УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ОТ СТРОНЦИЯ

Предполагаемая полезная модель относится к области очистки низкоактивных жидких радиоактивных отходов (ЖРО), в частности к очистке воды от растворенных в ней солей щелочноземельных радиоактивных металлов, в первую очередь стронция.
Задача очистки ЖРО с течением времени становится все более актуальной. Это объясняется постепенным ужесточением экологических требований к ядерной энергетике, необходимостью переработки ядерного наследия СССР, а также изменением гидрологического режима существующих водоемов-накопителей ЖРО - увеличение естественной подпитки водоемов вызывает угрозу их переполнения даже при полном отсутствии поступления в них радиоактивных вод. Объемы накопленных низкоактивных ЖРО весьма существенны и измеряются кубическими километрами.
Среди характерных для низкоактивных ЖРО загрязняющих изотопов особое место занимает радиоактивный стронций. В силу близости его химических свойств к другим щелочноземельным элементам (в первую очередь к кальцию) стронций легко встраивается в цепи обмена веществ животных и человека и с большим трудом выводится из организма, поскольку накапливается в костях.
Задача получения чистой питьевой воды из загрязненных стронцием ЖРО относительно проста. Поскольку стронций по химическим свойствам близок к другим щелочноземельными металлам, входящим в состав содержащихся в воде солей жесткости (кальцию и магнию), то питьевую воду из ЖРО можно получить распространенными методами удаления солей жесткости, т.е. умягчением с помощью ионообменных смол, нанофильтрацией или обратным осмосом [1. А.П. Андрианов, Д.В. Спицов, А.Г. Первое, Е.Б. Юрчевский, Мембранные методы очистки поверхностных вод. «Водоснабжение и санитарная техника». 2009. №7, с.29-37, 2. Н.Н. Абрамов, Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1974, 374 с].
Однако рекомендованные государственными регулирующими органами [3. Государственные санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. 2.6.6. Радиоактивные отходы. Санитарные правила обращения с радиоактивными отходами (СПОРО-2002). Санитарные правила СП 2.6.6.1168-02. Минздрав России, Москва, 2003.] меры по переработке низкоактивных ЖРО отнюдь не сводятся к получению из ЖРО чистой воды. Конечной целью такой переработки является извлечение из ЖРО радиоактивных веществ в максимально концентрированном (т.е. твердом) виде, наиболее пригодном для дальнейшего захоронения. Ни использование ионообменных смол, ни обратный осмос, ни нанофильтрация не позволяют добиться подобного результата - любой из этих методов предполагает лишь перевод удаляемых из воды веществ в более концентрированный раствор, но концентрация их в растворе не превысит нескольких грамм на литр.
Поэтому единственным методом, позволяющим выделить из ЖРО соединения стронция в твердом виде, является упаривание - метод, требующий огромных затрат энергии (около 600 кВт-ч на кубометр получаемой чистой воды) и экономически целесообразный только при неисчерпаемых запасах т.н. «дармового» тепла, т.е. непосредственно на территории электростанций, крупных заводов и т.п.
Следует отметить, что упаривание не позволяет получить твердый осадок солей только стронция, отделенный от других солей, содержащихся в очищаемых ЖРО. Однако в этом нет необходимости, достигаемая при выпаривании степень концентрирования стронция порядка 1000…10000 может считаться достаточной.
На основании изложенного может быть сформулирован технический результат, который должен быть достигнут с помощью предполагаемой полезной модели - перевод растворенных в воде солей стронция в твердую фазу (смесь солей) при минимальных удельных затратах энергии.
Технический результат может быть достигнут, если в технологии очистки ЖРО использовать процессы, при которых происходит выпадение в осадок солей жесткости, но при этом избегать энергоемких процессов, связанных с нагревом и особенно испарением воды.
Процессы, отвечающие обоим указанным критериям, в области технологии водоочистки известны - это процессы мембранного обессоливания: обратного осмоса и нанофильтрации [1]. Выпадение в осадок солей жесткости при этих процессах происходит довольно часто и является серьезной технологической проблемой, поскольку соли выпадают на мембранах и снижают их проницаемость. С осаждением солей борются путем введения в очищаемую воду ингибиторов осаждения солей жесткости (антискалянтов). Применение антискалянтов не решает полностью проблему отложений на мембранах, поэтому последние приходится регулярно промывать растворами кислот.
С другой стороны, в практике нагрева воды широко известны способы, позволяющие добиться выпадения из раствора солей жесткости не на поверхностях теплообмена в виде толстых слоев, а в толще воды в виде взвесей микроскопических частиц. Этот эффект достигается пропусканием воды через систему постоянных магнитов или электромагнитов [4. Тебенихин Е.Ф., Гусев Б.Т. Обработка воды магнитным полем в теплоэнергетике. М.: Энергия, 1970. 144 с].
Из изложенного следует, что если ЖРО перед нанофильтрацией или обратным осмосом подвергнуть магнитной обработке, то соли жесткости (в т.ч. содержащие стронций) не выпадут на мембране, а будут вынесены из мембранной установки в виде взвеси в потоке концентрата.
Отметим, что в настоящее время магнитная обработка воды применяется исключительно с целью защиты оборудования от накипи, но не с целью селективного извлечения из воды растворенных в ней веществ.
По литературным данным [5. Куликова М.В. Устранение временной жесткости воды аммиачным способом в аппаратах интенсивного перемешивания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Томск 2011] известно, что при выделении взвесей солей жесткости в воде среднеквадратичный диаметр частиц составляет 1,419 мкм. Содержащие стронций твердые частицы такого размера могут быть уловлены фильтром (например, намоточным фильтром с размером пор менее 1 мкм) и утилизированы вместе с ним.
Рассматривая в качестве оборудования для удаления стронция в качестве альтернативных вариантов нанофильтрационные или обратноосмотические мембраны, следует остановиться на первых. Нанофильтрационные мембраны улавливают ионы двухвалентных металлов не хуже, чем обратноосмотические, но требуют для своей работы в 1,5…2,0 раза меньшее давление.
Устройство для очистки низкоактивных ЖРО от стронция, обеспечивающее указанный технический результат, может быть скомпоновано следующим образом. В него должны входить: насос, узел магнитной обработки воды, нанофильтрационная мембрана и микрофильтр (например, намоточный). Работу устройства может пояснить следующий пример (фиг.).
Насос 1 выкачивает воду из водоема, загрязненного радиоактивным стронцием. После прохождения блока предварительной очистки 2 вода подвергается магнитной обработке в узле магнитной обработки 3. Затем вода поступает в корпус нанофильтрационной мембраны 4, где разделяется на концентрат и пермеат, очищенный от части одновалентных ионов и практически всех двухвалентных. Очищенная вода может использоваться для питья, в бытовых, хозяйственных целях и т.п. Установленный в линии отвода концентрата после мембраны 4 дроссель 5 обеспечивает необходимое для нанофильтрации давление. Образующиеся при нанофильтрации частицы взвесей улавливаются в намоточном фильтре 6 с размером пор менее 1 мкм. Удельный расход энергии не превышает 3 кВт-ч на кубометр очищенной воды.
Поскольку нельзя гарантировать полного перевода всех молекул стронция в твердую фазу, то очищенная от твердых частиц вода в общем случае не может считаться дезактивированной и ее следует сбрасывать обратно в водоем с ЖРО. В то же время нельзя гарантировать полного отсутствия отложений солей жесткости на мембране, поэтому мембрана нуждается в периодической кислотной промывке. Отработанный промывочный раствор также является радиоактивным и подлежит сливу в водоем с ЖРО.
Таким образом, из установки для очистки ЖРО выходит очищенная от солей дезактивированная вода, концентрированный раствор солей и периодически выгружаются намоточные фильтры, заполненные твердыми концентрированными радиоактивными отходами.