устройство для переработки жидких радиоактивных отходов, содержащих поверхностно-активные вещества

Формула изобретения

Устройство для переработки жидких радиоактивных отходов, содержащих поверхностно-активные вещества, включающее емкость с исходным раствором жидких радиоактивных отходов, содержащих поверхностно-активные вещества, теплообменник, емкость с нагревательным элементом и аппарат для мембранной дистилляции, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит электродиализатор, установленный между теплообменником и емкостью с нагревательным элементом.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое устройство относится к области переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), содержащих ПАВ, в частности к устройствам для переработки ЖРО низкого и среднего уровней активности. Наиболее эффективно устройство может быть использовано для концентрирования ЖРО, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Жидкие радиоактивные отходы, содержащие ПАВ, представляют собой отдельный класс отходов, сложность концентрирования которых связана с сильным пенообразованием, например, при выпарке, низкой сорбционной способностью при очистке на сорбентах, а также невозможностью их переработки при использовании устройств, содержащих гидрофобные разделительные мембраны. В то же время отверждение ЖРО, содержащих ПАВ, для последующего долгосрочного хранения их в несконцентрированном виде неэкономично из-за больших объемов получаемого твердого продукта. С другой стороны присутствие в отвержденном продукте ПАВ отрицательно сказывается на его водоустойчивости, а в ряде случаев (в зависимости от типа ПАВ) может привести даже к разрушению захораниваемого блока.

Поэтому в настоящий момент актуальной становится разработка новой технологии концентрирования ЖРО, содержащих ПАВ, предусматривающая не только высокую степень концентрирования солей и радионуклидов, но и отделение ПАВ от сконцентрированного рассола. Известно устройство для концентрирования ЖРО, в том числе и содержащих ПАВ [1] основными элементами конструкции которого являются выпарные аппараты упариватель и доупариватель.

Недостатками известной конструкции являются ее сложность, повышенные энергоемкость, габариты, металлоемкость.

Известно также устройство для концентрирования солей ЖРО с использованием устройства обратного осмоса [2]

Недостатками данной конструкции являются ненадежность ее работы, связанная с возможностью осадкообразования в аппарате обратного осмоса, приводящего к резкому снижению производительности работы устройства. Кроме того, обратный осмос отличает низкая степень концентрирования солей (не более 100 150 г/л), что вызвано значительным снижением движущей силы процесса обратного осмоса из-за возрастания осмотического давления концентрируемого раствора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является конструкция, в которой используется аппарат для мембранной дистилляции (МД) [3] Устройство состоит из резервуара для исходного концентрируемого солевого раствора, нагревателя, самого аппарата для МД, теплообменника и резервуара для приема концентрата. Достоинством аппарата для МД, по сравнению с большинством концентрирующих устройств других типов, является его возможность обеспечить концентрирование растворов солей до высокой степени солесодержания (до 500 г/л), что является весьма важным обстоятельством при дальнейшем отверждении концентрата, так как, чем выше исходная концентрация отверждаемого рассола, тем более экономичен сам процесс отверждения. Недостатками известного устройства являются невозможность концентрирования ЖРО, содержащих ПАВ, а также его повышенные габариты.

Преимуществами заявляемого устройства являются обеспечение концентрирования солей и радионуклидов ЖРО, содержащих ПАВ, с одновременным практически нацело отделением поверхностно-активных веществ от рассола, а также снижением габаритов устройства в целом.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что заявляемое устройство по сравнению с устройством прототипа дополнительно содержит электродиализатор, установленный между теплообменником и емкостью с нагревательным элементом.

Сущность заявляемого устройства поясняется чертежом.

Устройство состоит из емкости 1 с исходным раствором ЖРО, содержащих ПАВ, электродиализатор 2, емкости 3 с нагревательным элементом 4, аппарата для МД 5 и теплообменника 6.

Аппарат для МД представляет собой проточной мембранный аппарат фильтр-прессного типа, в котором чередуются камеры с горячим раствором (в данном случае с концентратом ЖРО) и камеры с холодной водой. Соседние камеры разделены фторопластовой микрофильтрационной мембраной с размером пор от 0,1 до 0,5 мкм.

Принцип работы аппарата для МД основан на том, что используемая мембрана гидрофобна, а размеры ее пор достаточны малы (порядка одного микрона и менее), поэтому жидкая фаза в поры мембраны не проникает. Испаряющийся с поверхности горячего раствора пар (поверхностью испарения в этом случае являются образующиеся на входе в поры мениски раствора) проникает в поры мембраны, диффундирует через слой воздуха в поре и конденсируется на поверхности менисков холодной жидкости. При этом в порах создается разряжение, что ускоряет процесс испарения и, следовательно, повышает его эффективность.

Как уже говорилось, недостатком аппарата для МД является то, что его практически невозможно использовать для концентрирования растворов солей, содержащих ПАВ, из-за того, что молекулы ПАВ сорбируются на гидрофобной мембране и приводят к ее гидрофилизации а, следовательно, к потере ее водоотталкивающих свойств. Последнее выражается в заполнении водой гидрофилизированных пор и резком падении производительности и селективности процесса мембранной дистилляции в целом. С другой стороны, как уже говорилось выше, другие концентрирующие устройства (электродиализные или обратноосмотические аппараты) не могут обеспечить такой степени концентрирования солей (до 500 г/л), какой можно достичь, используя аппарат для МД. Выпарка обеспечивает высокое концентрирование как солей с радионуклидами, так и ПАВ, однако это очень негативно сказывается на водостойкости концентрата.

Применение адсорбционных фильтров для предварительной очистки ЖРО от поверхностно-активных веществ малоэффективно из-за необеспечения 100% задержания ПАВ на сорбентах. Использование осадительных методов для 100% выделения ПАВ из растворов радиоактивных отходов требует громоздкой аппаратуры, работающей в длительном и сложном режиме.

В заявляемом устройстве электродиализатор 2, установленный между теплообменником 6 и емкостью 3 с нагревательным элементом 4 помимо своего прямого назначения выполняет одновременно еще и функцию фильтра, 100%-но задерживающего поверхностно-активные вещества. Полная задержка ПАВ достигается в электродиализаторе 2 за счет того, что его ионообменные мембраны не пропускают длинноцепочные молекулы поверхностно-активных веществ. Таким образом, использование в заявляемом устройстве электродиализатора 2 позволяет обеспечить (за счет задержки электродиализатором 2 молекул ПАВ) нормальную работу аппарата для МД 5, и, следовательно, обеспечить высокую степень концентрирования (до 500 г/л) по солям и радионуклидам, а с другой стороны, одновременное выполнение электродиализатором 2 функции предварительного концентратора солей позволяет снизить габариты аппарата для МД 5 приблизительно в 3 20 раз в зависимости от режима работы электродиализатора 2. Вытекающий из электродиализатора 2 диализат представляет собой обессоленный в 2 10 раз раствор ПАВ (в частности, из моющих композиций), что позволяет вторично использовать его, например, в спецпрачечной.

В случае, если мембраны электродиализатора 2 в значительной степени будут отравлены молекулами ПАВ (а это в свою очередь зависит от типа ПАВ, от их содержания в исходных ЖРО, от типа используемых ионообменных мембран и т.п.) возможна их регенерация, например, промывкой камер электродиализатора 2 при пропускании электрического тока в обратном направлении или любыми другими известными способами.

Устройство работает следующим образом. Жидкие радиоактивные отходы состава: ¹³⁷Cs 354 Бк/л, ⁹⁰Sr 22 Бк/л, ⁹⁰Y 20 Бк/л, натрий 160 мг/л, кальций 10 мг/л, гидрокарбонаты 450 мг/л, сульфаты 112 мг/л, полиэтиленгликолевые эфиры алкилфенолов (ОП-10) 0,1 г/л из емкости 1 с исходным раствором ЖРО, содержащим ПАВ, подают в теплообменник 6, где они подогреваются дистиллятом, образующимся в аппарате для МД 5, одновременно охлаждая его. Нагретые до температуры 35^oC ЖРО, содержащие ПАВ, с расходом 0,5 м³/ч поступают в электродиализатор 2 типа ЭДМС-3170-000 с тремя промежуточными электродами, рабочее напряжение на которых составляет 200 В. Диализат, образующийся при этом в электродиализаторе 2, имеет состав: ¹³⁷Cs 26 Бк/л, ⁹⁰Sr 1 Бк/л, ⁹⁰Y 1 Бк/л, натрий 14 мг/л, кальций 0,5 мг/л, гидрокарбонаты 46 мг/л, сульфаты 8 мг/л, ОП-10 0,1 г/л.

Очищенный от ПАВ концентрат солей и радионуклидов из электродиализатора 2 с расходом 40 л/ч подают в емкость 3 с нагревательным элементом 4, где он нагревается до температуры 90^oC и поступает в аппарат для МД 5. В аппарате для МД 5 концентрат солей и радионуклидов подвергается окончательному концентрированию и на выходе из аппарата имеет состав: ¹³⁷Cs 85000 Бк/л, ⁹⁰Sr 960 Бк/л, ⁹⁰Y 1100 Бк/л, солесодержание до 500 г/л - после чего его направляют на отверждение одним из каких-либо известных способов (цементирование, битумирование, включение в термопластичные полимерные связующие и т.п.).

Таким образом, работа заявляемого устройства позволяет обеспечить высокое концентрирование солей и радионуклидов ЖРО, содержащих ПАВ, со степенью концентрирования не ниже, чем у прототипа, с одновременным практически нацело отделением поверхностно-активных веществ. Кроме того, использование в заявляемом устройстве электродиализатора обеспечивает снижение габаритов аппарата МД по сравнению с прототипом в среднем в 3 20 раз. Общие габариты заявляемого устройства, несмотря на включение в него дополнительного элемента (электродиализатора) меньше, чем габариты устройства согласно прототипа в 2

5 раз. Разборка устройства после 160 часов работы показала отсутствие осадка в концентратных камерах электродиализатора и в аппарате для мембранной дистилляции, а образующийся на внутренних стенках емкости 3 с нагревательным элементом 4 осадок периодически отслаивался, осыпался на дно и не влиял на работоспособность установки в целом.

За время работы устройства не отмечено снижения производительности и качества очистки воды в узле мембранной дистилляции. Очищенный и обессоленный раствор ПАВ пригоден для использования в спецпрачечных.