Radioactive Waste Evaporation - Part 1
Работа с радиоактивными отходами
Выпаривание радиоактивных отходов - Часть 1

A colleague came into the laboratory, brought a 0.5-liter bottle of brown liquid, and asked:

"Is there any way to precipitate it? I mean, reduce the turbidity."

The bottle contained radioactive waste. Humic acids gave it its brown color. At first, I thought my colleague wanted me to clarify the water by precipitating or destroying the organic matter responsible for the coloration.

"I can add iron(III) chloride, followed by sodium carbonate or calcium hydroxide. This will lead to the formation of an iron hydroxide precipitate, which absorbs the organic contaminants."

"Do you have these substances?"

I had the necessary reagents; the problem was locating them. They were stored in the unheated laboratory. In winter, the temperature there dropped below freezing, and now the room was cold and damp. Consequently, I rarely visited that laboratory.

Trying to recall where the jar of iron(III) chloride was, I couldn't help but picture a large industrial water treatment plant used to process water from the Dnipro River. Then I realized that the bottle did not contain natural water that needed to be treated with a coagulant, filtered, and disinfected to make it potable - it contained radioactive waste. I asked my colleague a few more questions.

It turned out that he was not interested in clarifying the water, but in transferring radioactive isotopes into a solid phase - a process he referred to as "precipitation." The goal was to measure the activity of cesium-137 in the contaminated water. To do this, the cesium had to be brought into a solid phase.

Thus, the cesium needed to be precipitated, along with any other radioactive isotopes that might be present in the sample. The question was which method would be most suitable. The precipitation needed to be as complete as possible - ideally quantitative. My colleague was not a chemist but a materials scientist, so he could not offer any guidance.

The chemical composition of the waste was unknown, so I decided that the safest approach would be to evaporate the solution, converting both dissolved substances and suspended particles into a solid residue. My colleague did not object.

I brought a porcelain evaporating dish. I did not dare place it directly on the hotplate, as the heat could be excessive, causing the liquid to boil violently and splash. Instead, I set up a sand bath and placed the dish on it, pouring in a small amount of the brown liquid. I plugged in the hotplate and waited. A long time passed, but the solution did not boil - the heating was too weak. I then placed the dish directly on the hotplate, but this did not help; the heat was still insufficient.

Eventually, I figured out how to connect the hotplate to a different electrical circuit - and the liquid immediately began to boil. The original circuit simply did not supply enough power. As the liquid evaporated, I added more. Judging by the appearance of the resulting solid, the solution contained a high concentration of inorganic salts. When I mentioned this, my colleague replied:

"I think you're right. The original solution contained a lot of nitric acid; I neutralized it with sodium hydroxide."

This response concerned me. I recalled an incident that had occurred in our laboratory before I began working at the institute. The staff had treated peat with perchloric acid, then with potassium hydroxide, and finally rinsed it with water. While the peat was drying in a drying oven, an explosion occurred. The cause was clear: the reaction of perchloric acid with potassium hydroxide produced poorly soluble potassium perchlorate. During rinsing, only a small portion dissolved, leaving the compound in the peat.

As is well known, perchlorates can form explosive mixtures with organic substances. Perchlorates containing organic cations are particularly dangerous.

In our case, sodium nitrate and organic matter were present in the solution. After evaporation, a substance with properties similar to those of gunpowder (black powder) would form. If overheated, the dry residue would most likely not explode but could ignite. Such a fire would be impossible to extinguish, since both the oxidizer and the fuel are contained within the same material. I would have to wait for the sample to burn out, ensuring that the combustion did not spread to surrounding objects.

To avoid overheating, I evaporated the sample only to a viscous slurry and then turned off the heat. The remaining water evaporated due to the residual heat of the hotplate, leaving behind a light-brown mass in the form of soft lumps.

My colleague then measured the activity of the sample. It turned out to be only 4 Bq (approximately 8 Bq/L). I checked the drinking water standards: the recommended limits were no more than 0.1 Bq/L for alpha-emitting isotopes and no more than 1 Bq/L for beta-emitting radionuclides. In other words, the activity of the waste was quite low.

Photos/Video

Работа с радиоактивными отходами
Выпаривание радиоактивных отходов - Часть 1

В лабораторию пришел коллега, принес 0.5 л бутылку с бурой жидкостью и спросил:

- Нельзя ли как-то осадить? Я имею в виду уменьшить мутность.

В бутылке были радиоактивные отходы. Бурый цвет им предавали гуминовые кислоты. Сначала я подумал, что коллега хотел, чтобы я осветлил воду, осадив или разрушив органические вещества, которые предавали воде окраску.

- Можно добавить хлорид железа (III), а затем прибавить карбонат натрия или гидроксид кальция. Образуется осадок гидроксида железа, который сортирует органические загрязнители.

- А эти вещества у тебя есть?

Необходимые вещества у меня были, проблема была в том, чтобы их найти. Реактивы хранились в лаборатории, где не было отопления. Зимой в помещении температура упала ниже нуля, сейчас там было холодно и сыро. Следовательно, я редко бывал в той лаборатории.

Пытаясь вспомнить, где находится банка с хлоридом железа (III), я мимо воли представил огромную промышленную установку водоподготовки, на которой проводится обработка речной воды из Днепра. И тут я осознал, что в бутылке ведь не содержится природная вода, в которую следует добавить коагулянт, профильтровать и провести обеззараживание, чтобы вода стала питьевой. В бутылке находились радиоактивные отходы. Я задал коллеге несколько дополнительных вопросов.

Оказалось, что его интересовало не осветление воды, а переведение радиоактивных изотопов в твердую фазу - процесс, который он называл "осаждение". Задача была измерить активность цезия-137, содержащегося в загрязненной воде. Для этого было необходимо перевести цезий в твердую фазу.

Итак, следовало осадить цезий, а также другие радиоактивные изотопы, которые могли содержаться в жидком образце. Вопрос, каким методом это лучше сделать? Необходимо было как можно более полное осаждение, в идеале - количественное. Коллега был не химиком, а материаловедом, поэтому он не мог мне помочь советом.

Химический состав отходов был неизвестен, поэтому я решил, что надежнее всего будет упарить раствор, в результате растворенные вещества и взвешенные частицы превратятся в твердый материал. Коллега не возражал против такого подхода.

Я принес фарфоровую выпарную чашку. Напрямую поместить чашку на плитку не решился, поскольку плитка давала слишком сильный нагрев, это могло вызвать бурное кипение и разбрызгивание отходов. Поместил на плитку песчаную баню, а на баню поставил чашку, налив в нее немного коричневой жидкости. Включил плитку в розетку, ждал. Прошло много времени, а раствор в чашке не закипел. Нагрев оказался слишком слабым. Поставил чашку напрямую на плитку, но и это не помогло - нагрев все равно был недостаточным.

Тогда догадался подключить плиту к другому электрическому щитку - сразу же началось кипение жидкости. Значит, в первой сети просто не хватало мощности. По мере испарения жидкости добавлял новые порции. Судя по внешнему виду образовавшейся твердой фазы, раствор имел высокую концентрацию неорганических солей. Когда я сказал об этом коллеге, тот ответил:

- Думаю, что ты прав. Исходный раствор содержал много азотной кислоты, я нейтрализовал его гидроксидом натрия.

Такой ответ меня обеспокоил. Я вспомнил случай, который произошел в нашей лаборатории еще до того, как я начал работать в институте. Сотрудники обработали торф сначала хлорной кислотой, затем гидроксидом калия, после чего промыли водой. Во время сушки торфа в сушильном шкафу произошел взрыв. Причина была очевидна: в результате реакции хлорной кислоты с гидроксидом калия образовался малорастворимый перхлорат калия. При промывке торфа водой лишь небольшая часть этого вещества растворилась. В результате в торфе остался перхлорат калия.

Как известно, перхлораты образуют взрывчатые смеси с органическими веществами. Особенно опасны перхлораты, которые содержат в своем составе органические катионы.

В нашем случае в растворе одновременно присутствовали нитрат натрия и органические вещества. Следовательно, после испарения воды образуется аналог черного пороха. В случае перегрева, сухой остаток, скорее всего, не взорвется, зато загорится. Огонь не удастся потушить, поскольку окислитель и топливо содержатся в одном материале. Придется ждать, пока образец сгорит и следить, чтобы пламя не перекинулось на окружающие предметы.

Чтобы избежать перегрева, я упарил образец до состояния вязкой кашицы и выключил нагрев. Оставшаяся вода испарилась за счет остаточного тепла электрической плитки. Образовалась светло-коричневая масса в виде непрочных комков.

Коллега провел измерение активности образца. Оказалось, что активность составляла целых 4 Bq (или около 8 Bq/L). Посмотрел нормы для питьевой воды. Оказалось, что ориентировочные цифры - не более 0.1 Bq/L для альфа-активных изотопов и не более 1 Bq/L для бета-активных радионуклидов. Другими словами, радиоактивные отходы оказались довольно низкоактивными.

Download the Video (109 Mb, .avi )

[ Radioactivity. Radioactive elements ]

Radioactivity/Radioactive Elements and Isotopes - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]