Физико-химические методы контроля массопереноса в системе "отходы урановых руд - окружающая среда" на примере Дигмайского хвостохранилища Таджикистана

Тиллобоев, Хакимджон Ибрагимович

Физико-химические методы контроля массопереноса в системе "отходы урановых руд - окружающая среда" на примере Дигмайского хвостохранилища Таджикистана тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Тиллобоев, Хакимджон Ибрагимович АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Душанбе МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Физико-химические методы контроля массопереноса в системе "отходы урановых руд - окружающая среда" на примере Дигмайского хвостохранилища Таджикистана»

Автореферат диссертации на тему "Физико-химические методы контроля массопереноса в системе "отходы урановых руд - окружающая среда" на примере Дигмайского хвостохранилища Таджикистана"

На правах рукописи

0046121»(

ТИЛЛОБОЕВ ХАКИМДЖОН ИБРАГИМОВИЧ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ МАССАПЕРЕНОСА В СИСТЕМЕ ОТХОДОВ УРАНОВЫХ РУД ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА НА ПРИМЕРЕ ДИГМАЙСКОГО ХВОСТОХРАНИЛИЩА ТАДЖИКИСТАНА

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

1 1 НОЯ 2010

Душанбе-2010

004612187

Работа выполнена в научно-производственном центре «Технолога Государственного предприятия «Востокредмет» при Министерст энергетики и промышленности Республики Таджикистан

Научные руководители: доктор химических наук, профессор

Юнусов Музафар Мамаджанович

кандидат технических наук Беззубое Николай Иванович

Официальные оппоненты: доктор химических наук

Зинчеико Зинаида Алексеевна

кандидат химических наук Бобоев Худжаназар Эшимович

Ведущая организация: Таджикский технический университет им.ак.М.Осими, кафедра общей и неорганической химии

Защита состоится « 27 » октября 2010 г. в Ю00 часов на заседай диссертационного совета ДМ 047.003.01 при Институте химии име В.И.Никитина АН Республики Таджикистан по адресу: 734063, г.Душан* ул.Айни, 299/2. E-mail: gulchera@list.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института хим имени В.И.Никитина АН Республики Таджикистан.

Автореферат разослан « 25 » сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

Касымова Г.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе развития общества решение проблемы обеспечения его возрастающих энергетических потребностей все в большей мере связывается с атомной энергией, получение которой обеспечивается функционированием предприятий ядерно-топливного цикла в состав которого входят разнопрофильные предприятия, работающие на конечную цель-высвобождение энергии ядра для нужд человечества. Вместе с тем, развитие атомной энергетики напрямую связано с увеличением отрицательного воздействия ее отдельных технологических стадий на природную среду.

Вопросам физико-химических воздействий на окружающую среду отходов переработки урановых руд и продуктивных растворов подземного и кучного выщелачивания урана, концентрирующихся в хвостохранилищах горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, задачам управления отходами и хвостохранилищами оказывается недостаточное внимание.

Основная масса радиоактивных отходов непосредственно поступает в окружающую среду и по величинам активности в них радионуклидов, их радиационное воздействие на население и экосистему может создавать ситуации, требующие проведение мероприятий по локализации и снижению воздействия отрицательных факторов. Поэтому на всех объектах, связанных с физико-химическими процессами, влияющими на радиационную обстановку, мониторинг радиоактивных загрязнений объектов природной среды приобретает все большую актуальность.

Налаженный физико-химический и радиационный контроль позволит своевременно выявлять изменения в радиационной обстановке, разрабатывать и реализовать мероприятия по снижению доз облучения населения, предотвращать или локализовать загрязнение территорий, атмосферы и гидросферы.

Особенно остро эта проблема стоит в Северном Таджикистане. За более чем шестидесятилетний период промышленного освоения атомной энергии здесь накоплено значительное количество радиоактивных отходов. На Дигмайской возвышенности располагается хвостохранилище радиоактивных отходов, до настоящего времени относящееся к категории «действующее» и представляющее реальную опасность, выражающуюся в загрязнении воздушного, водного бассейнов, почвенно-растительного покрова в районе его влияния. Радиационная обстановка в районе хвостохранилища определяется не только уровнем радиоактивного загрязнения, но также процессами, контролирующими миграцию радионуклидов таких как 238и, 22бЯа, 232ТЬ, 40К. Здесь крайне необходим

радиационный мониторинг загрязненных территорий, охватывающий все сферы природной среды и служащий основой дифференцированной радиоэкологической оценки и планирования реабилитационных мероприятий.

В предлагаемой работе рассматриваются физико-химические проблемы, связанные с постановкой, реализацией и проведением радиоэкологического мониторинга, проводится анализ, и представляются некоторые результаты мониторинга радиоактивных загрязнений в районе Дигмайского хвостохранилища.

Целью настоящей работы является разработка и реализация комплекса физико-химических методов, позволяющих сформировать всесторонний радиоэкологический мониторинг на хвостохранилища отходов гидрометаллургической переработки урановых руд и на этой основе оперативно решать вопросы управления отходами, контролировать состояние и оценивать экологические риски, связанные хвостохранилищами на различных стадиях их эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью в процессе выполнен« исследований были решены следующие задачи:

-изучены физико-химические особенности радиоактивных отходе Дигмайского хвостохранилища;

-изучены физико-химические процессы миграции, приводящие загрязнению биосферы, гидросферы и атмосферы отходам хвостохранилища и содержащимися в них компонентами;

-разработан комплекс физико-химических и радиометрических методе контроля за состоянием объектов окружающей среды;

-исследованы на моделях процессы диффузии радона в нейтральны грунтах различного фракционного состава, по результатам которы возможен выбор их оптимального соотношения.

Научная новизна работы. На основании радиологических замеров физико-химических анализов определены границы контура загрязнена поверхности и подземных вод. Исследована динамика загрязнена биосферы радоном в зависимости от времени года. Изучены процесс диффузии радона на моделях с нейтральным грунтом различног гранулометрического состава. Показано, что наиболее эффективно ь замедление кинетических процессов влияют грунты, содержаще максимальное количество мелких фракций.

По результатам изучения процессов абиогенной и биогенной миграци элементов загрязнителей выявлено, что корневая система доминирующ} растений сосредоточена в почвенном слое с основным содержание радионуклидов. Определены коэффициенты биологического поглощен*

растений и перехода радионуклидов в системе «хвостохранилище - почва -растение».

В результате биогеохимических исследований впервые получены данные по загрязнению почв и растительности в санитарно-защитной зоне хвостохранилища, выделена группа основных элементов загрязнителей и на основании предложенной комплексной функции загрязнения прослежено их поведение в системе за период с 1991 по 2009 гг.

Практическая значимость работы. Полученные в работе количественные данные характеризующие радиоэкологическую обстановку в районе Дигмайского хвостохранилища использованы для разработки текущих природоохранных мероприятий. Автором предложена и организована реперная сеть радиационного мониторинга, включающая 22 контрольные площадки на загрязненной радионуклидами территории и за пределами санитарно-защитной зоны хвостохранилища.

Получены предварительные исходные данные для проектирования работ по консервации хвостохранилища и реабилитации загрязненных территории.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: -результаты исследования физико-химических процессов миграции, приводящие к загрязнению биосферы, гидросферы и атмосферы отходами хвостохранилища и содержащимися в них компонентами, включающие анализ экспериментальных данных, оценку покомпонентного состава отходов, показатели среднего и максимального содержания радионуклидов в отходах, почвах и подземных водах;

-динамика изменения эксхаляции 222Rn с поверхности Дигмайского хвостохранилища при различных метеоусловиях;

-результаты исследований на моделях процесса диффузии 222Rn в нейтральных грунтах различного гранулометрического состава, рекомендуемых для консервирующего покрытия хвостохранилища;

-оценка миграции долгоживущих радионуклидов в системе «хвостохранилище - почва - растение»;

-оценка динамики загрязнения подземных вод.

Публикации, по результатам исследований опубликовано 5 научных статей и 8 тезисов докладов

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы урановой промышленности» (г.Алматы, 2004г.); Международной конференции «Ферганская долина: основные проблемы техногенных наследий, урановое наследие в Таджикистане» (г.Кайраккум, 2005г.); Rehabilitation of uranium mines in northern Tajikistan (Norway, 2006г.); II Республиканская научно-практическая конференция «Использование

современных технологий в переработке горных минералов и металлургии » (г.Чкаловск, 2008г.); III Республиканской конференции «Единение нации и развитие науки и техники» (г.Чкаловск, 2009 г.) и VI - Нумановские чтения (г.Душанбе, 2009г.); Республиканской конференции «Актуальные проблемы преподавания естественных и технических наук в средних и высших школах». (г.Худжанд, 2010); на техническом совете ГП «Востокредмет».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа представляет собой рукопись, изложенную на 124 страницах компьютерного набора, содержит: введение, обзор литературы, результаты исследований и их обсуждение, выводы, список цитируемой литературы, включающий 97 наименования библиографических ссылок, а также приложение. Работа иллюстрирована 25 рисунками и 26 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены предпосылки и основные проблемы исследования, обоснованы актуальность работы, научная новизна и практическая ценность, раскрыта структура диссертации.

В первой главе дан литературный обзор работ, характеризующих физико-химические основы производства урана и образования радиоактивных отходов на его различных стадиях. Рассмотрены пути миграции радионуклидов и сопутствующие им физико-химические процессы, происходящие в системе «хвостохранилище - окружающая среда».

Во второй главе обоснован комплекс методов исследований, дающий представление о физико-химических процессах, происходящих в системе «хвостохранилище — окружающая среда» и связанных с ними путями миграции. Определены методические и технические основы полевых, аналитических и экспериментальных исследований на выбранном объекте. Результаты исследования динамики загрязнения территории в районе Дигмайского хвостохранилища. Охарактеризованы физико-химические свойства радиоактивных отходов Дигмайского хвостохранилища и приведены результаты изучения на моделях диффузии 222Яп в нейтральном грунте.

В третьей главе изложены и обсуждены результаты комплексного радиоэкологического мониторинга Дигмайского хвостохранилища, включающего оценку загрязнения почвенно-растительного покрова прилегающей территории, атмосферы и подземных вод.

ГЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ ОРЕОЛА РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА

С целью выработки критериев для определения ореола радиоактивного загрязнения были выполнены фоновые маршруты, охватывающие все виды горных пород, выходящих на поверхность в пределах Дигмайской возвышенности.

В расчетах использовалась выборка, состоящая из 800 значений мощности экспозиционной дозы (МЭД). Результаты выполненных вычислений, показали, что среднее фоновое значение МЭД составляет 11,5мкР/ч (0,11 мкЗв/час), а пределы фоновых колебаний с вероятностью 95% не превышают ±2,4 мкР/ч (0,024 мкЗв/час). Таким образом, максимальное фоновое значение МЭД для Дигмайской возвышенности составляет 14 мкР/ч (0,14 мкЗв/час).

О том, что загрязнение обусловлено выносом радиоактивного материала с поверхности хвостохранилища, свидетельствует характер графиков распределения значений МЭД и активности естественных радионуклидов (ЕРН) по глубине шурфов, пройденных в СЗЗ (рис.1).

Максимальная активность почво-грунтов в интервале 0-0,1м обусловлена осаждением пылевых частиц на земную поверхность, их разрушением в ходе физико-химических процессов, возникающих в результате взаимодействия с осадками и кислородом воздуха и последующей миграцией ЕРН (226И.а, 232ТЬ, 40К, 137Сз) в почвенном слое.

Ш5Й2

0 у м м м т : 2Л 40 С,0 5Л ЦСПО'йи:

1 0 0 1111 1 3) 1ш -го -аз 0 иРЧс п 1 10 X I I х о о ео т а I Я) ш гаР'ч*

0.1 . ---- -* 0.1 У Ж"

о; ■ V -1' 0.4 .» ЕРН 0.2 -0,3 -0.1 . Р я У* ЕРН

о; о; од 0.5 -0,6 -0,7 -05

0« • 1Л - И- 0.9 -1.0 -Ь"

Рис. 1. Распределение значений суммарной эффективной активности АЭфф и МЭД по глубине шурфов.

Данные об изотопном составе отходов представлены в табл.1.

Таблица 1

Содержание изотопов 230ТЬ, 210Ро, 210РЬ в отходах хвостохранилища

Проба, № 23иТЬ 103, Бк/кг 210Ро 103, Бк/кг 210РЬ 103, Бк/кг

1 2 3 4

1 8,63 62,35 44,0

2 6,30 54,30 44,8

3 3,71 32,65 23,25

4 51,80 41,45 39,90

5 1,4 60,55 50,00

6 7,53 52,25 43,0

7 6,10 53,20 43,9

8 4,76 30,-61 22,29

9 52,50 42,40 37,80

10 2,0 61,42 49,10

Фоновые 0,8-1,3 8-14 8-10

Результаты выполненных исследований показывают, что радиоактивное загрязнение местности по гамма-излучению на 95-98% обусловлено 226Яа.

Изотопы 230ТЬ, 210РЬ, 210Ро являются бета- и альфа- излучателями. И вклад в радиоактивное загрязнение территории незначителен. На первом этапе работ были выполнены радиометрические и атмохи ми чески исследования.

Измерения выполнялись радиометрами СРП-68-01, МКС-07«Поиск» приборами РРА-01М-03 и РГА-09М. За период исследований выявлено, чт загрязнение распределения радиоактивности в почве незначительное составляет на поверхности СЗЗ до 70мкР/ч, а концентрация радона от 100 210 Бк/м3 или выше, значение ЭРОА радона 11-31 Бк/м3. Они относительн незначительны, но превышают фоновые значения для данной местност (рис.2.).

Оценка эффективности выполненных работ была проведена с учето принятого в 2006 г. нормативного документа (НРБ-06). Эксхаляция радоь изменяется в зависимости от степени загрязненности и от мощности структуры почвогрунтов от 0,05 до 2,31 Бк/м2*с, На втором этаг выполнялись литогеохимическое и биогеохимическое опробования.

Бк/м3

площадки

Рис.2. Динамики изменения ОА, ЭРОА и ППР в зависимости от времени года.

Примечание: ОА -объемная активность, ЭРОА эквивалентная равновесная объемная активность, ППР- плотность потока радона.

Работы выполнялись по профилям. При выборе их направления учитывалась роза ветров.

Объем гидрохимического опробования определялся количеством технически исправных скважин и родников, входящих в режимную сеть наблюдений.

Определение ЕРН производилось на гамма-спектрометре СЕГ-01

226 232

регистрации, в процессе измерений определялось содержание Ка, ТЬ, 40К, тС5.

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ В РАЙОНЕ ДИГМАЙСКОГО ХВОСТОХРАНИЛИЩА Физико-химические процессы массопереноса радона

Физико-химические процессы, отражающие динамику массопереноса радона и продуктов его распада от хвостохранилища в окружающую среду, схематично представлены на рис.3.

Z Склоны с

Рис.3. Динамика распространения радона

Динамика распространения радона определяется процессами радиационного распада и пространственно-временными вариациями метеорологических факторов. Произведена оценка годового выброса радона из хвостохранилища. Он оценивается в 6260 Ки/год.

Было выполнено математическое моделирование по оценке выброса радона с поверхности хвостохранилища с помощью программного комплекса «Эра». Расчеты были выполнены с использованием нормативной модели ОНД -86. Результаты расчетов приведены в табл.2. I

Таблица 2

Плотность потока и общая мощность выброса радона с поверхности Дигмайского хвостохранилища

№ ППР, Площадь источника, Мощность

источника Бк/м2*с 0,91, км2 источника, кБк/с

1 7,6 0,24 1824

2 7,5 0,28 2100

3 6,8 0,20 1360

4 8,0 0,14 1120

5 6,8 0,05 340

общий выброс радона 6750

Средняя величина годового выброса по результатам моделирования и практических замеров составляет 6505 Ки/год. Относительное расхождение между данными замеров и моделирования оценивается в 17-18 %.

С целью определения влияния гранулометрического состава слоя нейтрального грунта, на процесс миграции радона, нами были проведены исследования на трех моделях, в каждой из которых эманирующий слой был перекрыт нейтральным грунтом, содержащим фракции различных классов крупности (табл.3).

Для оценки реального коэффициента диффузии радона в нейтральных суглинках выполнены исследования на баковой модели.

После установления диффузионного равновесия через трубки отбирались пробы воздуха, определялась концентрация радона, и вычислялся кажущийся коэффициент диффузии. Средний коэффициент диффузии для модели равен 14,709 *10"3 см2*с"'. Это означает, что для не менее чем 100-кратного ослабления радоновыделения необходима засыпка отходов слоем нейтральных суглинков толщиной около 3,7-3,8м.

Как видно, из табл.3 наиболее уплотненным слоем является третий. Ему соответствует наименьшее значение О*. Наименее уплотнен первый слой, характеризующийся максимальным коэффициентом диффузии. Поэтому, при консервации хвостохранилищ предлагаемым материалом, исключительно важную роль играет уплотнение при укладке.

Одновременно с экспериментальными исследованиями было выполнено математическое моделирование послойного распределения концентрации радона с использованием программного комплекса «Есо^о» (рис.4).

Постоянные значения концентрации радона наступает в первом и во втором слоях для моделей I и II на 20-й и 15 день, и в третьем слое, контактирующем с атмосферой, на 30-й и 25-й день соответственно.

Бк/м3

а)

Источник

I слой.

II слой.

III слой.

20 40 Время (дни)

Бк/м3 б)

Источник

I слой.

II слой. /"" III слой.

0 20 40 Время (дни)

Бк/м3

600 -500 ■ 400 ■ 300 -)[ 200 -100 -I 0 ■

0 20 40 Время (дни)

Рис.4. Кинетические кривые эксхаляция радона-222 в различных фракциях: а) модель 1(класс-50+25мм); б) модель 2 (класс-25+10мм); в) модель 3 (класс-10мм) Приведенные данные свидетельствуют о том, что сроки установления равновесной концентрации радона в слоях нейтрального грунта зависят от интенсивности миграции радона, которая определятся его гранулометрическим составом. Модель демонстрирует также роль уплотнения суглинков при их укладке. Эти значения приведены в табл.3

Таблица 3

Расчетные значения коэффициента диффузии Э*

№ п/п Слой Интервал, см D*10 \ см2*с1

1 1 120-100 22,670

2 2 100-80 16,776

3 3 80-60 8,647

4 4 60-40 12,709

5 5 40 - 0,0 12,335

Средний D* 14,627

Наиболее интенсивно радон мигрирует в грунтах, представленных крупными фракциями (Модель I). С уменьшением класса крупности фракций она снижается (Модель II). Наиболее низкая интенсивность миграции радона отмечается в грунтах, представленных мелкими фракциями (Модель III).

Время установления равновесных концентраций в слоях модели III отличается от результатов полученных для первых двух моделей.

Бк/м3

Т,=303

Бк/м3

Т2-293

Бк/м3

14-283

2Ю

403 300 2Ш 100 0 +

II слой. Ш слой.

1, дней

^ дней

20 40

1.ДНСЙ

Рис.5. Кинетические кривые эксхаляции радона для модели 1. (класс - 50 + 25мм)

Для первого, второго и третьего слоев оно составляет 12, 15 и 20 дней соответственно.

Нами также исследована кинетика эксхаляции радона-222 на фракциях (класса -50+25мм) при разных температурах (283,293,303К). На рис.5 приведены кинетические кривые измерения объемной активности (Бк/м3)в зависимости от времени поступающего в атмосферный воздух (эксхаляция радона-222) и от температуры. Результаты исследований обобщены в табл.4

Рассчитанные значения плотности потока радона изменяются от 1,42 до 4,70 Бк*м"3*с"\ в зависимости от температуры и слоя покрытия.

Характер кривых показывает, что эксхаляция радона-222 проходила по закону, приближающемуся к параболическому с повышением температуры воздуха увеличивается эксхаляция радона-222.

Таблица 4

Влияние слоев покрытия на кинетические и энергетические параметры процесса эксхаляции радона -222

Слои модели Температура эксхаляции радона, К Истинная скорость эксхаляции радона, Бк*м"3*с"' Кажущаяся энергия активации, кДж/моль

Слой 1 283 3,08 1,22

293 3,73

303 4,70

Слой 2 283 2,14 2,03

293 2,90

303 3,07

Слой 3 283 1,42 3,20

293 2,14

303 2,74

При площади хвостохранилища равной 90 га и среднем значении плотности потока радона-222, равном 40 Бк*м"3с"1 годовое поступление радона в атмосферу может составлять 1,13*1015 Бк/год (30,6 кКи/год). Этот результат показывает, что проблема эксхаляции радона может оказываться более острой, чем это оценивалось ранее.

Разнос пыли и продуктов распада радона с атмосферным воздухом, способствует расширению границы загрязнения поверхности почвы на прилегающих территориях. Истинная скорость эксхаляции радона-222 на первом слое, вычисленная по касательным, приведенным от начала координат к кривым и рассчитанная по формуле К = АОА * А\. составляет 3,08 и 4,70 Бк*м"2*с"' соответственно при температурах 283, 293 и 303 К.

Кажущаяся энергия активации эксхаляции радона-222, вычисленная по тангенсу угла наклона прямой зависимости £2К-1 /Т (рис.6.) и по формуле Е=2,3*11 tga = 4,575^а, составляет 1,22 кДж/моль.

0,8

0,6

0,4

0,2

1еК

-I слой -II слой -III слой

3,2 3,3

Рис.6. Зависимость от 1/Т

3,4

3,5

1/Т * 1(Г

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ТЕРРИТОРИИ ДИГМАЙСКОГО ХВОСТОХРАНИЛИЩА

Состояние загрязненности почв и растительного покрова в рассматриваемые периоды приведено на диаграммах (рис.7). Наибольший рост загрязнения отмечался в 2004 г. Это обусловлено высыханием прудка хвостохранилища, увеличением пылящей поверхности и объемов выносимого материала. Снижение темпов загрязнения в 2009 г связано с увеличением площади растительного покрова на поверхности хвостохранилища и образованием такыра на дне высохшего прудка.

2,9

3,5

3.8 3,5

1,!

1991 2004 2009 год

Рис.7. Загрязненность почвенного и растительного покрова.

Химический состав жидкой фазы радиоактивных отходов и усредненные данные о составе незагрязненных подземных вод водоносного комплекса в районе хвостохранилища приведены в табл.5

Таблица 5

Химический состав жидкой фазы отходов Дигмайского

№ Компоненты Дигмайское хв- Подземные ПДК,

п/п ще, мг/л воды, мг/л мг/л

1 Уран природный 0,35-0,5 1,2*10"4 1,8

2 Радий -226 10-12 Бк/л 0,01-0,008 0,5

3 Полоний - 210 2,0-2,6 Бк/л 0,12

4 Железо 800-850 20-50 300

5 Магний 500-600 45-60

6 Марганец 60-70 0,01-0,1 0,1

7 Натрий +калий 230-320 20-100

8 Хлориды (СГ) 100-120 200-250 350

9 Нитраты (N03 ) 600-800 90-100 45

10 Сульфаты 10200-11100 100-1100 500

11 Сухой остаток 9800-12000 2600-2800 1000

В процессе фильтрации жидкой фазы отходов из хвостохранилища отмечается зональность в распределении ореолов загрязнения от отдельных компонентов. В особенности это относится к тем из них, концентрация которых в растворах контролируется величиной рН. По основным макрокомпонентам зональность имеет вид Ре3+—»Ре2+—>Са2+—> СГ—► ЪЮ3"— 8042", т.е. в целом загрязнение подземных вод контролируется ореолом сульфатного загрязнения.

Механизм формирования ореола сульфатного загрязнения заключается в следующем. Между инфильтратом пульпы, представленным в основном серной кислотой и содержащимся в породе в составе солей (СаС12, СаС03, Са[М03]2), кальцием, происходит взаимодействие типа: Са2+ +Н2804 <-> Са804+2Н+ (1)

Наиболее вероятна реакция типа: СаС03+Н2804^Са8041+Н2С03-^С02->Н20 (2)

Образующийся гипс при определенных условиях может диссоциировать в растворе Са804<->Са2++8042\ Системы 1 и 2 находятся в динамическом равновесии, константа которого определяется соотношением К= [Н+]2х[Са804] / [Н2804]х[Са2+]

Все реакции между 8().| " , N03" , СГ с одной стороны и Д/^ , Са , К Ре3+, >Ш4+ с другой, являются ионными, гомогенными. Анионный и катионный состав прудковых вод приведен в табл. 6.

Таблица 6

Содержание основных анионов и катионов в прудковых водах

Ионы Показатели Ионы Показатели

г/л мг-экв/л г/л Мг-экв/л

8042" 10,71 222,97 Mg2+ 1,94 159,54

СГ 0,1 2,82 Са2+ 0,5 24,95

Ж)3" 0,4 6,45 К+ 0,1 2,56

№+ 0,1 4,35

Ре3+ 0,4 21,49

ЫН4+ 0,35 19,40

рН прудковых вод 2,5

В зоне, кальцийсодержащих пород наблюдается уменьшение1 концентрации [Са2+], что влечет за собой и уменьшение [Н+] и [Са804], т.е. равновесие смещается влево и идет растворение ранее выпавшего гипса Са804 —> Са2++8042".

Следовательно, в различные периоды времени идут два процесса. Первый обусловлен взаимодействием серной кислоты, содержащейся в инфильтрате, с цементом конгломератов. Второй процесс при поступлении новых порций инфильтратов с низкими значениями рН и при недостатке кальция в подземных водах.

р. иырдйръл:

т I гг ГТ™

т. 2

Пойма р. Сырдаръя (рисовые ЧСШ11

Условные обозначения: °86 - скважина режимной сети;

-30- -кажущееся удельное электрическое сопротивление, Омм.

г. .луджанд

Фруктовые сады "64

ГП^рггтт

"133

"26

»д» / !

ПастЬшдЦ, 5П -^Йнинт]!»^!

Х^/ \ |П?1ГТПГрЛ ДТЧТ1ГГР1

>'91,9 24-*»«^ ¡¿вГ)

Рис.8. Карта изоом и расположения скважин гидрохимического опробования

Совместный анализ данных вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и гидрохимического опробования скважин позволил установить взаимосвязь между кажущимся удельным сопротивлением водоносного слоя (рк) и минерализацией содержащейся в нем пластовой воды (рис. 8).

Построенная карта изоом по кровле минерализованного слоя имеет достаточно высокую контрастность - кажущееся удельное сопротивление изучаемого водоносного комплекса изменяется от 5 до 150 Омм.

Анализ полученной информации говорит о наличии в районе хвостохранилища двух источников загрязнения подземных вод, первый связан с хвостохранилищем, а второй с поливным земледелием.

ВЫВОДЫ

1. Изучены изотопный и химический состав радиоактивных отходов Дигмайского хвостохранилища. Показано, что радиоактивное загрязнение на 95-98% обусловлено 226Ra и продуктами его распада 210Ро, 210РЬ. Загрязнение тяжелыми металлами связано с физико-химическими и радиологическими особенностями радиоактивных отходов и определяется содержанием и формой нахождения в них U, Mn, Ni, V, Cr, Mo, Pb, Zn.

2. Изучены физико-химические процессы миграции элементов, приводящие к загрязнению биосферы, гидросферы и атмосферы отходами хвостохранилища и содержащимися в них компонентами. По результатам радиологических замеров и физико-химических анализов определены масштабы и динамика загрязнения.

3. По данным экспериментальных исследований и математического моделирования оценен выброс радона с поверхности хвостохранилища и установлены причины, приводящие к его резкому возрастанию. Рассчитаны концентрации радона на высоте до 2 м над поверхностью хвостохранилища. Установлено, что максимальный вынос радона за пределы хвостохранилища не превышает до 1км.

4. На моделях исследованы процессы диффузии радона в нейтральных грунтах различного гранулометрического состава. Показано, что наиболее эффективно замедление диффузионных процессов происходит в грунтах с максимальным содержанием мелких фракций.

5. Разработан комплекс физико-химических и радиометрических методов радиоэкологического мониторинга хвостохранилища и предложены пути его реализации.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях

1.Разыков З.А., Юнусов М.М, Беззубов Н.И., Кавыршин С.Г., Тиллобоев Х.И. Геоботанический метод исследований радиоактивных загрязнений // III- Международная конференция «Актуальные проблемы урановой промышленности» . Казахстан, г.Алма-Аты, 2004 -С.92-95

2. Тиллобоев Х.И., Разыков З.А., Юнусов М.М Результаты биогеохимических исследований в районе Дигмайского хвостохранилища // Материалы Международной конференции. Ферганская долина: основные проблемы техногенных наследий, урановое наследие в Таджикистане. Кайраккум, 2006. -С.30-35

3. Юнусов М.М, Беззубов Н.И., Кавыршин С.Г., Тиллобоев Х.И. Физико-химическая характеристика отходов Дигмайского хвостохранилища // Доклады АН Республики Таджикистан. - 2007.- Том 50 -№6,- С 527-532.

4. Ynusov М.М., Razikov Z.A., Bezzubov N.I., Tilloboev H.I. Rehabilitation of uranium mines in northern Tajikistan Nuclear Risk in Central Asia. // Springer Science+Business Media B.V. Norvey. -2008. p. 69-76.

5. Юнусов M.M., Беззубов Н.И., Тиллобоев Х.И. Влияние ферросплавов на окружающую природную среду // Доклады АН Республики Таджикистан. 2008.- Том 51- №9,- С.696-700.

6. Тиллобоев Х.И., Юнусов М.М., Беззубов Н.И., Результаты исследований по моделированию процесса диффузии радона в нейтральном консервирующем слое // II - Республиканская конференция «Использование современных технологий в переработке горных минералов и металлургии». Чкаловск 2008. С.85-90.

7. Тиллобоев Х.И., Юнусов М.М., Разыков З.А. Биогеохимический мониторинг техногенных загрязнений // II - Республиканская конференция «Использование современных технологий в переработке горных минералов и металлургии». Чкаловск. 2008. с.90-98.

8. Тиллобоев Х.И., Беззубов Н.И., Юнусов М.М. О биогеохимических исследованиях в районе Дигмайского хвостохранилища // Доклады АН Республики Таджикистан. 2009,- №3(136).- С. 44-48

9. Ковыршин С.Г., Разыков З.А., Юнусов М.М, Беззубов Н.И., Тиллобоев Х.И. Выбор оптимальной модели распределения концентрации радона на примере Дигмайского хвостохранилища // Горный журнал Российской Федерации № 12 Москва., 2009.- С. 59-62.

10. Тиллобоев Х.И., Файзуллаев Б.Г., Юнусов М.М, Беззубов Н.И. Миграция радона в нейтральных средах различного гранулометрическог состава // III - Республиканская конференция «Переработка горны

минералов » Чкаловск. 2009,- С. 122-126.

11. Тиллобоев Х.И., Файзуллаев Б.Г., Юнусов М.М, Беззубов Н.И. Результаты биогеохимических исследований в СЗЗ Дигмайского хвостохранилища // VI Нумановское чтение, Душанбе, 2009.- С. 24-25

12. Юнусов М.М., Ковыршин С.Г., Беззубов Н.И., Тиллобоев Х.И. Моделирование физико-химического процесса миграции радиоактивных веществ с территории хвостохранилищ уранового производства // Международная практическая конференция «Инженеринговая система 2009». Москва 6-9 апреля 2009.- С. 78-80

13. Ковыршин С.Г, Беззубов Н.И., Разыков З.А., Тиллобоев Х.И. Определение параметров защитного покрытия хвостохранилищ радиоактивных отходов // Материалы республиканской конференции «Актуальные проблемы преподавания естественных и технических наук в средних и высших школах». Худжанд, 2010.- С.128-133.

Разрешено к печати 22.09.2010. Подписано в печать 24.09.2010. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл.печ.л 1,5. Тираж 100 эзк. Заказ №121

Отпечатано в типографии ООО «Эр-граф». 734036, г. Душанбе, ул. Р.Набиева 218.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата химических наук, Тиллобоев, Хакимджон Ибрагимович

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ ОРЕОЛА РАДИОАКТИВНОГО

ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА

1.1. Загрязнение окружающей среды на различных этапах ядерно-топливного цикла.

1.2. Образование отходов переработки радиоактивного сырья.

1.3. Физико-химическая характеристика отходов.

1.4. Физико-химические процессы в хвостохранилище радиоактивных отходов.

1.5. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ В РАЙОНЕ ДИГМАЙСКОГО ХВОСТОХРАНИЛИЩА

2.1. Выбор объекта и методов исследований.

2.2. Изучение вещественного состава проб.

2.3. Физико-химические процессы пылевого массопереноса радионуклидов.

2.4. Миграция радона на территории Дигмайского хвостохранилища.

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ТЕРРИТОРИИ

ДИГМАЙСКОГО ХВОСТОХРАНИЛИЩА

3.1. Определение фоновых значений гамма-излучения.

3.2. Геохимические исследования загрязненности почв в районе Дигмайского хвостохранилища.

3.3. Оценка миграции долгоживущих радионуклидов в системе «хвостохранилище - почва - растение».

3.4. Оценка динамики загрязнения подземных вод.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертация по химии, на тему "Физико-химические методы контроля массопереноса в системе "отходы урановых руд - окружающая среда" на примере Дигмайского хвостохранилища Таджикистана"

Основная масса радиоактивных отходов непосредственно поступает в окружающую среду и по величинам активности в ней радионуклидов, их радиационное воздействие на население и экосистему может создавать ситуации, требующие проведение мероприятий по локализации и снижению воздействия отрицательных факторов. Поэтому на всех объектах, связанных с физико-химическими процессами, влияющими на радиационную обстановку, мониторинг радиоактивных загрязнений объектов природной среды приобретает все большую актуальность.

Особенно остро эта проблема стоит в Северном Таджикистане. За более чем шестидесятилетний период промышленного освоения атомной энергии здесь накоплено значительное количество радиоактивных отходов. На Дигмайской возвышенности располагается хвостохранилище радиоактивных отходов, до настоящего времени относящееся к категории «действующее» и представляющее реальную опасность, выражающуюся в загрязнении воздушного, водного бассейнов, почвенно-растительного покрова в районе его влияния. Радиационная обстановка в районе хвостохранилища определяется не только уровнем радиоактивного загрязнения, но также процессами, контролирующими миграцию радионуклидов таких как 238и, 226Яа, 232ТЬ, 40К. Здесь крайне необходим радиационный мониторинг загрязненных территорий, охватывающий все сферы природной среды и служащий основой дифференцированной радиоэкологической оценки и планирования реабилитационных мероприятий. ' ' "

В предлагаемой работе рассматриваются физико-химические проблемы, связанные с постановкой, реализацией' и проведением радиоэкологического мониторинга, проводится анализ, и представляются некоторые результаты мониторинга радиоактивных загрязнений в районе Дигмайского хвостохранилища. 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ

Целью настоящей работы является разработка и реализация комплекса физико-химических методов, позволяющих сформировать всесторонний радиоэкологический мониторинг на хвостохранилищах отходов гидрометаллургической переработки урановых руд, и на этой основе оперативно решать вопросы управления отходами, контролировать состояние и оценивать экологические риски, связанные с хвостохранилищами на различных стадиях их эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью в процессе выполнения исследований были решены следующие задачи:

-изучены физико-химические особенности радиоактивных отходов Дигмайского хвостохранилища;

-изучены физико-химические процессы миграции, приводящие к загрязнению биосферы, гидросферы и атмосферы отходами хвостохранилища и содержащимися в них компонентами;

-разработан комплекс физико-химических и радиометрических методов4 контроля за состоянием объектов окружающей среды;

-исследованы на моделях процессы диффузии радона в нейтральных грунтах различного фракционного состава, по результатам которых возможен выбор их оптимального соотношения.

Научная новизна работы. На основании радиологических замеров и физико-химических анализов определены границы контуров загрязнения поверхности и подземных вод. Исследована динамика загрязнения атмосферы радоном в зависимости от времени года. Изучены процессы диффузии радона на моделях с нейтральным грунтом различного гранулометрического состава: Показано, что наиболее эффективно на замедление кинетических процессов влияют грунты, содержащие максимальное количество мелких фракций.

По результатам изучения процессов абиогенной и биогенной миграции элементов загрязнителей выявлено, что корневая система доминирующих растений - сосредоточена в почвенном слое с основным содержанием радионуклидов. Определены коэффициенты биологического поглощения растений и перехода радионуклидов в системе «хвостохранилище — почва -растение».

Практическаягзиачимость работы. Полученные в работе количественныё данные характеризующие радиоэкологическую обстановку в районе

4 Д

Дигмайского хвостохранилища использованы для- разработки текущих природоохранных мероприятий. Автором предложена и организована реперная сеть радиационного мониторинга- включающая 22 контрольные площадки на. загрязненной радионуклидами территории и за; пределами; санитарно-защитной зоны хвостохранилища.

Получены предварительные исходные: данные для проектирования работ по консервации хвостохранилища ^реабилитации загрязненныхтерриторий. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:; -результаты^ исследования; физико-химических процессов? миграции, приводящие к загрязнению- биосферы, гидросферы и атмосферы отходами; хвостохранилища т содержащимися в них компонентами, включающие анализ экспериментальных данных, оценку покомпонентного состава' отходов^ показатели среднего; ж максимального содержания радионуклидовi в отходах; почвах и подземных водах;

-динамика, изменения эксхаляции '222Rh с. поверхности Дигмайского хвостохранилища при различных метеоусловиях;

222

-результаты исследований' на моделях процесса диффузии» Rn в нейтральных грунтах различного гранулометрического состава, рекомендуемые для консервирующего покрытия хвостохранилища;

-оценка миграции долгоживущих радионуклидов в системе «хвостохранилище - почва — растение»;

-оценка динамики загрязнения подземных вод. v. -"

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 научных статей и 8 тезисов докладов^

Апробацияi работы. Основные' положения? диссертации обсуждались на Международной* научно-практической5 конференции «Актуальные проблемы, урановой промышленности» (г.Алматы, 2004г.); Международной' конференции «Ферганская долина:; основные проблемы техногенных наследий, урановое наследие в Таджикистане» (г.Кайраккум/ 2005г.); Rehabilitation of uranium mines in northern Tajikistan (Norway, 2006г.); Ii Республиканской научно-практической конференции«Использование современных технологий в переработке горных минералов и металлургии » (г.Чкаловск, 2008г.); III Республиканской конференции «Единение нации и развитие науки и техники» (г.Чкаловск, 2009 г.) и VI - Нумановских чтениях (г.Душанбе, 2009г.); Республиканской конференции «Актуальные проблемы преподавания естественных и технических наук в средних и высших школах». (г.Худжанд, 2010); на техническом совете ГП «Востокредмет».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа представляет собой рукопись, изложенную на 124 страницах компьютерного набора, содержит: введение, обзор литературы, результаты исследований и их обсуждение, выводы, список цитируемой литературы, включающий 97 наименований библиографических ссылок, а также приложение. Работа иллюстрирована 24 рисунками и 25 таблицами.

Заключение диссертации по теме "Физическая химия"

вывзоды

1. Изучены изотопный и химический состав радиоактивных отходов Дигмайского хвостохранилища. Показано, что радиоактивное загрязнение на 95-98% обусловлено 226Ка и продуктами его распада 210Ро, 210РЬ. Загрязнение тяжелыми металлами связано с физико-химическими и радиологическими особенностями радиоактивных отходов и определяется содержанием и формой нахождения в них и, Мп, V, Сг, Мо, РЬ,

1 . > и . ч" загрязнения.