Труды КНЦ (Технические науки вып.2/2025(16))

Abstract A mesoporous calcium silicate (CaSiO3) adsorbent was synthesized by alkaline hydrothermal conversion of boric acid production waste (borogypsum). The material demonstrated a high adsorption capacity for Co2+ ions. The capacity reached 220.8 mg/g. It was found that sorption proceeds predominantly via an ion exchange mechanism with the formation of a CaCoSi 2 O 6 precursor. Dense (3.33 g/cm3) ceramic matrices with high compressive strength (481 MPa) and microhardness (~7.54 GPa) were obtained by spark plasma sintering (SPS) at 1 000 °C. The cobalt leaching rate from the matrices was 2.04* 10-7 g/(cm2*day). This meets the requirements for solidified radioactive waste. Keywords: calcium silicate, cobalt-60 adsorption, solid-state matrices, spark plasma sintering, waste-to-waste Funding: Synthesis of the materials, spark plasma sintering of ceramics, and studies of structural and functional properties were carried out within the framework of State Assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, topic No.-2023-0003. For citation: Calcium silicate solid-state matrices from boric acid production waste for 60Co removal and immobilization by spark plasma sintering / O. O. Shichalin [et al.] // Transactions of the to la Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2025. Vol. 16, No. 2. P. 64-67. doi:10.37614/2949-1215.2025.16.2.010. Введение Проблема обезвреживания жидких радиоактивных отходов (ЖРО), содержащих долгоживущий радионуклид 60Co, остается актуальной. Одним из перспективных методов является сорбционное концентрирование с последующей иммобилизацией радионуклидов в прочные керамические матрицы. Целью работы являлась оценка возможности использования матриц на основе силиката кальция, полученного гидротермальной конверсией отходов производства борной кислоты, для иммобилизации кобальта. Экспериментальная часть Исходный борогипс (ООО «ДХК Бор», г. Дальнегорск) представлял собой многокомпонентную систему CaSO^2H2O-SiO2. Синтез CaSiO3 проводили гидротермальной обработкой суспензии борогипса в растворе KOH (1,7 атм, 2 ч). Сорбцию Co2+ из растворов C 0 CI 2 изучали в статических условиях. Насыщенный кобальтом сорбент (CaCoSi 2 O 6 ) консолидировали методом SPS на установке SPS-515S (Dr. Sinter LAB™, Япония) при температурах 800-1 000 °C, давлении 24,5 МПа и времени выдержки 5 мин. Характеризацию порошковых и керамических образцов проводили методами РФА, СЭМ-ЭДС, ИК-Фурье спектроскопии, низкотемпературной адсорбции азота и аргона, рентгенофлуоресцентного анализа. Прочностные свойства и скорость выщелачивания определяли согласно ГОСТ Р 52126-2003 [1]. Результаты и обсуждение Синтезированный адсорбент CaSiO3 имел удельную поверхность 55,03 м2/г и мезопористую структуру (рис. 1). По данным РФА и ЭДС, основными элементами являлись Ca и Si (мольное отношение Ca/Si = 1,1). Изотерма сорбции Co2+ относилась к H -типу по Жилю, что указывает на ионообменный механизм. Максимальная экспериментальная статическая обменная емкость составила 220,8 мг/г (3,742 ммоль/г). Насыщение сорбента ионами Co2+ приводило к значительному изменению морфологии и увеличению удельной поверхности до 331,5 м2/г за счет образования микропор (табл. 1). Кинетика уплотнения при ИПС показала, что окончательная консолидация материала происходит при 900-1 000 °С (рис. 2, а). По данным РФА, после спекания формировалась стабильная фаза CaCoSi 2 O 6 (PDF #00-084-1288) (рис. 2, б). СЭМ-анализ подтвердил, что образцы, спеченные при 1 000 °C, имеют монолитную поверхность с минимальным количеством дефектов. Механические свойства и скорость выщелачивания кобальта существенно зависели от температуры спекания (табл. 2). Оптимальные характеристики показали образцы, полученные при 1 000 °C: прочность на сжатие 481 МПа, плотность 3,33 г/см3, скорость выщелачивания кобальта 2,04 х 10-7 г/(см2 х сут). Рассчитанный коэффициент диффузии (De) составил 1,07 х 10-12 см2/с, а индекс выщелачивания (L) — 11,81, что свидетельствует о высокой стабильности матриц. Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2025. Т. 16, № 2. С. 64-67. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2025. Vol. 16, No. 2. P. 64-67. © Шичалин О. О., Ярусова С. Б., Иванов Н. П., Папынов Е. К., Белов А. А., Тананаев И. Г., 2025 65