способ получения обессоленной воды и воды высокой чистоты для ядерных энергетических установок научных центров

Формула изобретения

Способ получения обессоленной воды и воды высокой чистоты для ядерных энергетических установок научных центров, включающий предочистку воды, подаваемой из емкости исходных вод, на насыпном угольном фильтре и на механическом фильтре, дальнейшее обессоливание вод на двух последовательных обратноосмотических фильтрах путем направления фильтрата первого через промежуточную емкость на вход второго, а фильтрата второго - на доочистку на ионообменный фильтр, накопление очищенной воды в емкости очищенной воды, возврат концентрата второго обратноосмотического фильтра в емкость исходных вод и направление концентрата первого обратноосмотического фильтра на сброс при отсутствии в нем радиоактивных или химически токсичных загрязнений, а при их наличии - на обезвреживание, отличающийся тем, что фильтрат первого обратноосмотического фильтра перед подачей на второй обратноосмотический фильтр подвергают декарбонизации в промежуточной емкости путем отдувки воздухом двуокиси углерода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения воды высокой чистоты (ВВЧ) для теплоносителей ядерных энергетических установок (ЯЭУ) мембранно-сорбционными методами и может быть также использовано для получения обессоленной воды для ЯЭУ при очистке маломинерализованных низкоактивных жидких радиоактивных отходов (ЖРО).

При эксплуатации ЯЭУ научных центров ВВЧ с солесодержанием менее 1 мг/л используется для приготовления теплоносителя, а обессоленная солесодержанием до 10 мг/л вода - для приготовления регенерационных и дезактивационных растворов, обмыва оборудования, промывки фильтров и т.д. При этом обессоленную воду получают из пресных природных вод или маломинерализованных низкоактивных ЖРО путем дистилляции, электродиализа, обратного осмоса и др., а ВВЧ - путем ионообменной очистки обессоленной воды на ионообменных смолах (ИОС), сульфоуглях, цеолитах и др. [Кульский Л.А., Страхов Э.Б., Волошина A.M. Технология водоочистки на атомных энергетических установках. - Киев, Наук. Думка, 1986. С.132-139].

Научные центры с ЯЭУ в отличие от атомных электростанций не располагают избытком тепловой или электрической энергии и поэтому для обессоливания на них предпочтительнее использование обратного осмоса - менее энергоемкого, чем электродиализ, а тем более дистилляция [Milligan T.J. Treatment of industrial wastewaters. - Chem. Engng., 1976, v. 83, № 22 (Deskbook Issue), p.49-66]. Наиболее эффективными сорбентами являются ионообменные смолы, обеспечивающие практически полное удаление всех солей, но их применение экономически оправдано только при очистке растворов с солесодержанием не более 1 г/л. Даже при очистке маломинерализованных вод требуется периодическая регенерация, приводящая к образованию дополнительных солевых концентратов (химически токсичных регенератов), требующих обезвреживания [Хоникевич А.А. Очистка радиоактивно-загрязненных вод лабораторий и исследовательских ядерных реакторов. - М.: Атомиздат, 1974, с.85-90].

Известен способ обращения с теплоносителями и техническими растворами ядерных энергетических установок научных центров, включающий при их приготовлении удаление макрокомпонентов - солей щелочных и щелочноземельных металлов и микрокомпонентов - радионуклидов (обессоливание), например, на обратноосмотическом аппарате (фильтре) и доочистку раствора (фильтрата) на ионообменных сорбентах (ионообменном фильтре). Образующиеся при этом солевые концентраты при наличии в них радиоактивных или химических загрязнений направляют на обезвреживание [патент РФ № 2168221, бюл. № 15, 2001].

Недостатком этого способа является то, что обратноосмотическая очистка не обеспечивает эффективного обессоливания (очистка от одновалентных ионов в 2-5 раз ниже, чем от двухвалентных) и в результате происходит быстрое насыщение ионообменных фильтров, загруженных катионообменными и анионообменными смолами, что вызывает необходимость регенерации фильтров. За счет образования отработанных регенерационных растворов сброс концентратов в окружающую среду невозможен даже при отсутствии в исходных водах радиоактивных или химически токсичных загрязнений. Кроме того, по данной технологической схеме получают, в основном, обессоленную воду, тогда как для ВВЧ ограничивается не только общее солесодержание (электропроводность не более 0,1 мкСм/см), но и содержание хлорид-иона (не более 0,004 мг/л), оксидов железа (не более 0,01 мг/л) и оксидов меди (не более 0,002 мг/л) [Ганчев Б.Г., Калишевский Л.Л., Демишев Р.С. и др. Ядерные энергетические установки. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.425], которые, так же как и органические загрязнения, мешают и обратноосмотической очистке.

Известен способ получения обессоленной воды и воды высокой чистоты для ядерных энергетических установок научных центров, включающий забор из емкости исходных маломинерализованных (до 1 г/л) вод или низкоактивных ЖРО, предочистку вод на насыпном угольном фильтре, очистку на механическом фильтре, обессоливание предварительно очищенных вод на двух последовательных обратноосмотических фильтрах, доочистку фильтрата на ионообменном фильтре и накопление очищенной воды в конечной емкости. Причем фильтрат первого обратноосмотического фильтра направляют через промежуточную емкость на вход второго обратноосмотического фильтра, фильтрат второго направляют на доочистку на ионообменный фильтр, концентрат второго возвращают в емкость исходных вод, а концентрат первого направляют на сброс при отсутствии в нем радиоактивных или химически токсичных загрязнений, а при их наличии направляют на обезвреживание [патент РФ № 2276110, бюл. № 13, 2006]. По своей технологической сущности и достигаемому результату этот способ наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является то, что в обессоливаемой воде при обратном осмосе удаляются только бикарбонат-ионы, составляющие в качестве солей щелочноземельных металлов основу солесодержания большинства рек России [Кульский Л.А., Страхов Э.Б., Волошина A.M. Технология водоочистки на атомных энергетических установках. - Киев, Наук. Думка, 1986. С.132-139], тогда как растворенная в воде углекислота практически не задерживается мембранами, проходя беспрепятственно в фильтрат и взаимодействуя с молекулами воды, вновь образует в нем бикарбонат-ионы. Таким образом, возрастает нагрузка на анионообменные смолы.

Задачей изобретения является создание способа получения обессоленной воды и ВВЧ из маломинерализованных вод или низкоактивных ЖРО, позволяющего повысить степень обессоливания исходных вод и снизить расход анионообменных смол за счет оптимизации режимов работы обратноосмотических и ионообменных фильтров без увеличения количества солей в концентратах.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе, включающем предочистку воды, подаваемой из емкости исходных вод, на насыпном угольном фильтре и на механическом фильтре, дальнейшее обессоливание вод на двух последовательных обратноосмотическом фильтрах путем направления фильтрата первого через промежуточную емкость на вход второго, а фильтрата второго - на доочистку на ионообменный фильтр, накопление очищенной воды в емкости очищенной воды, возврат концентрата второго обратноосмотического фильтра в емкость исходных вод и направление концентрата первого обратноосмотического фильтра на сброс при отсутствии в нем радиоактивных или химически токсичных загрязнений, а при их наличии - на обезвреживание, согласно изобретению в промежуточной емкости, расположенной между первым и вторым обратноосмотическими фильтрами, проводят декарбонизацию фильтрата первого обратноосмотического фильтра путем отдувки воздухом СО₂.

Способ осуществляется следующим образом.

Маломинерализованные (до 1 г/л) воды или низкоактивные ЖРО из емкости исходных вод направляют на предочистку на насыпной угольный фильтр (заполненный активированным углем) для удаления железа, меди, органических растворителей, мешающих эффективной работе обратноосмотических мембран. Фильтрат угольного фильтра направляют на микрофильтр для удаления взвесей. Фильтрат микрофильтра направляют на обессоливание на первый обратноосмотический фильтр для удаления солей жесткости. Концентрат солей жесткости из первого обратноосмотического фильтра направляют на сброс при отсутствии в нем радиоактивных или химически токсичных загрязнений, а при их наличии направляют на обезвреживание (дальнейшее концентрирование и цементирование вне данной технологической схемы). На первом обратноосмотическом фильтре при очистке от солей жесткости катионы щелочноземельных металлов (Са²⁺ и Mg²⁺) удаляются в 2-5 раз более эффективно, чем анионы гидрокарбонатов (НСО₃ ^-), что приводит к понижению рН фильтрата. Умягченный фильтрат первого обратноосмотического фильтра направляют в промежуточную емкость, где его отдувают воздухом для удаления растворенной в воде СО₂, доля которой при снижении рН возрастает по сравнению с исходной водой. После декарбонизации раствор направляют на дальнейшее обессоливание во второй обратноосмотический фильтр для удаления остатков солей жесткости и солей щелочных металлов. При этом за счет отдувки свободной СО₂ во время декарбонизации рН раствора, поступающего на второй обратноосмотический фильтр, снова возрастает, что повышает очистку от оставшихся бикарбонатов. Концентрат солей второго обратноосмотического фильтра возвращают в емкость исходных вод, что обеспечивает за счет разбавления снижение солесодержания и повышение рН вод, поступающих на первый обратноосмотический фильтр. Обессоленный фильтрат второго обратноосмотического фильтра направляют на доочистку на ионообменный фильтр (заполненный катионо- и анионообменной смолой) для получения ВВЧ. Следует также отметить, что при получении ВВЧ на основе маломинерализованных низкоактивных ЖРО в процессе декарбонизации происходит и очистка от летучих радиоактивных благородных газов (РБГ), а также радиоактивного молекулярного йода.

По сравнению с известными мембранно-сорбционными способами очистки вод в предлагаемом способе обеспечивается получение ВВЧ без применения регенерации ионообменных фильтров и использования других химических реагентов для корректировки рН, причем в промежуточной емкости между двумя обратноосмотическими фильтрами при декарбонизации отдувается большее количество свободной СО₂, чем было в исходной воде, что не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию изобретательского уровня.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором изображена схема получения обессоленной воды и воды высокой чистоты для ЯЭУ научных центров.

Технологическая схема, представленная на чертеже, включает: емкость 1 с исходными водами, насосы 2, 5 и 8, угольный фильтр 3, микрофильтр 4, первый 6 и второй 9 обратно-осмотические фильтры, промежуточную емкость 7, ионообменный фильтр 10 и емкость 11 для накопления очищенной воды, компрессор (или барботер) 12.

Получение ВВЧ осуществляли следующим образом. Исходные воды из емкости 1 насосом 2 направляли на предварительную очистку на угольный фильтр 3 и микрофильтр 4. Предварительно очищенную воду с помощью насоса 5 подавали на вход первого обратноосмотического фильтра 6. Концентрат с фильтра 6 направляли на сброс в канализацию. Фильтрат с выхода фильтра 6 направляли в промежуточную емкость 7, а после декарбонизации насосом 8 направляли на вход второго обратноосмотического фильтра 9. Концентрат с фильтра 9 возвращали в емкость 1 исходных вод. Фильтрат с выхода фильтра 9 направляли на ионообменный фильтр 10. Очищенную воду с выхода ионообменного фильтра 10 направляли в емкость 11 очищенной воды. Декарбонизацию в емкости 7 осуществляли путем отдувки СО₂ воздухом с использованием компрессора (или барбатера) 12.

Эффективность предлагаемого способа иллюстрируется примерами.

Пример 1 (прототип). Исходная маломинерализованная вода имела солесодержанием 300 мг-экв./л, жесткость 4,5 мг/л и щелочность (гидрокарбоная жесткость [Лурье Ю.Ю. Унифицированнные методы анализа вод. - М.: "Химия", 1973, с.66]) 3,5 мг-экв./л (рН 7,0). Получение ВВЧ осуществляли по описанной выше схеме без проведения декарбонизации в промежуточной емкости между обратноосмотическими фильтрами. Солесодержание воды после обратноосмотических фильтров составляло 15 мг/л, жесткость не более 0,5 мг-экв./л, щелочность не более 0,25 мг-экв./л. Солесодержание воды после ионообменного фильтра составляло не более 0,1 мг/л, что позволяет использовать ее в качестве ВВЧ для приготовления теплоносителя ЯЭУ.

Пример 2 (заявляемый). Отличается от примера 1 тем, что получение ВВЧ осуществляли по описанной выше схеме с проведением декарбонизации в промежуточной емкости между обратноосмотическими фильтрами. Солесодержание воды после обратноосмотических фильтров составляло 5 мг/л, жесткость не более 0,1 мг-экв./л, щелочность не более 0,1 мг-экв./л, что позволяло использовать ее в качестве обессоленной для технических нужд ЯЭУ. Солесодержание воды после ионообменного фильтра составляло не более 0,1 мг/л, что позволяет использовать ее в качестве ВВЧ для приготовления теплоносителя ЯЭУ. При этом расход анионионообменных смол сокращается в 3 раза и, соответственно, возрастает ресурс работы ионообменного фильтра.

Предлагаемый способ позволяет при получении ВВЧ из маломинерализованных (до 1 г/л) растворов понизить солесодержание воды после обратноосмотических фильтров и, таким образом, в 3 раза повысить ресурс ионообменного фильтра. Это позволяет исключить необходимость регенерации ионообменного фильтра, а также получать умягченную как от некарбонатной, так и карбонатной жесткости (жесткость и щелочность менее 0,1 мг-экв./л) обессоленную воду для технических нужд ЯЭУ.

Дегазаторы выпускаются в промышленных масштабах, т.е. данный способ промышленно применим. Способ является полностью безреагентным, т.е. его использование не приводит к химическому загрязнению, что является важным экологическим аспектом. При этом способ пригоден для получения обессоленных вод и ВВЧ не только из маломинерализованных хозяйственно-питьевых вод, но и из низкоактивных маломинерализованных ЖРО, что позволяет возвращать их для вторичного использования для нужд ЯЭУ научных центров.