Адаптация обычных технологий водоподготовки для удаления органических компонентов из жидких радиоактивных отходов: механизмы сорбции и коагуляции

Почему очистка радиоактивной воды важна для всех

Атомные электростанции, научно-исследовательские центры и больницы генерируют жидкие радиоактивные отходы, которые часто содержат инертные органические вещества, такие как масла, моющие средства и растворители. Эти органики усложняют и удорожают очистку отходов и могут мешать безопасной фиксации радионуклидов в твердой форме. В данном исследовании изучалось, можно ли с помощью привычных методов, применяемых для питьевой воды и городских сточных вод, удалять такие органические загрязнители из радиоактивных жидкостей, предлагая более дешёвый и практичный вариант — особенно актуальный для стран вроде Украины, испытывающих военные нагрузки на водные и энергетические ресурсы.

Старые методы для нового типа отходов

Современные ядерные объекта часто используют передовые технологии — мембраны, плазму или сильные окислители — для обработки жидких радиоактивных отходов. Несмотря на эффективность в лабораторных условиях, эти подходы энергозатратны, технически сложны и ещё не широко доступны в виде готового промышленного оборудования. Между тем знакомые методы очистки питьевой воды — адсорбция на активированном угле, коагуляция с солями металлов и простая фильтрация — хорошо отработаны, относительно недороги и просты в эксплуатации. Центральный вопрос исследования заключался в том, можно ли адаптировать эти устоявшиеся приёмы, широко используемые на городских водоочистных станциях, для удаления органической составляющей жидких радиоактивных отходов и облегчения последующей их стабилизации и хранения.

Как этапы очистки работают вместе

Исследователи составили модель жидких отходов, имитирующую органический комплекс, типичный для ядерных объектов: гидразин, органические кислоты, моющие средства и другие распространённые добавки в воде. Затем применяли трёхшаговую обработку: сначала вносили мельчайший порошок активированного угля и аккуратно перемешивали, чтобы адсорбировать растворённые органические молекулы на его обширной внутренней поверхности. Затем вводили порошковый бентонит украинского месторождения в качестве зависящего от мутности агента, после чего добавляли раствор хлоридов железа в роли коагулянта. На этом этапе железосодержащие соединения способствовали связыванию взвешенных частиц и бентонита в более крупные комки, унося с собой дополнительные органики. После короткого периода отстаивания осветлённую воду пропускали через фильтровальную бумагу, чтобы улавливать образовавшийся осадок, получая значительно более чистую жидкость.

Что показали эксперименты

Команда оценивала органическое загрязнение по трём стандартным показателям: суммарный органический углерод (TOC) и двум версиям химической потребности в кислороде — COD(Mn) и COD(Cr), отражающим, какое окислительное воздействие требуется для разрушения органики. При оптимальных дозах активированного угля, бентонита и хлоридов железа процесс сократил TOC примерно в 2,85 раза, COD(Mn) — в 2,63 раза, а COD(Cr) — в 4,19 раза, что соответствует приблизительно 75% удалению растворённых органических веществ. Статистический анализ показал, что основными факторами эффективности были активированный уголь и железосодержащий коагулянт, тогда как роль бентонита была более тонкой. При умеренных дозах бентонит ускорял коагуляцию и седиментацию, но при избытке он стабилизировал коллоиды и снижал общий выход удаления органики.

Как понимать разные тесты на загрязнение

В практической лабораторной практике анализы органического загрязнения могут проводиться разными методами: кто-то использует COD(Cr), кто-то COD(Mn) или TOC. Чтобы преодолеть эти несоответствия, авторы разработали математические «модели преобразования», позволяющие оценить один показатель по другому с помощью простых уравнений. В пределах экспериментального диапазона COD(Cr) можно достоверно переводить в COD(Mn) или TOC, что помогает операторам сравнивать результаты, оценивать эффективность очистки и принимать решения, даже если доступен только один тип теста. Это облегчает интеграцию предлагаемого метода в существующие системы управления без кардинальной перестройки лабораторных процедур.

От ила к твердой безопасности

Помимо очистки воды, в работе рассматривается судьба улавливаемых загрязнителей. Комбинация сорбции и коагуляции концентрирует органику и радионуклиды в осадке, который затем можно вводить в специальные щелочные бетоны — геобетоны. Такие материалы устойчивы к выщелачиванию и не требуют высокотемпературной обработки, обеспечивая надёжный способ фиксации радионуклидов в твердой форме и возвращения очищенной воды в окружающую среду. Для Украины, где атомная энергия важна, пресная вода ограничена, а инфраструктура под давлением из-за войны, такие недорогие, энергоэффективные и надёжные методы могут существенно снизить риски, связанные с хранением жидких радиоактивных отходов.

Что это означает простыми словами

Проще говоря, исследователи показали, что не всегда требуется передовое и энергоёмкое оборудование, чтобы сделать радиоактивные сточные воды безопаснее. За счёт разумного сочетания хорошо известных этапов — адсорбция органики на активированном угле, коагуляция с глиной и солями железа, а затем фильтрация — удалось добиться трёх- — четырёхкратного снижения органического загрязнения. Это упрощает перевод оставшихся радиоактивных жидкостей в стабильную твердую форму и сокращает объём опасной жидкости, требующей хранения. Для общества это означает более доступные и реализуемые способы контроля за жидкими побочными продуктами ядерной энергии, даже в регионах с ограниченными бюджетами и напряжённой инфраструктурой.

Цитирование: Charnyi, D., Zabulonov, Y., Lukianova, V. et al. Adaptation of conventional water treatment technologies for organic component removal from liquid radioactive waste: sorption and coagulation mechanisms. Sci Rep 16, 2626 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36799-2

Ключевые слова: радиоактивные сточные воды, активированный уголь, бентонитовая глина, коагуляция и фильтрация, обработка ядерных отходов