действительную скорость движения воды в них, то прак­тически нельзя получить величину распределительного от­ношения по уравнению (III-24) непосредственно из данных опытов в фильтрационных приборах. Поэтому величина рас­пределительного отношения для исследованных глинистых пород принимается исходя из данных, полученных в стати­ческих условиях.

По известной величине распределительного отношения, определенной в опытах в статических условиях, из уравне-

Далее определяются действительная скорость воды и по уравнению (III-20) константа скорости сорбции р.

Используя указанный порядок расчета, в табл. 20 приво­дятся вычисленные значения константы скорости сорбции для глинистых пород, исследованных в опытах, при этом расчетное значение х2 принято с относительной концентра­ции стронция-90 ф = 0,4.

Данные лабораторных опытов, проведенных в динамиче­ских условиях, показывают, что при сорбции стронция-90 глинистыми породами константы скорости сорбции имеют значительно меньшую величину, чем при сорбции его песка­ми (см. табл. 16 и 20). Это обусловлено тем, что в глини­стых породах вследствие их плотности и небольшого разме­ра пор процессы обмена воды между порами и диффузия веществ происходят очень медленно.

Небольшие значения распределительного отношения и константы скорости сорбции в. глинистых породах по сравнению с песками указывают на то, что при прочих рав­ных условиях участки насыщения при движении вод, загряз­ненных стронцием-90, в глинйетых тюродах будут меньше, а отношение длины участка спада к длине участка насыще­ния больше, чем в песках.

Подземных вод. На основа­нии приведенных расчетов были построены теоретиче­ские кривые распростране­ния стронция-90 в фильтра­ционных колоннах при раз­личных условиях (рис. 27). На рис. 27 для сравнения представлены кривые, по­строенные по эксперимен­тальным данным.

Ход приведенных кривых показывает хорошее совпа­дение теоретических и экс­периментальных данных. Та­ким образом, даже при отно­сительных концентрациях Ю-3—Ю-4 приближенные дифференциальные уравне­ния можно применять для расчета распространения стронция-90 в подземных по­токах.

Используя приближен­ные уравнения ионообмен­ной хроматографии и значе­ния параметров, приведен­ных в предыдущих. парагра­фах, далее рассматриваются три числовых примера расче­та движения стронция-90 •в загрязненной воде плоско­го равномерного подземного потока. Во всех этих приме­рах вода движется в песках, которые характеризуются следующими физическими свойствами:

Удельный вес Yn ~ 2,7; объемный вес о = 1,62;

Общая пористость р = 0,4; активная пористость (водоотдача) (.і = 0,25.

Действительная скорость движения воды и во всех при­мерах принята 0,2 м/сутки.

Примеры отличаются друг от друга разными значениями коэффициентов распределения КР (распределительного от­ношения h) стронция-90 между песком и загрязненной водой.

Согласно опытам в статических и динамических услови­ях для песков, слагающих водоносные горизонты, при сорб­ции стронция-90 из пресной воды коэффициент распределе­ния в среднем составляет от 1 до 12.

Исходя из этого, в первом примере коэффициент рас­пределения принят Кр — 1, во втором /СР = 5 и в третьем Кр = 12. В каждом примере расчет произведен для четырех моментов движения загрязненной воды (5, 10, 50, 100 лет) при различных значениях константы скорости сорбции р. Пределы колебаний величины этой константы приняты по данным опытов в фильтрационных колоннах и приборах (см. табл. 16).

На основании приведенных величин для каждого случая рассчитано отношение длины участка спада к длине услов­ного участка насыщения:

При этом за точку принимается точка с относитель­ной концентрацией стронция-90, равной 5*10~[4], По уравне­нию (111-14) для этой относительной концентрации пара­метр да = 3,12. Результаты расчета содержания стронция-90 в воде по трем указанным примерам приведены в табл. 21. В произведенных расчетах не учитывается радиоактивный распад стронция-90.

Из данных табл. 21 следует, что в пределах принятых величин коэффициента распределения от 1 до 12 (распре­делительное отношение от 0,25 до 0,0206) и константы ско­рости сорбции от 50 до 1000 сутки отношение длины уча­стка спада к длине условного участка насыщения составля­ет небольшую величину. Максимальное значение этого от­ношения около 0,15 получено для песков, имеющих относи­тельно большую поглотительную способность (Кр — 12, h = 0,0206) и сорбирующих стронций-90 с небольшой ско­ростью (р = 50 сутки-1), через 5 лет после начала движе­ния загрязненной воды.

С увеличенивіМ времени отношение длины участка спада к длине условного участка насыщения уменьшается; в рас­сматриваемом случае оно равно: через 10 лет — 10%, через 50 лет — около 4,5% и через 100 лет — около 3,2%. Для песков, имеющих меньшую поглотительную способность или сорбирующих стронций со скоростью §>50 сутки-1, вели­чина указанного отношения становится еще меньше.

Когда стронций-90 сорбируется из минерализованных вод, содержащих повышенные количества кальция или маг­ния, величина константы скорости сорбции р уменьшается, но в этих случаях увеличивается распределительное отно­шение h и, следовательно, отношение длины участка спада к длине условного участка насыщения равно также неболь­шим величинам.

Таким образом, расчеты по уравнениям теории ионооб­менной хроматографии и по данным лабораторных иссле­дований показывают, что распространение стронция-90 в загрязненной воде, движущейся в водоносном горизонте, сложенном песками, в основном определяется длиной услов­ного участка насыщения (уравнение III-6); длина же уча­стка спада имеет относительно небольшую величину, кото­рую можно практически не учитывать.

Другие соотношения длины участка спада к длине услов­ного участка насыщения следует ожидать при движении загрязненной воды через глинистые породы. Как было ука­зано в предыдущем разделе, распределительное отношение и константа скорости сорбции при поглощении стронция-90 этими породами имеют значительно меньшие величины, чем при поглощении его песками, поэтому относительная дли­на участка спада увеличивается. Сказанное. можно под-" твердить расчетом движения стронция-90 в загрязненной воде, проникающей через моренный суглинок и делювиаль­ную глину, образцы которых были исследованы в фильтра­ционных приборах (табл. 18, 19, 20).

Из данных табл. 19 для обоих образцов можно опреде­лить коэффициент фильтрации Кф, сжатый под нагрузкой 1,5 кг/см2:

А) для моренного суглинка

V0 0,067 Кф = - J - = -269/479 = 0,0012 см/сутки;

«"Я °

Далее для расчета принима­ется, что уклон .потоков (на­порный градиент) загрязнен­ной воды равен единице, а активная .пористость равна ве­личинам, указанным в табл.

Этом принимается, что на фронте движения участка спа­да относительная концентра­ция стронция-90 в воде Ф = 5'10~[5]. Величины же рас­пределительного отношения h и константы скорости сорбции взяты по данным опытов в фильтрационных приборах (см. табл. 20). Естественный распад стронция-90 не учи­тывается.

Результаты расчета приве­дены в табл. 22.

Проведенные расчеты пока­зывают, что при рассмотрении движения стронция-90 в за­грязненной воде, фильтрую­щейся через глинистые породы, длина участка спада в первые периоды до 10 лет превышает длину условного участка насыіления в.2—3'/2 раза, а в последующие 50—100 лет — в 0,6—1,1 раза. Следовательно, при расчете распространения указанного изотопа <в водах, проникающих через глинистые породы, уже нельзя пренебрегать участком спада, как это возможно в загрязненном потоке, приуроченном к пескам, галечникам и трещиноватым скальным породам.

Способность стронция-90 проникать через глинистые по­роды небольшая, но если действительные скорости движе­ния воды в указанных породах повышены, то миграция его в этих породах может иметь практическое значение. Эти случаи могут быть при фильтрации радиоактивных раство­ров через глиняные экраны из бассейнов или при проникно­вении загрязненных вод через прослои глин из одного водо­носного горизонта в другой, когда напорный (гидравличе­ский) градиент потока достигает значительных величин или когда водопроницаемость глинистых пород (коэффициент фильтрации) имеет более высокие значения, чем у образ­цов, исследованных в фильтрационных приборах. Необходи­мо еще раз отметить, что в природных условиях вследст­вие структурного (агрегатного) строения глин водопрони­цаемость их часто более высокая, чем у образцов этих же глин, структура которых нарушена. Кроме того, агрегатное строение пород уменьшает константу скорости сорбции по­глощаемого вещества, что приводит к увеличению длины участка спада.