Секція „Екологія”

Підсекція ”Радіаційна безпека і

соціально-екологічні проблеми”

Ковжога С.О., к.х.н., доцент; Писарєв А.В., к. військ. н., доцент;

Тузіков С.А., к.т.н., с.н.с.; Карманний Є.В., к.т.н., доцент;

Лазутський А.Ф., к. військ. н., доцент

Національний університет „Юридична академія України

імені Ярослава Мудрого”, м. Харків, Україна

Деякі аспекти дезактивації з використанням розчинів на основі поверхнево-активних речовин

Видалення радіоактивних (РА) забруднень при реалізації любого способу дезактивації відбувається в дві стадії [1]. Перша стадія процесу дезактивації заключається в подоланні зв’язку між носіями РА забруднень (РА частинки, радіонукліди в вигляді молекул чи іонів) і поверхнею об’єкта, що обробляється.

Не менш важливою є і друга стадія – яка заключається в транспортуванні РА забруднень з поверхні об’єкта.

Для дезактивації з використанням розчинів на основі поверхнево-активних речовин (ПАР) характерні так само дві стадії процесу. Перша стадія полягає в змочуванні оброблюваної поверхні, руйнуванні зв'язку РА забруднень з поверхнею і переведення їх у розчин. Під час другої стадії повинне бути виключене вторинне осідання РА речовин, що знаходяться в розчині, і видалення цих речовин за межі об'єкта дезактивації.

Зупинимося більш докладно на фізико-хімічних основах, що визначають стадії процесу дезактивації. У процесі дезактивації змочування визначає повноту контакту дезактивуючих розчинів (ДР) з поверхнею, що обробляється і з РА забрудненнями на ній. При недостатньому змочуванні частина РА речовин і забрудненої поверхні будуть знаходитися поза сферою дії ДР. Змочування створює необхідні умови для наступного здійснення першої стадії процесу дезактивації.

Кількісно змочування визначається крайовим кутом [2] і визначається за формулою:

(1)

де - поверхневий натяг на границі розділу фаз тверде тіло - газ; - поверхневий натяг на границі розділу фаз тверде тіло - рідина; - поверхневий натяг на границі розділу фаз рідина - газ.

Поверхневий натяг твердого тіла на границі з газовим і рідким середовищем практично не змінюється, а поверхневий натяг рідини на границі з газовим середовищем можна різко знизити при введенні у воду ПАР. При 20 °С поверхневий натяг води дорівнює 72,75 мДж/м², а при введенні у воду невеликих кількостей ПАР (0,01— 0,1%) поверхневий натяг знижується більш ніж у 2 рази. Зниження поверхневого натягу відповідно до рівняння (1) приводить до росту , що у свою чергу означає зниження крайового кута і поліпшення змочування. Ще раз підкреслимо, що рівняння (1) має ряд істотних обмежень, головне з них — поверхні, що прилягають до і після адгезії, повинні залишатися незмінними. Фактично в зоні контакту мають місце адсорбція, дифузія й інші процеси, що змінюють поверхневий натяг [3, 4]. Проте, рівняння (1) дозволяє оцінити шляхи поліпшення змочування в процесі дезактивації.

Крім зниження поверхневого натягу зміна змочування визначається нерівностями оброблюваної поверхні і наявністю виїмок на ній. Кількісно ця зміна відповідно до формули (2) виражається за допомогою коефіцієнта .

(2)

де - крайові кути однієї і тієї ж рідини на шорсткуватій і гладкій поверхнях; - коефіцієнт, що показує ріст поверхні розділу фаз на шорсткуватій поверхні в порівнянні з гладкою.

У процесі обробки ДР повинні добре змочувати виїмки шорсткуватої поверхні, що відповідно до умови (3) досягається шляхом зниження крайового кута, тобто гідрофілізацією поверхні.

(3)

Розчини ПАР подібну гідрофілізацію реалізують за рахунок зниження поверхневого натягу і зменшення крайового кута. В умовах РА забруднення необхідна гідрофобізація поверхні, що відповідно до умови (4) перешкоджає проникненню РА речовин у виїмки і глибинному забрудненню.

(4)

При дезактивації навпаки — гідрофілізація обумовлює глибинну дезактивацію при перебуванні РА у виїмках, порах і при обробці капілярно-пористих тіл [2]. Таким чином, ПАР дозволяє регулювати змочування оброблюваної поверхні і її гідрофілізацію.

Молекули ПАР на оброблюваній поверхні і на РА забрудненнях формують адсорбційні шари [3, 4], що здатні різко (на 2—4 порядки по порівнянь з повітряним середовищем) знизити адгезію між частинками РА забруднень і поверхнею. Причому адгезія настільки слабшає, що деякі РА забруднення здобувають здатність мимовільно переходити в розчин.

У випадку забруднення поверхонь адсорбованими РН [2] перша стадія процесу дезактивації представляється в наступному виді:

(Поверхня + РН) + ДР —> Поверхня + (ДР + РН).

Якщо позначити Ме⁺ РН, що адсорбується на активних центрах поверхні R, то процес десорбції, тобто перехід РН у ДР умовно виразиться як:

. (5)

Для дезактивації потрібний зсув рівноваги (5) вправо убік переходу РН у розчин шляхом зв'язування іона РН (Ме⁺), або за рахунок іонного обміну [2].

Зсув рівноваги вправо приводить до того, що швидкість прямої реакції буде перевищувати швидкість зворотної реакції . На підставі кінетичних представлень і умови (6)

, (6)

швидкість прямої реакції можна представити в такий спосіб:

(7)

Радіоактивні забруднення, що перейшли в результаті першої стадії процесу в ДР, повинні бути вилучені з поверхні об'єкта дезактивації; причому в ході цього видалення, тобто другої стадії процесу, необхідно уникнути контакт РА забруднень із вже обробленою поверхнею.

Таким чином, у другій стадії процесу дезактивації РА забруднення повинні знаходитися в об’ємі ДР і утримуватися там. Це досягається різним шляхом. У відношенні РА частинок водні розчини ПАР діють подібно водяним струменям — на поверхні утвориться плівка рідини, що виконує транспортуючі функції. Аналогія цих двох способів неповна. З однієї сторони в зв'язку зі значним зменшенням витрати ДР у порівнянні з витратою води товщина плівки значно менше. Іноді навіть порушується щільність плівки, що сприяє осіданню РА частинок і вторинному забрудненню. З іншого боку, наявність адсорбційного шару ПАР значно знижує силу адгезії і збільшує тим самим транспортуючу здатність плівки, що рухається.

Крім того, водні розчини деяких ПАР, що називаються колоїдними, мають цілий комплекс колоїдно-хімічних властивостей, що сприяють утриманню РА забруднення в розчині.

Рис. 1. Колоїдно-хімічні властивості ДР, що обумовлюють утримання різних РА забруднень у водному середовищі: 1 – суспендування; 2 - емульгування; 3 - піноутворювання; 4 - солюбілізація

Сукупний прояв колоїдно-хімічних властивостей схематично представлене на рис. 1 [1]. До числа цих властивостей відноситься суспендуюча, емульгуюча і піноутворююча здатність водних розчинів ПАР. Утворення у воді суспензії, емульсій і піни, до пухирців якої прилипають різні РА забруднення, визначає об'ємні властивості ДР на основі ПАР. Крім того, у розчині ПАР має місце процес диспергування, тобто здрібнювання твердих і рідких речовин, що сприяє утриманню РА забруднень у розчині. Більш докладно з цими процесами можна познайомитися в [3,4].

Таким чином, утримання РА забруднень у вигляді твердих і рідких композицій у розчині, розчинення РН, що знаходяться в іонній або молекулярній формі, визначають хід другої стадії процесу дезактивації.

В свою чергу фізико-хімічний процес дезактивації визначає склад дезактивуючих розчинів (ДР), що повинні включати ПАР, комплексоутворюючі речовини, що зв'язують радіонукліди (РН), і добавки. Подібну композицію різних речовин називають миючим засобом, їхній розчин — миючим розчином, а сукупність колоїдно-хімічних властивостей миючого розчину — миючою дією. Таким чином, саме миюча дія і визначає ефективність першої й особливо другої стадії процесу дезактивації.

Література:

1. Зимон А.Д., Пикалов В.К. Дезактивация. - М.: ИздАТ, 1994. – 336 с.

2. Ковжога С. О., Писарєв А. В., Тузіков С. А., Молодцов В. А. Деякі аспекти фізико – хімічних процесів поверхневого забруднення. Materiały III Międzynarodowej naukowi - praktycznej konferencij "Wiadomości naukowej myśli - 2007". Tym 9. Rolnictwo. Ekologia. Chemia i chemiczne techologie. Radiacyjne bezpieczecstwo I spoieczne – ekologiczne problemy. Przemyśl. Nauka i studia. 2007. C. 29 – 33.

3. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия, 1974.

4. Зимон А.Д. Мир частиц – коллоидная химия для всех. М.: Наука, 1988.