Способы обработки жидких радиоактивных отходов

 
 

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Энергетический факультет

Дневное отделение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Способы обработки жидких радиоактивных отходов 
 
 
 
 

 
 
 
 

                                                                                                                                   
 
 

                                                                           Выполнил:

                                                                                   Студент 1 курса

                                                                                  Группа 106811

                                                                                Пунько Роман 
 
 

МИНСК 2011 

СОДЕРЖАНИЕ

      Стр.

ВВЕДЕНИЕ                3

1. Соосаждение                                                                              4

1.1 Объёмная коагуляция                                                                                     4   

1.2 Соосаждение с кристаллическими осадками                                               5                

2. Фильтрация                                                                                                   7

2.1 Медленная фильтрация                                                                                   7

2.2 Быстрая фильтрация                                                                                         7

3. Дистилляция                                                                                                   12

4. Ионный обмен                                                                                          16

    ПРИЛОЖЕНИЯ              18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  
 

     ВВЕДЕНИЕ 

 

     Примеси и ЖРО делятся на четыре группы. В первую группу входят нерастворимые в воде взвеси, песок, продукты коррозии в виде нерастворимых оксидов и гидроксидов, некоторые органические вещества, например измельченные ионообменные смолы, а также сорбированные на частицах взвеси радионуклиды.

     Для удаленная этих примесей используют физико-химические процессы, основанные на адгезии — прилипании примесей к поверхности фильтрующих материалов, коагуляции — укрупнении частиц за счет слипания их друг с другом, а также флотации — всплывании частиц на поверхность воды в результате образования насыщенных газами сгустков. Завершают эти процессы механические способы – отстаивание и фильтрация.

     Во вторую группу объединяются примеси, находящиеся в коллоидном состоянии (тонкодисперсные образования), и высокомолекулярные вещества. К примесям этой группы относятся минеральные масла, различные моющие препараты, некоторые органические вещества, используемые для дезактивации, радиоколлоиды, а также органоминеральные частицы почв и грунтов, поступающих с припасами охлаждающей воды. Основным способом очистки воды от этих примесей является соосаждение с коагулянтами (можно применять и метод обратного осмоса).

     Третья группа веществ включает в себя молекулярно-растворимые соединения — растворенные газы и некоторые органические соединения. Наиболее эффективными процессами удаления из воды веществ этой группы являются дегазация и абсорбция на высокоразвитой поверхности некоторых твердых материалов, например активированных углей.

     Четвёртая группа включает в себя электролиты — вещества (активные и неактивные), диссоциирующие в воде на ионы. Очистка воды от этих веществ основана на связывании ионов в малорастворимые соединения (соосаждении), удалении из раствора растворителя (воды) и концентрировании примесей в кубовом остатке (дистилляции), наконец, на использовании ионообменных реакций, протекающих на поверхности твердых ионообменнык материалов. Находят применение и такие способы, как обратный осмос, электродиализ.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                            Соосаждение

 
 

     Соосаждение — это захват примесей (микрокомпонентов) осадком макрокомпонентов. Соосаждение как способ обработки радиоактивных вод находит применение в ядерной энергетике в виде двух методов — объемной коагуляции и соосаждения с кристаллическими осадками.

       Объемная коагуляция. Коагуляцией называют укрупнение коллоидных или грубодисперсных частиц в результате их слияния под действием молекулярных сил сцепления. При обработке воды методом коагуляции радионуклиды осаждаются совместно с осадками гидроксидов алюминия или железа.

     Гидроксиды алюминия и железа образуются в результате гидролиза солей этих металлов. В качестве коагулянтов обычно используют сульфаты алюминия и железа, иногда применяют их хлориды. Так как в результате гидролиза выделяется свободная кислота, то для ее нейтрализации необходимо добавить в воду щелочь или кальцинированную соду Na2СОз.

     Кроме растворимых радиоактивных загрязнений коагулянты обеспечивают более полное осаждение взвешенных и коллоидных частиц, содержащихся в воде.

     Хлопья  гидроксида железа крупнее и тяжелее хлопьев гидроксида алюминия, поэтому использование в качестве коагулянта солей железа более удобно. Почти все радионуклиды гидроксидом железа удаляются лучше, чем гидроксидом алюминия. Возможно применение и диоксида марганца.

     Диоксид марганца обладает более сильными сорбционными свойствами и образует более плотный осадок. Коагуляция диоксида марганца применяется в установках, где требуется более высокая очистка, например в схемах регенерации борной кислоты.

     Степень соосаждения радионуклидов с коагулянтами определяется в первую очередь состоянием их в воде (взвесь, коллоид, ионная форма и др.). Так, радионуклиды Zn, Sr, Zr, Nb, Се, находящиеся в воде в гидролизованной форме, почти полностью извлекаются МnO2. Коэффициент очистки Коч = Анач /Акон (где Анач  и Акон — активности воды до очистки и после нее) составляет 100, в то время как радионуклиды Cs диоксидом марганца почти не сортируются.

     Гидроксид алюминия удовлетворительно очищает воду от радионуклидов Zr, Nb, Ru, Се (Коч = 5 /10). Практически не удаляются находящиеся в ионной форме Sr, I, Cs.

     При использовании гидроксида железа коэффициент очистки для радионуклидов Zr, Nb, Се возрастает до 10 — 100, для Ru — до 5—25, для I — примерно до 1,5.

     В целях увеличения степени очистки воды от радионуклидов методом объемной коагуляции процесс интенсифицируют добавлением в обрабатываемую воду сорбентов и реагентов, образующих с радионуклидами труднорастворимые соединения. Например, добавление размолотого (с крупностью частиц 0,1—0,5 мм) активированного угля увеличивает коэффициент очистки для йода до 3—8, для рутения до 5—8, для циркония до 50, для церия до 100. Добавление нитрата серебра, с которым йод образует труднорастворимое соединение, повышает коэффициент очистки для радионуклидов йода до 10—12.

     Соосаждение с кристаллическими осадками. Если радионуклид присутствует в растворе в ионном или молекулярно-дисперсном состоянии, то он может соосаждаться с определенными кристаллическими осадками при их образовании в растворе. Широко применяется способ содово-известкового умягчения воды. При умягчении происходят включение ионов стронция в кристаллическую решетку СаСО3 и соосаждение радионуклидов и с карбонатом кальция. Удаление стронция осуществляется пропорционально снижению жесткости и более эффективно при повышении температуры и увеличении дозировки соды и извести. При одноразовой обработке воды (без нагревания) Коч ≈ 2, но при наличии нагрева при 10—15-кратном осаждении коэффициент очистки Коч ≈ 1000.

     Очистка воды от радионуклидов возможна с применением метода фосфатной коагуляции, в ходе которого вода, имеющая высокую жесткость, обрабатывается фосфатами калия или натрия (с добавлением щелочи). При этом для радионуклидов стронция Коч = 200 / 1000, для циркония и ниобия Коч = 100 / 200. Для удаления радионуклидов Cz фосфатная коагуляция малоэффективна (удаляется всего 15 % Cz). Радионуклиды йода также практически не удаляются из воды.

     К недостаткам метода соосаждения можно отнести: относительно большой расход реагентов; необходимость достаточно точной дозировки их и поддержания определенной температуры воды и рН; образование большого количества РАО в виде пульпы. Метод соосаждения применяется в качестве предварительной очистки перед дистилляцией.

     Процесс соосаждения осуществляют в основном в осветлителях ЖРО. Осветлитель предназначен для осаждения из ЖРО взвешенных и коллоидных активных и неактивных загрязнений, а также удаления некоторых катионов при проведении соосаждения с кристаллическими осадками (например, при содово-известковой обработке). Все перечисленные загрязнения в виде осадка скапливаются в нижней части осветлителя и периодически удаляются на хранение.

     Из  числа радионуклидов, содержащихся в исходных ЖРО, в основном удаляются те, которые находятся при данных условиях в нерастворенном состоянии или сортируются на продуктах коррозии (в основном оксидах железа).

     Для устойчивого оседания хлопьев гидроксида железа и алюминия необходима малая скорость восходящего потока воды (около 1 мм/с, т.е. 3—4 м/ч), а следовательно, большая площадь сечения осветлитель. К недостаткам осветлитель помимо больших габаритных размеров относятся низкий коэффициент очистки и сложность хранения плохо отстаивающегося радиоактивного шлама.

     Осветлители предназначены для обработки вод, в значительной степени загрязненных механическими примесями (например, неорганизованных прогечек), в качестве первой ступени очистки. Жидкие радиоактивные отходы, в которые предварительно вводятся реагенты, подаются через патрубок в

     воздухоотделитель. Отделившийся от воды воздух через сдувку удаляется в систему спецвентиляции, а  вода по трубе опускается в нижнюю часть собственно осветлителя. Крупные механические примеси оседают в конусной части аппарата, а вода с малой скоростью поднимается вверх. При этом происходит слипание частиц под действием коагулянта, т.е. образуется слой взвешенного шлама, играющего роль фильтра. Из верхней части данного фильтрующего слоя вода (вместе с частью шлама) через перепускные трубы поступает в шламоуплотнитель. Часть очищенной воды отводится через патрубок, шлам в шламоуплотнителе отстаивается (уплотняется), и другая часть очищенной воды отводится через перфорированную кольцевую трубу  и патрубок. Количество шлама составляет примерно 1 % расхода ЖРО.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Фильтрация

 
 

     Для очистки воды от взвешенных частиц используется фильтрация воды через слой зернистого материала. Очистка воды фильтрацией обусловлена, с одной стороны, адгезией взвешенных частиц на поверхности материала зернистого слоя, а с другой — механическим задержанием взвеси в порах, образованных зернами фильтрующего материала. Если взвешенные частицы и фильтрующий материал имеют различные знаки заряда, то в процессе сближения частиц участвуют и электрические силы.