СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ, СОДЕРЖАЩЕЙ РАДИОНУКЛИДЫ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CLEANING LIQUID CONTAINING RADIONUCLIDES, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к атомной и радиохимической промышленности, а именно к очистке загрязненных радионуклидами жидкостей, содержащих органические вещества, в частности нефтепродукты, и может быть использована для очистки жидких радиоактивных отходов.
Доля органических веществ в загрязненных жидкостях может составлять от нескольких единиц до 100%. Например, отработанные органические жидкости (нефтепродукты: осветительный керосин, реакторные рабочие жидкости РЖ-3 и РЖ-8, жидкость JonoPlus IME-MH), используемые при электроэрозионной обработке изделий с радиоактивными элементами, практически не содержат воды. Концентрация в сбросных водах атомной электрической станции органических соединений, например минеральных масел и керосина, смазочно-охлаждающих жидкостей, может достигать десятка процентов. Органические соединения также могут входить и в состав растворов для дезактивации. Способ переработки таких отходов зависит от соотношения в них органических и неорганических компонентов. Наиболее распространенный метод очистки жидкости от нефтепродуктов - пропускание такой жидкости через обезмасливающие угольные фильтры, срок службы которых непродолжителен, и угли которых с накопившимися в них нефтепродуктами и радионуклидами сжигают.
Присутствие нефтепродуктов в водных отходах, используемых в качестве воды затворения при приготовлении цементного компаунда, приводит к расслоению подготовленной к отверждению смеси и усложняет изготовление монолитных блоков с необходимыми прочностными свойствами для захоронения. Так, например, введение без предварительной подготовки органических отходов в составы для получения цементного раствора ограничено четырьмя-пятью процентами по массе. Размещение загрязненных нефтепродуктов в твердых матрицах при таких ограничениях приводит к существенному увеличению объемов материала, который требуется на захоронение. Примеры обращения с органическими жидкими радиоактивными отходами приведены в работе Варлакова А.П., Германова А.В. «Иммобилизация органических жидких радиоактивных отходов методом пропитки пористых цементных матриц». Журнал «Атомная энергия», т. 113, вып. 2, 2012, стр. 83-87.
Применение сжигания или пиролиза для переработки жидких радиоактивных отходов с органическими фракциями позволяет уменьшить количество материала на захоронение, однако существенно усложняет и увеличивает стоимость переработки из-за необходимости очистки газообразных продуктов сгорания.
При обоих подходах к утилизации жидких радиоактивных отходов безвозвратно теряются полезные органические материалы, которые могут быть использованы повторно.
Известен способ переработки жидких радиоактивных отходов, содержащих воду и органические материалы (нефтепродукты), заключающийся во введении в жидкие радиоактивные отходы гидрофобного пористого поглотителя, обладающего сорбционными по отношению к радионуклидам свойствами, после чего выдерживают полученную смесь до полного поглощения нефтепродуктов поглотителем (патент RU №2312415 «Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов, содержащих воду и нефтепродукты», МПК G21F 9/16 и G21F 9/20 (2006.01), опубликовано 10.12.2007). Далее полученную твердую фазу с поглощенными нефтепродуктами смешивают в необходимых пропорциях с цементом, а очищенную от органики воду используют в качестве воды затворения. В качестве поглотителя (нефтепоглатителя) применяют природный углеродный сорбент, например вспененный, расщепленный графит, резиновую крошку, шлаки и тому подобное. Устройство для осуществления известного способа состоит из резервуара для жидких радиоактивных отходов, смесителя, насоса для перекачки жидких радиоактивных отходов в смеситель, бункера с дозатором для подачи в смеситель поглотителя, бункера с дозатором для подачи в смеситель цемента, контейнера для формования и сушки геоцементного камня.
Известные способ и устройство имеют следующие недостатки - имеет место повышенный объем твердых отходов на захоронение, связанный с введением в жидкость наполнителя, невозможность выделения полезных продуктов для повторного использования.
Известен способ очистки сточных вод, в состав которых входит вода, минеральное масло (растворенное и/или в виде эмульсии), растворенные и твердые частицы радиоактивных компонентов урана и продуктов его распада, заключающийся в концентрировании радиоактивных компонентов и минерального масла (патент RU №2305335 «Способ очистки сточных вод от радиоактивных компонентов и масла», МПК G21F 9/00 и G21F 9/20 (2006.01), опубликовано 27.08.2007). При высоком содержании масла загрязненные воды не поддаются очистке методом выпарки, поэтому перед переработкой сточные воды подкисляют до рН 2,5÷3,0; далее вводят коагулянт на основе солей железа, затем катионоактивный флокулянт на основе модифицированного полиакриламида, после чего состав нейтрализуют щелочью до рН больше 7 и проводят его центрифугирование с получением после центрифугирования очищенной воды и концентрата, содержащего радиоактивные компоненты и минеральное масло.
Известный способ имеет следующие недостатки - имеет место повышенный объем отходов на захоронение из-за добавок коагулянта и флокулянта, необходимость химической обработки загрязненной воды перед отделением органической жидкости, невозможность доочистки органической жидкости на том же устройстве после ее отделения от воды.
В качестве прототипа выбран наиболее близкий к заявляемому способу и устройству по решаемой задаче и достигаемому при использовании техническому результату способ очистки жидкостей, содержащих радионуклиды, и устройство для его осуществления (патент RU №2550367 «Способ очистки жидкостей, содержащих радионуклиды, и устройство для его осуществления», МПК G21F 9/16 (2006.01), опубликовано 10.05.2015). Способ заключается в очистке загрязненной жидкости путем размещения в ней элемента из пористого материала, один конец которого частично погружают в загрязненную жидкость, а на другом путем пропускания через жидкость электрического тока создают зону выпаривания, в которую  транспортируют загрязненную жидкость за счет капиллярных свойств пористого материала, и где путем нагрева жидкости до кипения осуществляют компактирование загрязнений, а образовавшийся пар конденсируют с получением очищенной жидкости. Устройство для очистки загрязненной жидкости представляет собой рабочую емкость для такой жидкости с размещенным в ней элементом из пористого материала, который снабжен электродами. Элемент из пористого материала по существу представляет собой фитиль, нижняя часть которого погружена в жидкость, а верхняя часть размещена между электродами с обеспечением контакта.
Известный способ и устройство имеют следующие недостатки - невозможность очистки неэлектропроводных (диэлектрических) жидкостей, к которым относятся органические жидкости, используемые в технологических операциях с радиоактивными материалами (керосин, РЖ-3 и тому подобное), а также невозможность разделения и извлечения органических и неорганических составляющих, например, воды и масла, распределенного в воде в виде эмульсии.
Задача и достигаемый при использовании группы изобретений технический результат - повышение эффективности переработки жидкости, содержащей радионуклиды, с высокой концентрацией органических веществ, разделение и извлечение их компонентов для повторного использования, снижение объема отходов на захоронение.
Технический результат достигается тем, что в способе очистки жидкости, загрязненной радионуклидами и состоящей из таких компонентов, как вода и органическая составляющая, включающем размещение в загрязненной жидкости элемента из пористого материала, один конец которого частично погружают в загрязненную жидкость, а на другом путем пропускания (через жидкость) электрического тока создают зону выпаривания, в которую транспортируют загрязненную жидкость за счет капиллярных свойств пористого материала, и где путем нагрева жидкости до кипения осуществляют компактирование загрязнений, а образовавшийся пар конденсируют с получением очищенной жидкости. Согласно изобретению предлагается в загрязненной жидкости размещать как минимум  по одному элементу из разных пористых материалов - гидрофильному и гидрофобному, причем воду предлагается транспортировать по элементу из гидрофильного материала, а органическую составляющую - по элементу из гидрофобного материала. Компактирование предлагается осуществлять последовательным нагревом до полного выпаривания воды, затем - до полного выпаривания органической составляющей или наоборот.
Последовательность нагрева до полного выпаривания компонентов (воды и органической составляющей) предлагается устанавливать в порядке роста их температуры кипения.
В качестве гидрофильного материала предлагается использовать пористую керамику из окиси алюминия, а в качестве гидрофобного материала, обладающего сорбирующими свойствами по отношению к радионуклидам, - графитовый войлок.
Загрязненную жидкость согласно изобретению предлагается предварительно фильтровать с целью отделения ее крупных частиц.
Заявленный способ очистки жидкости, загрязненной радионуклидами и состоящей из таких компонентов, как вода и органическая составляющая, реализуется с помощью устройства, включающего внешнюю и рабочую емкости, связанные друг с другом посредством канала (в нижней части), размещенный в рабочей емкости элемент из пористого материала, снабженный электродами. Элемент из пористого материала по существу представляет собой фитиль, нижняя часть которого погружена в жидкость, а верхняя часть размещена между электродами с обеспечением контакта. Согласно изобретению предлагается в рабочей емкости разместить как минимум по одному фитилю из разных пористых материалов - гидрофильному и гидрофобному. Также устройство предлагается дополнительно снабдить охлаждаемой камерой, в которую поместить рабочую емкость, а охлаждаемую камеру оборудовать в нижней части патрубком для слива очищенной жидкости в емкость для сбора. Охлаждаемую камеру и внешнюю емкость предлагается соединить трубопроводом.
Внешнюю емкость предлагается снабдить съемным фильтром, через который пропускают жидкость, загрязненную радионуклидами, а также предлагается снабдить ее указателем уровня.
Рабочую емкость предлагается снабдить огнепреградительной вставкой.
В частных случаях исполнения охлаждаемую камеру предлагается выполнить герметичной, что позволит сделать процесс очистки жидкости менее энергоемким (позволит работать в режиме энергосбережения).
Трубопровод, соединяющий охлаждаемую камеру и внешнюю емкость, предлагается соединить с баллоном высокого давления.
Фитиль из гидрофобного материала предлагается снабдить устройством для измерения температуры с точки зрения информативности происходящего процесса.
Предлагаемая конструкция устройства позволяет реализовать заявляемый способ без использования дополнительного контура для органической составляющей, разделяя компоненты жидкости, содержащей радионуклиды, во времени, то есть сделав процесс очистки прерывным во времени.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид устройства для очистки жидкости, загрязненной радионуклидами, а на фиг. 2 - рабочая емкость с узлом для термической обработки загрязненной жидкости.
Устройство для очистки жидкости, загрязненной радионуклидами, состоит из герметичной разборной охлаждаемой камеры 1, внутри которой размещена рабочая емкость 2 с установленными в ней электродами 3 и как минимум одним фитилем 4 из капиллярно-пористого гидрофобного материала и одним фитилем 5 из капиллярно-пористого гидрофильного материала, проницаемой огнепреградительной вставки 6 из пористого керамического материала. В материале фитиля 4 размещено устройство для измерения температуры, представляющее собой термопару 7. Охлаждаемая камера 1 охлаждается посредством охлаждаемой жидкости (воды). Рабочая емкость 2 связана каналом 8 с внешней емкостью 9, предназначенной для залива загрязненной жидкости. В верхней части внешней емкости 9 размещен съемный фильтр 10, снаружи внешней емкости 9 установлен указатель уровня 11 в виде водомерного стекла, а сама внешняя емкость 9 закрыта крышкой 12, в которой имеется патрубок для залива 13 жидкости, загрязненной радионуклидами.
Охлаждаемая камера 1 и внешняя емкость 9 снабжены трубопроводом 14 с кранами 15, 16 и 17 для выравнивания давления в охлаждаемой камере 1 и внешней емкости 9. Трубопровод 14 также соединен с баллоном высокого давления 18. Внизу охлаждаемой камеры 1 размещен патрубок 19 с краном 20 для слива очищенной жидкости в емкость для сбора 21.
Устройство работает следующим образом: очищаемую жидкость, загрязненную мелкодисперсными твердыми частицами и водой с солями, заливают во внешнюю емкость 9 через патрубок для залива 13 в крышке 12 и пропускают через съемный фильтр 10, контролируя уровень по указателю уровня 11. Крупные частицы (более 0,2 мм) удерживаются съемным фильтром 10. Положение кранов 15, 16 и 20 - «открыто», а крана 17 - «закрыто». Далее очищаемая жидкость по каналу 8 поступает в рабочую емкость 2.
По фитилю 4 из гидрофобного углеродного материала за счет капиллярных сил органическая составляющая загрязненной жидкости поступает в зону выпаривания, находящуюся между электродами 3. Нагрев жидкости до кипения и ее выпаривание осуществляется пропусканием тока между электродами 3 сначала по материалу фитиля 4. Температура в зоне выпаривания определяется с помощью термопары 7, размещенной в материале фитиля 4. Газообразные продукты выпаривания через огнепреградительную вставку 6 поступают в полость охлаждаемой камеры 1, конденсируется на ее охлаждаемых стенках и стекают на дно, и далее по патрубку 19 очищенная жидкость сливается в емкость для сбора 21. Твердые мелкодисперсные частицы, содержащие радионуклиды, собираются на дне рабочей емкости 2, а ультрадисперсные частицы (менее 10 нм) вместе с жидкостью попадают в материал фитиля 4 и остаются там после выпаривания. При переработке нефтепродуктов в материале фитиля 4 также могут накапливаться смолы.
После полной переработки органической составляющей жидких радиоактивных отходов электрический ток переключают на пару электродов 3, между которыми помещен фитиль 5 из гидрофильного материала. Вода с растворенными в ней солями по фитилю 5 поступает в зону выпаривания, пар проходит через огнепреградительную вставку 6, поступает в полость охлаждаемой камеры 1, конденсируется на ее охлаждаемых стенках и стекает на дно, и далее по патрубку 19 сливается в емкость для сбора 21. Соли, содержащие радионуклиды, остаются при этом в материале фитиля 5.
В зависимости от вида, ценности и экономической целесообразности накопленные на съемном фильтре 10, в фитилях 4 и 5 материалы вместе с самими фитилями 4, 5 передают на захоронение либо на дальнейшую переработку для извлечения из них радиоактивных металлов.
Примеры конкретного осуществления способа.
Пример 1. Электроэрозионная размерная резка тепловыделяющих элементов реакторов ведется в органической жидкости РЖ-3 - фракции, выделяемой из сернистой нефти. При резке в жидкости накапливаются частицы урана, циркония и их карбидов. Размеры частиц составляют от сотен микрон до единиц нанометров, а преобладающее количество (до 80%) частиц находится в диапазоне 0,01÷10 мкм. Мелкие частицы могут объединяться в конгломераты и вместе с крупными собираться в осадке, частицы же размером менее 100 нм образуют коллоидные системы в жидкости, не выпадающие в осадок. Помимо частиц в жидкости под действием искровых электрических разрядов накапливаются продукты разложения углеводородов в виде смол и воды.
Отработанную жидкость с осадком заливают во внешнюю емкость 9 через патрубок для залива 13 в крышке 12, далее жидкость проходит через съемный фильтр 10, на котором в процессе залива жидкости собирается часть осадка (предварительное фильтрование). Предварительно очищенная от крупных частиц жидкость по каналу 8, связывающему внешнюю емкость 9 и рабочую емкость 2, самотеком поступает в рабочую емкость 2, представляющую собой цилиндр диаметром 200 мм и глубиной 200 мм. Три электрода 3 в виде пластин из нержавеющей стали 2×100×100 мм устанавливают в рабочей емкости 2 вертикально, а между ними размещают фитили 4, 5 с размерами 40×120×120 мм - один из гидрофобного материала (графитового войлока) (фитиль 4), другой - из гидрофильного (окиси алюминия) (фитиль 5). Электроды 3 прижаты к верхней части фитилей 4, 5 с обеспечением электрического контакта. Крайние из трех электродов 3 соединяют с одним полюсом источника питания, а средний - с другим полюсом (не показаны). Нижнюю часть фитилей 4, 5 размещают в очищаемой жидкости так, чтобы она достигала дна рабочей емкости 2. Толщина фитилей 4, 5 соответствует расстоянию между электродами 3, что составляет 40 мм. Нагрев жидкости РЖ-3 до температуры 380÷400°С осуществляют пропусканием переменного тока 40÷60 А и напряжения до 20 В по фитилю 4 из графитового войлока, размещенному между крайним слева и средним из трех электродов 3 (фиг. 1). Регулирование температуры выполняют изменением тока в автоматическом режиме по сигналу от термопары 19. Кипение жидкости начинается при температуре 265°С, и при температуре 400°С жидкость выкипает полностью. Пары жидкости через огнепреградительную вставку 6 из пористой керамики, например из пенокорунда, проходят в полость охлаждаемой камеры 1, конденсируются на ее стенках и через отверстие в дне охлаждаемой камеры 1 по патрубку 19 стекают в емкость для сбора 21 очищенной жидкости с целью дальнейшего повторного использования полученной жидкости. Охлаждаемую камеру 1 охлаждают посредством жидкости (воды). Объем очищенной жидкости после переработки составляет не менее 0,9 исходного объема.
После полного выпаривания органической составляющей электрический ток переключают на вторую пару электродов 3 (на средний и крайний справа из трех электродов 3) (фиг. 1), между которыми размещен фитиль 5 из гидрофильного материала (пористой керамики). Вода, накопившаяся после выпаривания одной или нескольких заливок отработанной жидкости, по фитилю 5 поступает в зону выпаривания и выпаривается при температуре 100÷110°С. Вода в фитиле 5 нагревается путем пропускания через нее тока 1÷5 А при напряжении 100÷150 В. Пары жидкости через огнепреградительную вставку 6 проходят в полость охлаждаемой камеры 1, конденсируются на ее стенках и через отверстие в дне охлаждаемой камеры 1 по патрубку 19 стекают в новую емкость для сбора 21 очищенной жидкости с целью дальнейшего повторного использования полученной жидкости.
Применяемый в качестве материала для фитиля 4 графитовый войлок имеет открытую пористость 0,80÷0,90 и при размерах фитиля 4, приведенных в примере конкретного использования, способен собрать до 0,5 дм твердых частиц, в том числе частиц из коллоидных взвесей, остающихся в материале фитиля 4 после выпаривания.
Отработанный фитиль 4 из графитового войлока с накопленными в нем смолами сжигают, а зольный остаток передают либо на захоронение, либо на извлечение радионуклидов. Фитиль 5 из пористой керамики передают на захоронение.
Пример 2. Вода, полученная после механической обработки материала, содержащего радионуклиды, помимо загрязнений взвесями твердых мелкодисперсных частиц содержит также органическую жидкость, например, минеральное масло, которое распределено в воде в виде эмульсии. Отделить масло отстаиванием в такой жидкости практически невозможно. Однако переработка такой жидкости по предлагаемому способу и устройство для осуществления такого способа позволяют разделить воду и масло и очистить их от радионуклидов.
Загрязненную жидкость заливают во внешнюю емкость 9 через патрубок для залива 13 в крышке 12. Далее жидкость проходит через съемный фильтр 10, на котором в процессе залива жидкости собирается часть осадка и задерживаются механические примеси (частицы или конгломераты частиц крупнее 0,2 мм). Далее жидкость через канал 8 самотеком поступает в рабочую емкость 2, в которой устанавливают четыре электрода 3 2×100×100 мм. Между электродами 3 размещают два фитиля 4 из гидрофобного и один фитиль 5 из гидрофильного капиллярно-пористого материала (фиг. 2). Размеры фитилей 4, 5 - 40×120×120 мм. Переработку компонентов жидкости ведут последовательно. Сначала подают ток на электроды 3, между которыми размещен фитиль 5 из гидрофильного материала (пористой керамики), и регулировкой тока устанавливают в зоне выпаривания необходимую для испарения воды температуру (100÷110°С). Загрязненную солями и мелкодисперсными твердыми частицами с радионуклидами воду подают в зону нагрева только по гидрофильному фитилю 5, при этом она не попадает в гидрофобные фитили 4. Процесс ведут до полного выпаривания воды в рабочей емкости 2. Затем ток переключают на электроды 3, между которыми размещены фитили 4 из гидрофобного материала, и нагревают материал в зоне выпаривания до температуры примерно 125°С, что соответствует началу выделения легких фракций, затем постепенно повышают температуру до начала разложения масла (400÷500°С). Пары жидкости через огнепреградительную вставку 6 проходят в полость охлаждаемой камеры 1, конденсируются на ее стенках и через отверстие в дне охлаждаемой камеры 1 по патрубку 19 стекают в емкости для сбора 21 очищенной жидкости с целью дальнейшего повторного использования полученной жидкости.
Отработанные фитили 4 из графитового войлока с накопленными в них смолами сжигают, а зольный остаток передают либо на захоронение, либо на извлечение радионуклидов. Фитиль 5 из пористой керамики передают на захоронение.
Предложенные способ и устройство позволяют разделить органические и неорганические составляющие жидкости, содержащей радионуклиды, и возвратить эти составляющие на повторное использование, снизив при этом объем отходов на захоронение.