Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнений

Влияние состава и сложения горных пород

Степень поглощения продуктов деления зависит от типа горных пород, т. е. от их минералогического, химического и механического состава, а также от структуры и сложения породы. Так, например, найдено, что из одного и того же объема растворов с концентрацией >1,2 • 10~3 мг-экв/л цезия при использовании навески грунта 30 г/л сорбируется песка­ми 50%, суглинками и глинами 90% исходного количества (В. И. Спицын с сотрудниками, 1959). Плутоний, почти не­зависимо от состава раствора, поглощается почвой на 99,9%, а туфом — только до 96% (Р. М. Алексахин, 1963; Christenson и др., 1958).

В табл. 8 и 9 приведены коэффициенты распределения для некоторых радиоизотопов. Коэффициенты, приведенные в табл. 8, были получены при поглощении радиоизотопов различными природными сорбентами из разбавленных рас­творов (0,001 М). Коэффициенты табл. 9 характеризуют распределение некоторых радиоизотопов между природны­ми сорбентами и водой гидрокарбонатнокальциевого со­става.

Таблица 9

Распределение некоторых радиоизотопов между природными сорбентами и водой

Коэффициент распределения

1 !Супесь пролювнальная

2 .Глина пролювияльная

3 ;Суглинок, моренный

4 Глина, верхнеюрская, черная

5 [Песок среднезернистый, четвер - і тичный, древнеаллювиальный

6 ІПесок мелкозернистый, флювио - I гляциальный

7 ІПесок мелкозернистый, слюдис - j тый, глауконитовый, верхне - і юрский

8 ІПесок среднезернистый, аллюви - I альный

9 (Песчаник черный, мелкозернис • тый, верхнеюрский с фосфо і ритами

(Московская область •Щемилово, Москва

І

! То же

(Щукино, Москов - І екая область Щемилово, Москва

18,7 , 40—45 16,9

1,5—3,5 1,5 і

І |

14—17 j 1,6,

19,6±21,5- 1,9 і 2,0 ±3,0 і 1,7 , 25—26 > 1,0

45,6 ±3,7 443 ± 116 і — J 3 975 ± 982

409±49 1 470±250; 29,8±2,6 |l0 323± 1 779

207 + 43 4 800 j 1920+123 574

199 і 6100 і 390' ! 6 000

J І

9,5 ± 1,0 j 639 ± 150s 18.9 + 6,3 ! 875+160

7,7 ±0,5 і 549 ±77 15,6 ±4,4 ' 770 ±97

12,6і 1,0 j 1 157±214 20,7x7,6 1 107±230

8,4 ±0,6 j 760 і 460 ±22 480

5,9 ±1,2 : 1 954 ±550 33,6+16,6 66±30

Из данных, приведенных в табл. 8 и 9, видно, что раз­личные природные сорбенты в разной степени поглощают один и тот же радиоизотоп. Поглощение радиоизотопов рыхлой горной породой в значительной степени определяет­ся механическим составом последней, что можно видеть из данных табл. 5, где приведены величины коэффициента распределения стронция-90 между различными разностями песка и природной гидрокарбонатной водой, имеющей мине­рализацию 200—300 мг/л.

Данные табл. 5 показывают, что с увеличением содержа­ния глинистых и пылеватых частиц увеличивается сорбци - онпая способность песков. При этом особенно большое влияние на поглощающую способность песков оказывает присутствие глинистых частиц.

Наглядным примером влияния содержания глинистых частиц на коэффициент распределения стронция-90 между сорбентом и раствором могут служить результаты, приве­денные в табл. 10.

В опыте в качестве сорбента был использован кварцевый мелкозернистый песок и измельченная выше 125 меш мо­ренная глина. Раствором служила вода гидрокарбонатно­кальциевого состава, содержащая стронций-90 в количестве 1,5 • 10~8 кюри/мл.

Из данных табл. 10 видно, что с ростом содержания глины в сорбенте увеличивается коэффициент распределе­ния стронция-90.

Степень сорбции радиоизотопов, которые поглощаются по физико-химическому механизму, определяется не только механическим составом породы, она зависит и от катионо - обменной емкости породы. Наглядным примером этого мо­гут служить величины коэффициентов распределения строн­ция-90 между различными глинами и природной гндрокар - бонатной водой, приведенные в табл. 11.

При сравнении этих данных можно видеть, что чем выше катионообменная емкость сорбента, тем больше коэффици­ент распределения стронция-90. Катионообменная емкость природного сорбента зависит также от того, какие минера­лы слагают данную горную породу.

Изучение сорбции радиоизотопов стронция на различ­ных минералах было проведено с природной водой гидро- карбонатнокальциевого состава, содержащей стронций-90 в количестве 1,5- Ю-8 кюри/мл. При этом были использова­ны основные породообразующие минералы. Степень измель­чения минералов была выше 0,25 мм. Отношение количест­ва природного сорбента к объему раствора, исключая группу глинистых минералов, равнялось 1 : 1,5. Отношение твердой фазы к жидкой для глинистых минералов было равно 1 :5. Исследуемые минералы перемешивались с рас­твором до наступления равновесного распределения строн­ция-90 между сорбентом и раствором.

Результаты исследования приведены в табл. 12. Наряду с определением коэффициента распределения стронция-90 между минералом и природной водой была установлена

Группа окислов Кварц 0,33 ±0,02

Гематит 1,65 ±0,13

Магнетит 3,58 ±0,09

Лимонит 24,7 ±2,6

Хальцедон 45,7 ±5,6

Группа алюмосиликатов без добавочных анионов

Микроклин

Альбит

Оливин

Жедрит

Роговая обманка

Сподумен

Лабрадор

Нефелин

Диопсид

Альмандин

Биотит

Мусковит

Дамурит

Хлорит

Тальк

Змеевик

Вермикулит

Каолин

Бентонит

Кил

Апатит Фосфорит

0,97 ±0,13 0,98 ±0,15 1,41 ±0,01 1,57±0,16 1,46 + 0,02 3,1 ±0,4 3,8 ±0,5 7,5 ±0,3 7,15 ±0,47 4,00±0,19

Грума слюд, хлорита и талька

54,3 ±2,0 32,7 ±4,0 4,56 ±0,19 2,58 ±0,15 2,46 ±0,44 39,2 ±9,4 73,9 ±7,4

Группа глинистых минералов 15,2 ±0,5 430 ±123 367 ±55,6

Группа фосфатов

I 2,0 ±0,3 I 87,3 ±12,3

Группа карбонатов

Группа сульфатов

Катионообменная емкость поглощения для каждого иссле­дованного минерала.

Величины коэффициентов распределения стронция-90, приведенные в табл. 12, показывают, что из всех наиболее распространенных минералов, которые слагают различные горные породы, большей поглощающей способностью обла­дают глинистые минералы. Относительно повышенной сорб- ционной способностью характеризуются фосфорит, халце­дон, лимонит, змеевик, мусковит, т. е. те минералы, кото­рые имеют сравнительно большую катионообменную ем­кость поглощения. Наибольшее количество стронция-90 сор­бируется глинистыми минералами группы монтмориллони­та. Следовательно, глинистые породы, состоящие из кила или бетонита, будут обладать большей сорбционной способ­ностью по отношению к радиоизотопам, сорбирующимся по физико-химическому механизму поглощения, чем породы, которые состоят из каолина.

Степень поглощения микроколичеств цезия различными минералами подобно стронцию в основном определяется их катионообменной емкостью. Но наряду с этим поглоще­ние зависит от способности цезия сорбироваться специфи­чески на некоторых минералах. Tamura и Jacobs (1960), изучая поглощение цезия монтмориллонитом, вермикулитом, иллитом и каолином, установили, что наибольшее количест­во цезия сорбируется иллитом, несмотря на то что он обла­дает катионообменной емкостью, в 7 и 4 раза меньшей по сравнению с монтмориллонитом и вермикулитом соответст­венно. Кроме того, цезий хорошо сорбируется каолином, который имеет относительно низкую емкость поглощения (0,087 мг-экв/г).

Такое специфическое поглощение цезия объясняется тем, что величина его радиуса близка к расстоянию между плоскостями кристаллов иллита и каолина, благодаря чему он внедряется в межплоскостные пустоты этих материалов.

В литературе имеются материалы по влиянию различ­ных горных пород на сорбцию урана. Так, по данным Davey и др. (1956), уран поглощается до 2 мг-экв/100 г смеси, со­стоящей из глины, песка и уранового минерала, содержаще­го 0,1—0,2% окиси урана. Goldstaub и др. (1955) нашли, что 50—60 мг-экв урана могут быть поглощены 100 гвоздушно - сухого монтмориллонита в Н-форме из уранилнитратных и ацетатных растворов.

Е. В. Рожкова и др. (1958), изучая сорбцию урана в оса­дочных породах, установили, что при поглощении урана из растворов сернокислого уранила и уранилкарбоната ам­мония и натрия с концентрацией Ю-3 г/л наибольшей сорб - ционной емкостью обладает бурый слабо метаморфизиро - ванный уголь. Он может поглощать до 87,4 мг/экв U022+ на 100 г сорбента. Бурый уголь и гуминовая кислота обла­дают сорбционной емкостью по отношению к U022+, равной 19,2 мг-экв/100 г и 12,4 мг-экв/100 г соответственно. Шунгит сорбирует до 4,1 мг-экв U022+ на 100 г. Сорбционная ем­кость коксового угля почти в 50 раз меньше, чем гуминовой кислоты. Фосфориты сорбируют 24,4 мг-экв U022+ на 100 г. Апатит поглощает уран в меньшем количестве (2,9 мг - экв/100 г).