vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2024-69-1-76-88vestift-832Research ArticleДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМDIAGNOSTICS AND SAFETY OF TECHNICAL AND ENVIRONMENT SYSTEMSАнализ влияния алюмосиликатных сорбентов на иммобилизацию 137Cs в цементном компаунде и его механическую прочностьAnalysis of the influence of the aluminosilicate sorbents on the immobilization of 137Cs in the cement compound and its mechanical strengthЛеонтьеваТ. Г.LeontievaT. G.

Леонтьева Татьяна Геннадьевна – старший научный сотрудник лаборатории радиохимических исследований природных сред и экспертизы радиоактивных материалов 

а/я 119, 220109, Минск

Tatiana G. Leontieva – Senior Researcher, Laboratory for Radiochemical Research of Natural Environments and Examination of Radioactive Materials 

PO box 119, 220109, Minsk

t.leontieva@tut.byМоскальчукЛ. Н.MaskalchukL. N.

Леонид Николаевич – доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник лаборатории радиохимических исследований природных сред и экспертизы радиоактивных материалов Объединенного института энергетических и ядерных исследований – Сосны НАН Беларуси; профессор кафедры безопасности жизнедеятельности, факультет технологии органических веществ БГТУ

а/я 119, 220109, Минск; ул. Свердлова, 13а, 220006, Минск

Leonid N. Maskalchuk – Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Leading Researcher of the Laboratory of Radiochemical Research of Natural Environments and Expertise of Radioactive Materials at The Join Institute for Power and Nuclear Research – Sosny of the National Academy of Sciences of Belarus; Professor of the Department of Life Safety, Faculty of Technology of Organic Substances at Belarusian State Technological University

PO box 119, 220109, Minsk; 13а, Sverdlov Str., 220006, Minsk

leonmosk@tut.byБаклайA. А.BaklayA. A.

Баклай Анатолий Анатольевич – старший научный сотрудник лаборатории радиохимических исследований природных сред и экспертизы радиоактивных материалов

а/я 119, 220109, Минск

Anatoly A. Baklay – Senior Researcher, Laboratory for Radiochemical Research of Natural Environments and Examination of Radioactive Materials 

PO box 119, 220109, Minsk

a.baklay@tut.byМаковскаяН. А.MakovskayaN. A.

Маковская Наталья Александровна – кандидат биологических наук, доцент, заведующий лабораторией радиохимических исследований природных сред и экспертизы радиоактивных материалов 

а/я 119, 220109, Минск

Natalia A. Makovskaya – Cand. Sci (Biology), Associate Professor, Head of the Laboratory for Radiochemical Research of Natural Environments and Examination of Radioactive Materials 

PO box 119, 220109, Minsk

nata.mak@sosny.bas-net.byОбъединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны Национальной академии наук БеларусиThe Join Institute for Power and Nuclear Research – Sosny National of the Academy of Sciences of BelarusОбъединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны Национальной академии наук Беларуси; Белорусский государственный технологический университетThe Join Institute for Power and Nuclear Research – Sosny National of the Academy of Sciences of Belarus; 2Belarusian State Technological University2024030420246917688Copyright © Леонтьева Т.Г., Москальчук Л.Н., Баклай A.А., Маковская Н.А., 20242024Леонтьева Т.Г., Москальчук Л.Н., Баклай A.А., Маковская Н.А.Leontieva T.G., Maskalchuk L.N., Baklay A.A., Makovskaya N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/832

Выполнены исследования по определению основных параметров, характеризующих качество цементных компаундов: скорость выщелачивания 137Cs и механическая прочность. В качестве сорбционных добавок использовались алюмосиликатные сорбенты, полученные из глинисто-солевых шламов ОАО «Беларуськалий» в результате водной и кислотно-водной обработки для повышения содержания глинистого минерала иллита, являющегося основным компонентом в составе алюмосиликатных сорбентов. В качестве жидких радиоактивных отходов использовались модельные водные растворы 137Cs, в том числе с содержанием NаNO3 150 г/дм3. Установлено, что  использование алюмосиликатных сорбентов позволяет снизить скорость выщелачивания 137Cs из цементных компаундов, что свидетельствует о более высокой степени фиксации 137Cs в матричном материале по сравнению с образцами цементных компаундов без сорбционных добавок. Эффективность алюмосиликатного сорбента для иммобилизации 137Cs при цементировании модельного раствора жидких радиоактивных отходов в 3 раза выше известной и широко используемой на практике сорбционной добавки (бентонитовая глина месторождения «10-й Хутор», Хакасия, Россия). Определение механической прочности образцов цементных компаундов с добавкой 5–15 % алюмосиликатных сорбентов показало, что данный показатель в 8–9 раз выше нормативного значения (4,9 МПа). Оптимальная доза сорбционной добавки составляет 5–10 % от массы портландцемента, которая не вызывает существенного снижения прочности цементного компаунда по сравнению с компаундом без использования добавки и одновременно обеспечивает высокий уровень иммобилизации 137Cs. Полученные результаты исследований свидетельствуют о перспективности использования разработанных алюмосиликатных сорбентов в качестве сорбционной добавки для иммобилизации 137Cs при обращении с жидкими радиоактивными отходами.

Studies have been carried out to determine the main parameters characterizing the quality of cement compounds: 137Cs leaching rate and mechanical strength. As sorption additives, aluminosilicate sorbents were used, obtained from clay-salt slimes of JSC “Belaruskali” as a result of water and acid-water treatment to increase the content of the clay mineral illite, which is the main component in the composition of aluminosilicate sorbents. Model aqueous solutions of 137Cs were used as liquid radioactive waste, including those with a NaNO3 content of 150 g/dm . It has been established that the use of aluminosilicate sorbents makes it possible to reduce the rate of 137Cs leaching from cement compounds, which indicates a higher degree of 137Cs fixation in the matrix material compared to samples of cement compounds without sorption additives. The efficiency of the aluminosilicate sorbent for 137Cs immobilization during cementation of a model solution of liquid radioactive waste is 3 times higher than the well-known and widely used sorption additive (bentonite clay from the 10th Khutor deposit, Khakassia, Russia). Determination of the mechanical strength of samples of cement compounds with the addition of 5–15 % aluminosilicate sorbents showed that this indicator is 8–9 times higher than the standard value (4.9 MPa). The optimal dose of a sorption additive is 5–10 wt.% of the weight of Portland cement, which does not cause a significant decrease in the strength of the cement compound compared to a compound without the use of an additive and, at the same time, will provide a high level of 137Cs immobilization. The obtained research results indicate the prospects of using the developed aluminosilicate sorbents as a sorption additive for 137Cs immobilization when handling liquid radioactive waste.

алюмосиликатные сорбентыбентонитовая глинаиллитжидкие радиоактивные отходыиммобилизацияцементный компаундскорость выщелачиваниямеханическая прочностьaluminosilicate sorbentsillitebentonite clayliquid radioactive wasteimmobilizationcement compoundleaching ratecompressive strengthReferencesРябчиков, Б. Е. Очистка жидких радиоактивных отходов / Б. Е. Рябчиков. – М.: ДеЛи принт, 2008. – 516 с.Ryabchikov B. E. Purification of Liquid Radioactive Waste. Moscow, DeLi print Publ., 2008. 516 p. (in Russian).Изучение возможности включения высокосолевых жидких радиоактивных отходов в матрицы на основе нано-размерного кремнезема и цеолитов / О. А. Кононенко [и др.] // Вопросы радиационной безопасности. – 2014. – № 4. – С. 3–10.Kononenko O. A., Aliev A. D., Puryaeva T. P., Kozlitin E. A., Gelis V. M., Milyutin V. V. Study of the possibility of incorporating high-salt liquid radioactive waste into matrices based on nanosized silica and zeolites. Voprosy radiatsionnoi bezopasnosti [Issues of Radiation Safety], 2014, no. 4, pp. 3–10 (in Russian).Gorbunova, O. A. Cementation of liquid radioactive waste with high content of borate salts / O. A. Gorbunova // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2015. – Vol. 304, № 1. – P. 361–370. https://doi.org/10.1007/s10967-014-3886-3Gorbunova O. A. Cementation of liquid radioactive waste with high content of borate salts. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2015, vol. 304, no. 1, pp. 361–370. https://doi.org/10.1007/s10967-014-3886-3Li, J. Solidification of radioactive wastes by cement-based materials / J. Li, C. Lei, W. Jianlong // Progress in Nuclear Energy. – 2021. – Vol. 141. – Art. ID 103957. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2021.103957Li Junfeng, Chen Lei, Wang Jianlong. Solidification of radioactive wastes by cement-based materials. Progress in Nuclear Energy, 2021, vol. 141, art. ID 103957. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2021.103957Ojovan, M. I. An Introduction to Nuclear Waste Immobilisation / M. I. Ojovan, W. E. Lee, S. N. Kalmykov. – Amsterdam: Elsevier, 2019. – 512 p. https://doi.org/10.1016/C2017-0-03752-7Ojovan M. I., Lee W. E., Kalmykov S. N. An Introduction to Nuclear Waste Immobilisation. Amsterdam, Elsevier, 2019. 512 p. https://doi.org/10.1016/C2017-0-03752-7Kononenko, O. A. Monolith matrix of calcium aluminate and gypsum–promising material for incorporating NaNO3containing liquid radioactive waste / O. A. Kononenko, E. A. Kozlitin // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2023. – Vol. 332. – P. 4065–4073. https://doi.org/10.1007/s10967-023-09086-xKononenko O. A., Kozlitin E. A. Monolith matrix of calcium aluminate and gypsum–promising material for incorporating NaNO3-containing liquid radioactive waste. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2023, vol. 332, pp. 4065–4073. https://doi.org/10.1007/s10967-023-09086-xКозлов, П. А. Цементирование как метод иммобилизации радиоактивных отходов / П. В. Козлов, О. А. Горбунова. – Озерск; М.: ПО «Маяк», 2011. – 143 с.Kozlov P. V., Gorbunova O. A. Cementing As a Method of Radioactive Waste Immobilization. Ozersk, Moscow, PO “Mayak” Publ., 2011. 143 p. (in Russian).Утилизация пульп ферроцианидных сорбентов методом цементирования / О. А. Кононенко [и др.] // Вопр. радиац. безопасности. – 2011. – № 3. – С. 13–19.Kononenko O. A., Milyutin V. V., Kozlitin E. A., Gelis V. M. Utilization of pulps of ferrocyanide sorbents by cementing. Voprosy radiatsionnoi bezopasnosti [Issues of Radiation Safety], 2011, no. 3, pp. 13–19 (in Russian).Sorption of Cs, Sr, U and Pu radionuclides on natural and modified clays / V. V. Milyutin [et al.] // Radiochemistry. – 2012. – Vol. 54, № 1. – С. 75–78. https://doi.org/10.1134/S1066362212010110Milyutin V. V., Gelis V. M., Nekrasova N. A., Kononenko O. A., Vezentsev A. I., Volovicheva N. A., Korol’kova S. V. Sorption of Cs, Sr, U and Pu radionuclides on natural and modified clays. Radiochemistry, 2012, vol. 54, no. 1, pp. 75–78. https://doi.org/10.1134/S1066362212010110Selective separation of cesium from radioactive liquid waste by potassium copper hexacyanoferrate (II)-clinoptilolite composite / Song-Hyok Ri [et al.] // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2023. – Vol. 332. – P. 2329–2337. https://doi.org/10.1007/s10967-023-08821-8Song-Hyok Ri, Yong-Nam Kim, Sun-Jong Im, Song-Gun Choe, Chol-Hyok Kim. Selective separation of cesium from radioactive liquid waste by potassium copper hexacyanoferrate (II)-clinoptilolite composite. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2023, vol. 332, pp. 2329–2337. https://doi.org/10.1007/s10967-023-08821-8Милютин, В. В. Современные сорбционные материалы для очистки жидких радиоактивных отходов от радионуклидов цезия и стронция / В. В. Милютин, Н. А. Некрасова, В. О. Каптаков // Радиоактив. отходы. – 2020. – № 4 (13). – С. 80–89. https://doi.org/10.25283/2587-9707-2020-4-80-89Milyutin V. V., Nekrasova N. A., Kaptakov V. O. Modern sorption materials for cesium and strontium radionuclide extraction from liquid radioactive waste. Radioaktivnye othody = Radioactive Waste, 2020, no. 4 (13), pp. 80–89 (in Russian). https://doi.org/10.25283/2587-9707-2020-4-80-89Adsorption techniques for decontaminating liquid radioactive waste and radionuclide-contaminated natural water / V. V. Milyutin [et al.] // Adsorption. – 2023. – Vol. 29. – P. 323–334. https://doi.org/10.1007/s10450-023-00407-wMilyutin V. V., Nekrasova N. A., Kaptakov V. O., Kozlitin E. A. Adsorption techniques for decontaminating liquid radioactive waste and radionuclide-contaminated natural water. Adsorption, 2023, vol. 29, pp. P. 323–334. https://doi.org/10.1007/s10450-023-00407-wBentonite alteration and retention of cesium and iodide ions by Ca-bentonite in alkaline and saline solutions / Ja-Young Goo [et al.] // Appl. Clay Sci. – 2023. – Vol. 245. – Art. ID 107141. https://doi.org/10.1016/j.clay.2023.107141Ja-Young Goo, Bong-Ju Kim, Jang-Soon Kwon, Ho Young Jo. Bentonite alteration and retention of cesium and iodide ions by Ca-bentonite in alkaline and saline solutions. Applied Clay Science, 2023, vol. 245, art. ID 107141. https://doi.org/10.1016/j.clay.2023.107141Influence of various bentonites on the mechanical properties and impermeability of cement mortars / Х Liu Mengliang [et al.] // Constr. Build. Mater. – 2020. – Vol. 241. – Art. ID 118015. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118015Liu Mengliang, Hu Yang, Lai Zhenyu, Yan Tao, He Xin, Wu Jie, Lu Zhongyuan, Lv Shuzhen. Influence of various bentonites on the mechanical properties and impermeability of cement mortars. Construction and Building Materials, 2020, vol. 241, art. ID 1180151. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118015Plecas, I. Influence of natural sorbents on the immobilization of spent ion exchange resins in cement / I. Plecas, S. Dimović // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2006. – Vol. 269, № 1. – P. 181–185. https://doi.org/10.1007/s10967-006-0248-9Plecas I., Dimović S. Influence of natural sorbents on the immobilization of spent ion exchange resins in cement. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2006, vol. 269, no. 1, pp. 181–185. https://doi.org/10.1007/s10967-0060248-9Козлов, П. В. Разработка технологии иммобилизации жидких солесодержащих среднеактивных отходов в цементную матрицу с последующим хранением компаунда в отсеках большого объема: дис. … канд. техн. наук: 05.17.11, 05.17.02 / П. В. Козлов. – СПб., 2009. – 163 л.Kozlov P. V. Development of Technology for Immobilization of Liquid Salt-Containing Medium-Active Waste Into a Cement Matrix with Subsequent Storage of the Compound in Large-Volume Compartments. St. Petersburg, 2009. 163 p. (in Russian).Влияние добавки глины на свойства цементных компаундов, используемых для локализации радиоактивных отходов / Г. А. Быховская [и др.] // Атом. энергия. – 1995. – Т. 79, вып. 1. – С. 23–26.Bykhovskaya T. A., Zakharova K. P., Karpova T. T., Masanov O. L., Khimchenko O. M., Dmitriev S. A., Barinov A. S., Varlakov A. P. Influence of Clay Additives on the Properties of Cement Compounds Used for Radioactive Waste Containment. Atomic Energy, 1995, vol. 79, pp. 431–434. https://doi.org/10.1007/bf02406200Коноплева, И. В. Селективная сорбция радиоцезия сорбентами на основе природных глин / И. В. Коноплева // Сорбцион. и хроматограф. процессы. – 2016. – Т. 16, № 4. – С. 446–456.Konopleva I. V. Selective sorption of radiocesium by sorbents based on natural clays. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy = Sorption and Chromatographic Processes, 2016, vol. 16, no. 4, pp. 446–456 (in Russian).Adsorption of Ba and 226Ra on illite: A comparative experimental and modelling study / M. Marques Fernandes [et al.] // Appl. Geochem. – 2023. – Vol. 159. – Art. ID 105815. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2023.105815Marques Fernandes M., Klinkenberg M., Baeyens B., Bosbach D., Brandt F. Adsorption of Ba and 226Ra on illite:A comparative experimental and modelling study. Applied Geochemistry, 2023, vol. 159, art. ID 105815. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2023.105815Кононенко, О. А. Включение кубовых остатков АЭС в матрицы на основе портландцемента и кремнеземистых добавок / О. А. Кононенко, В. М. Гелис, В. В. Милютин // Атом. энергия. – 2010. – Т. 109, вып. 4. – С. 222–227.Kononenko O. A., Gelis V. M., Milyutin V. V. Incorporation of NPP residues into matrices based on Portland cement and silica additives. Atomic Energy, 2011, vol. 109, pp. 278–284. https://doi.org/10.1007/s10512-011-9357-9Aluminosilicate sorbents based on clay-calt slimts JSC “Belaruskali” for sorption of cesium and strontium radionuclides / L. N. Maskalchuk [et al.] // Radiochemistry. – 2020. – Vol. 62, № 3. – P. 381–386. https://doi.org/10.1134/S1066362220030108Maskalchuk L. N., Milyutin V. V., Nekrasova N. A., Leontieva T. G., Baklay A. A., Belousov P. E., Krupskaya V. V. Aluminosilicate sorbents based on clay-calt slimts JSC “Belaruskali” for sorption of cesium and strontium radionuclides. Radiochemistry, 2020, vol. 62, no. 3, pp. 381–386. https://doi.org/10.1134/S1066362220030108Леонтьева, Т. Г. Перспективы использования глинисто-солевых шламов ОАО «Беларуськалий» для очистки водных сред и экосистем от радиоцезия / Т. Г. Леонтьева, Л. Н. Москальчук, А. А. Баклай // Труды БГТУ. Сер. 3, Химия и технология неорган. в-в. – 2016. – № 3. – С. 74–80.Leont’eva T. G., Moskal’chuk L. N., Baklai A. A. Prospects for the use of clay-salt sludge of JSC “Belaruskali” for the purification of aquatic environments and ecosystems from radiocesium. Trudy BGTU. Ser. 3, Khimiya i tekhnologiya neorganicheskikh veshchestv = Proceedings of BSTU. Ser. 3: Chemistry and Technology Inorganic Substances, 2016, no. 3, pp. 74–80 (in Russian).Сорбция 137Cs+ из водных сред иллитсодержащим сорбентом, полученным из глинисто-солевых шламов ОАО «Беларуськалий» / А. А. Баклай [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. – 2020. – № 4. – С. 366–371.Baklai A. A., Moskal’chuk L. N., Leont’eva T. G., Makovskaya N. A. Sorption of 137Cs+ from aqueous media by an illite-containing sorbent obtained from clay-salt sludge of JSC “Belaruskali”. Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya = Chemistry for Sustainable Development, 2020, no. 4, pp. 366–371 (in Russian).Лебедев, В. А. Анализ кубовых остатков радиоактивных отходов и разработка матричных смесей для иммобилизации в компаунд на основе наномодифицированных минеральных вяжущих / В. А. Лебедев, В. М. Пискунов // Зап. Горн. ин-та. – 2013. – Т. 203. – С. 55–58.Lebedev V. A., Piskunov V. M. Analysis of the vat residue of radioactive waste and the development of matrix mixtures for immobilization of the compound on the basis of mineral binders nanomodified. Zapiski Gornogo instituta = Journal of Mining Institute, 2013, vol. 203, pp. 55–58 (in Russian).Обеспечение соответствия цементированных РАО в контейнерах НЗК критериям приемлемости для захоронения / В. П. Поваров [и др.] // АНРИ (Аппаратура и новости радиационных измерений). – 2022. – № 1 (108). – С. 45–55. https://doi.org/10.37414/2075-1338-2022-108-1-45-55Povarov V. P., Rosnovskii S. V., Mel’nikov E. S., Bulka S. K., Ivanov E. A., Yudakov A. Yu. Ensuring Compliance of Cemented Radwastes in NZK Containers with the Criteria of Acceptance for Final Disposal. ANRI (Apparatura i novosti radiatsionnykh izmerenii) = ANRI, 2022, no. 1 (108), pp. 45–55 (in Russian). https://doi.org/10.37414/2075-1338-2022-108-145-55

The authors declare that there are no conflicts of interest present.