Патент на изобретение №2273066

(54) СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области переработки и обезвреживания жидких радиоактивных отходов. Сущность изобретения: способ переработки жидких радиоактивных отходов заключается в том, что исходный поток жидких радиоактивных отходов подвергают отстаиванию с образованием надосадочной жидкости и шлама. Надосадочную жидкость осветляют на механическом фильтре с образованием фильтрата. Фильтрат разделяют ультрафильтрацией с образованием концентрата, который смешивают с исходным потоком жидких радиоактивных отходов, и пермеата. При этом пермеат подвергают электродиализному разделению на рассол, который концентрируют электроосмотическим методом с получением потока радиоактивного концентрата и потока дилюата, смешиваемого с потоком пермеата, и на диализат, который подвергают глубокому обессоливанию с образованием дезактивированного раствора. При этом фильтрат механического фильтра перед ультрафильтрацией подвергают ионоселективной сорбции, затем в него вводят ассоциирующие добавки. Ультрафильтрацию осуществляют в принудительно-турбулентном режиме, а глубокое обессоливание диализата проводят в две стадии: на первой обратным осмосом, а на второй стадии дезактивированный раствор подвергают электродеионированию. Преимущества изобретения заключаются в увеличении степени дезактивации раствора и в возможности переработки высокоминерализованных отходов. 1 ил.

Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), технологии обращения со сбросными потоками, содержащими радиоактивные растворенные компоненты, что переводит эти потоки в класс ЖРО. В зависимости от содержания радиоактивных компонентов ЖРО делятся на низко-, средне- и высокоактивные отходы. Заявляемое изобретение может быть использовано для переработки низко- и среднеактивных ЖРО на различных объектах атомной промышленности, в частности на атомных электростанциях, в различного типа промежуточных хранилищах ЖРО. На базе заявляемого изобретения могут быть изготовлены передвижные автономные установки для использования их в чрезвычайных обстоятельствах.

Принципиально все промышленные способы переработки ЖРО заключаются в максимально возможном концентрировании радиоактивных компонентов путем выделения из ЖРО воды, в которой содержание радионуклидов не превышает предельно допустимых концентраций. Концентрированно же будет тем более высоким, чем меньше дополнительных химических реагентов будет введено в ЖРО по ходу их переработки. Идеальным решением с этой точки зрения будет создание такой технологической схемы, в которой используются только безреагентные методы переработки.

Известен способ электрохимической переработки солевых жидких радиоактивных отходов, заключающийся в том что обессоливание и концентрирование проводят в две стадии, при этом на первой стадии достигается обессоливание и очистка отходов, а на второй – доконцентрирование отходов (рассолов). Кроме того, в способе имеется стадия предочистки радиоактивных растворов для извлечения радионуклидов в суспензированной форме, разрушения органических соединений и выделения малорастворимых солей; здесь используют метод электрокоагуляции, основанный на растворении железных электродов [1].

Недостатком известного способа является то обстоятельство, что на последующих стадиях электрохимического обессоливания и концентрирования ионообменные мембраны будут отравляться железом и быстро выходить из строя.

Также известен способ комплексной переработки жидких радиоактивных отходов, который заключается в постадийной переработке ЖРО, содержащих радионуклиды цезия и стронция в следующей последовательности: вначале ЖРО подают на стадию предочистки, которая включает в себя блоки механической очистки, ультрафильтрации, затем их пропускают через селективный неорганический сорбент на основе ферроцианидов переходных металлов меди, никеля, кобальта и пористого неорганического носителя, затем их подвергают обессоливанию и концентрированию одним из следующих методов: дистилляционным, двухстадийным, в котором на первой стадии используют электромембранное или обратноосмотическое обессоливание, на второй стадии электроосмотическое или дистилляционное концентрирование. Фильтраты после стадии обессоливания подвергают сорбционной доочистке [2].

Недостатком способа является то обстоятельство, что блоки механической очистки и ультрафильтрации загрязняются радионуклидами и быстро выходят из строя, так как фильтрат и пермеат подвергаются селективной сорбционной очистке после операций механической очистки и ультрафильтрации.

Известные способы не обеспечивают необходимого уровня дезактивации и концентрирования, поскольку действует только на диссоциируемые в воде радиоактивные компоненты, а в реальных ЖРО радионуклиды находятся и во множестве других состояний – агрегативном, коллоидном, молекулярном.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ переработки жидких радиоактивных отходов с получением дезактивированного раствора и радиоактивного концентрата, заключающийся в том, что исходный поток ЖРО подвергают отстаиванию с образованием надосадочной жидкости и шлама, надосадочную жидкость осветляют на механическом фильтре с образованием фильтрата, фильтрат разделяют ультрафильтрацией с образованием концентрата, который смешивают с исходным потоком, и пермеата, который подвергают электродиализному разделению на рассол, который концентрируют методом электроосмотического концентрирования с получением потока радиоактивного концентрата и потока дилюата, смешиваемого с потоком пермеата, и на диализат, который подвергают глубокому обессоливанию на сорбционном Na-катионитовом фильтре, который регенерируется химическими реагентами с образованием дезактивированного раствора [3].

Однако существенными недостатками известного способа являются следующие:

– молекулярные и слабодиссоциирующие формы радионуклидов свободно проходят по технологической схеме, что ограничивает способ очистки ЖРО только низким уровнем радиоактивности, и не позволяет перерабатывать ЖРО среднего уровня активности;

– ультрафильтрация проводится в проточном режиме с образованием гелевых слоев на мембранах, которые необходимо смывать при регенерации мембран опять же дополнительными химическими реагентами, попадающими в поток ЖРО;

– глубокое обессоливание диализата осуществляют методом ионного обмена, который сопровождается введением в поток ЖРО большого количества химических реагентов при проведении регенерации ионитов;

– переработке могут подвергаться только маломинерализованные ЖРО.

Технический результат предлагаемого способа переработки ЖРО выражается в повышении коэффициента уменьшения объема радиоактивного концентрата, в увеличении степени дезактивации раствора, а также в осуществлении переработки ЖРО среднего уровня активности и высокоминерализованных ЖРО.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ переработки жидких радиоактивных отходов, заключающийся в том, что исходный поток ЖРО подвергают отстаиванию с образованием надосадочной жидкости и шлама, надосадочную жидкость осветляют на механическом фильтре с образованием фильтрата, фильтрат перед ультрафильтрацией подвергают ионоселективной сорбции, затем в него вводят ассоциирующие добавки, переводящие молекулярные и ионные формы оставшихся радионуклидов в коллоидные и агрегативные формы, при этом ультрафильтрацию осуществляют в принудительно-турбулентном режиме; фильтрат разделяют ультрафильтрацией с образованием концентрата, который смешивают с исходным потоком ЖРО, и пермеата, который подвергают электродиализному разделению на рассол, который концентрируют электроосмотическим методом с получением потока радиоактивного концентрата и потока дилюата, смешиваемого с потоком пермеата, и на диализат, который подвергают глубокому обессоливанию с образованием дезактивированного раствора, а глубокое обессоливание диализата проводят в две стадии: на первой обратным осмосом с образованием потока промежуточного концентрата, который смешивают с рассолом, и дезактивированного раствора, а на второй стадии дезактивированный раствор подвергают электродеионированию.

Отличительными признаками заявляемого способа является то, что фильтрат механического фильтра перед ультрафильтрацией подвергают ионоселективной сорбции, затем в него вводят ассоциирующие добавки, переводящие молекулярные и ионные формы оставшихся радионуклидов в коллоидные и агрегативные формы; ультрафильтрацию осуществляют в принудительно-турбулентном режиме, а глубокое обессоливание диализата проводят в две стадии: на первой обратным осмосом с образованием потока промежуточного концентрата, который смешивают с рассолом, и дезактивированного раствора, а на второй стадии дезактивированный раствор подвергают электродеионированию.

Коэффициент уменьшения объема концентрата является одним из основных параметров технологии переработки ЖРО и увеличивается при реализации предлагаемого способа, во-первых, за счет осуществления глубокого обессоливания диализата в две стадии: обратным осмосом и элктродеионированием, в результате чего исключается ввод в поток ЖРО химических реагентов. Во-вторых, резко уменьшен ввод в технологическую схему регенерирующих компонентов на стадии ультрафильтрации, которая теперь осуществляется в принудительно турбулентном режиме, что в десятки раз увеличивает межрегенерационный период.

Степень дезактивации раствора повышается благодаря тому, что новое сочетание операций переработки ЖРО, включенных в технологическую схему, позволяет эффективно вывести из раствора и перевести в концентрат молекулярные и коллоидные формы радионуклидов. Это достигается прежде всего на стадии обратного осмоса, где мембрана разделяет компоненты смеси по размеру частиц, а не по их заряду. Дополнительно этот параметр повышается и за счет ввода ассоциирующих добавок перед ультрафильтрацией, которые представляют собой вещества из классов минеральных осадителей, водорастворимых полимеров, водонерастворимых жидких экстрагентов и мелкодисперсных сорбентов. Такая операция позволяет уже на стадии ультрафильтрации очистить воду от большинства коллоидных и молекулярных форм радионуклидов.

Это же обстоятельство позволяет расширить диапазон применения предлагаемого способа для очистки ЖРО среднего уровня активности, поскольку на отходах этого типа степень дезактивации должна быть на несколько порядков выше, чем на ЖРО низкого уровня активности. А именно молекулярные и коллоидные формы радионуклидов, проходя транзитом по технологической схеме в способе-прототипе, ограничивали сферу его применения. Включение в способ электродиализного и обратноосмотического обессоливания позволяет очищать высокоминерализованные ЖРО, что расширяет диапазон его применения.

На чертеже представлена блок-схема способа переработки ЖРО, где

1 – приемная емкость с коническим днищем; 2 – насос; 3 – механический фильтр; 4 – фильтр с ионоселективным сорбентом; 5 – промежуточная емкость; 6 – динамический ультрафильтрационный аппарат; 7 – электропривод ультрафильтрационного аппарата; 8 – емкость сбора пермеата; 9 – электродиализный аппарат; 10 – установка обратного осмоса; 11 – бак частично очищенного раствора; 12 – электродиализный аппарат электродеионирования; 13 – электроосмотический концентратор; 14 – контрольный фильтр; 15 – контейнер радиоактивного концентрата.

Пример. Предлагаемый способ переработки ЖРО был применен для переработки ЖРО следующего состава: общий сухой остаток – 2650 мг/л; солесодержание -1200 мг/л; соответственно взвешенная и коллоидная фракция – 1450 мг/л; удельная – и -активность – 4×10^-6 Ки/л; изотопный состав: ¹³⁷Cs – 2×10^-6 Ки/л; ⁹⁰Sr – 4×10^-7 Ки/л; ⁶⁰Со – 7×10^-8 Ки/л; остальные – 0,9×10^-6 Ки/л.

Исходный поток ЖРО поступает в приемную емкость 1 с коническим днищем. Емкость 1 является первичным отстойником, в коническом днище скапливается шлам из наиболее крупных осаждаемых частиц, на которых сорбированы радионуклиды. Время от времени конус опорожняется в контейнер 15, а надосадочная жидкость насосом 2 подается на механический фильтр 3. Лучшим решением является использование патронного фильтра с тонкостью фильтрования <5 мкм. Концентрация взвешенной и коллоидной фракции после механического фильтра снизилась до 270 мг/л.

Фильтрат механического фильтра 3 далее поступает на сорбционную колонну 4, заполненную селективным неорганическим сорбентом на основе ферроцианида никеля, что позволяет выделить уже в начале схемы подавляющее количество радионуклидов.

Общая удельная активность фильтрата снизилась до 9,5×10^-8 Ки/л в основном за счет осаждения на сорбенте изотопов ¹³⁷Cs и ⁶⁰Со. Очищенный таким образом фильтрат накапливается в промежуточной емкости 5, в которую вводят ассоциирующую добавку полиэтиленимина с молекулярной массой 28000, при этом концентрация добавки составляла 0,7 мг/л. Конкретный выбор ассоциирующих добавок определяется в каждом конкретном случае радиохимическим составом исходных ЖРО. Насосом 2 фильтрат под давлением подают на динамический ультрафильтрационный мембранный аппарат 6, на котором осуществляют ультрафильтрации в принудительно-турбулентном режиме. Принудительная турбулентность достигается с помощью вращающихся дисковых мешалок, размещенных между дисковыми мембранными элементами. Вращение обеспечивает электродвигатель 7, такой режим позволяет мембранам работать без образования на них гелевых слоев из оставшихся в растворе коллоидных частиц. Это, в свою очередь, позволяет отказаться от регулярной промывки мембран регенерационными растворами, т.е. фактически от ввода в поток ЖРО дополнительных реагентов, что позволяет повысить коэффициент уменьшения объема радиоактивного концентрата.

Удельная активность пермеата после ультрафильтрации составила 2,5×10^-8 Ки/л, коллоидной фракции в растворе практически не содержалось. Солесодержание пермеата составило 1270 мг/л. Концентрат ультрафильтрации возвращается в приемную емкость 1, где происходит соосаждение оставшихся частиц исходного ЖРО.

Из промежуточной емкости 8 пермеат насосом 2 подается в электродиализатор 9, где под действием электрического поля и благодаря ионообменным мембранам происходит разделение пермеата на диализат и рассол, затем диализат поступает на установку обратного осмоса 10, в которой под давлением образуется частично дезактивированный раствор, поступающий в бак 11. Для достижения требуемой глубины очистки частично дезактивированный раствор насосом 2 подается в электродиализный аппарат электродеионирования 12, в диализатных камерах которого размещен дополнительно ионообменный материал. Это позволяет довести солесодержание дезактивированного раствора до 12 мг/л, а его удельную активность до уровня 2×10^-11 Ки/л, что ниже ПДК (предельно допустимой концентрации).

Поток рассола из электродиализатора 9 и поток промежуточного концентрата из установки обратного осмоса 10 смешиваются в емкости 8 и поступают на электроосмотический концентратор 13. Здесь образуется конечный продукт – радиоактивный концентрат, который в нашем случае имел общее солесодержание 108 г/л, а удельную радиоактивность – 8,7×10^-5 Ки/л. Этот концентрат самотеком сбрасывается в контейнер 15.

Таким образом, дезактивированные ЖРО, объем которых составил 94% объема исходного потока, проходят контрольный фильтр 14 и сбрасываются в гидрографическую сеть или могут быть использованы повторно на технологические нужды.

Степень дезактивации раствора составила 2×10⁵. При отсутствии ультрафильтрации, работающей в принудительно-турбулентном режиме, и обратного осмоса этот параметр не превышал бы величины 5×10⁴, т.е. был бы в четыре раза меньше.

Степень концентрирования составила 90. По прототипу в исходный раствор пришлось бы добавить химических реагентов с концентрацией около 2 г/л, степень концентрирования была бы около 35. Приблизительно такими же по величине являются и коэффициенты уменьшения объема.

Предлагаемый способ может быть осуществлен на промышленном оборудовании, которое разработано на стадии рабочих чертежей. Разработка по представленной заявке включена в план НИР и ОКР ГУП МосНПО “Радон”. На основе предлагаемого способа разрабатывается мобильная очистная установка по переработке высокоминерализованных жидких радиоактивных отходов.

Литература

1. Мартынов Б.В. и др. Электрохимический метод переработки жидких радиоактивных отходов, Журн. Атомная энергия, январь 1995, т.78, вып.1, с.37-41.

2. Пензин Р.А. и др. Способ комплексной переработки жидких радиоактивных отходов. Патент RU 2118945 С1. Бюл. №26 от 20.09.1998.

3. Соболев И. А. и др. Передвижная установка для обезвреживания маломинерализованных низкоактивных жидких отходов. Журн. Атомная энергия, декабрь 1992, т.73, вып.6, с.474-478.

Формула изобретения

Способ переработки жидких радиоактивных отходов, заключающийся в том, что исходный поток жидких радиоактивных отходов подвергают отстаиванию с образованием надосадочной жидкости и шлама, надосадочную жидкость осветляют на механическом фильтре с образованием фильтрата, фильтрат разделяют ультрафильтрацией с образованием концентрата, который смешивают с исходным потоком жидких радиоактивных отходов, и пермеата, при этом пермеат подвергают электродиализному разделению на рассол, который концентрируют электроосмотическим методом с получением потока радиоактивного концентрата и потока дилюата, смешиваемого с потоком пермеата, и на диализат, который подвергают глубокому обессоливанию с образованием дезактивированного раствора, отличающийся тем, что фильтрат механического фильтра перед ультрафильтрацией подвергают ионо-селективной сорбции, затем в него вводят ассоциирующие добавки, переводящие молекулярные и ионные формы оставшихся радионуклидов в коллоидные и агрегативные формы, при этом ультрафильтрацию осуществляют в принудительно-турбулентном режиме, а глубокое обессоливание диализата проводят в две стадии: на первой обратным осмосом с образованием потока промежуточного концентрата, который смешивают с рассолом, и дезактивированного раствора, а на второй стадии дезактивированный раствор подвергают электродеионированию.

РИСУНКИ