УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области ядерной энергетики и технологии, а именно к технологии переработки жидких среднеактивных отходов АЭС, ядерных энергетических установок, радиохимических производств, ядерных научных центров.
Известно устройство для переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ), включающее емкость с исходным раствором жидких радиоактивных отходов, содержащих поверхностно-активные вещества, теплообменник, емкость с нагревательным элементом и аппарат для мембранной дистилляции. Отличительной особенностью известного устройства является то, что оно дополнительно содержит электродиализатор, установленный между теплообменником и емкостью с нагревательным элементом /RU 2063076, G21F 9/04, 1996/. Недостатком известной конструкции является сложность реализации процесса, поскольку исходные ЖРО содержащие ПАВ подают в теплообменник, где они подогреваются дистиллятом, образующемся в аппарате для мембранной дистилляции, одновременно охлаждая его, и нагретые до температуры 35°С поступают в электродиализатор. Очищенный от ПАВ концентрат солей и радионуклидов из электродиализатора подают в емкость с нагревательным элементом, где он нагревается до температуры 90°С и поступает в аппарат для мембранной дистилляции. И только в аппарате для мембранной дистилляции концентрат солей и радионуклидов подвергается окончательному концентрированию.
Наиболее близким по технической сути к заявляемой полезной модели является устройство, описанное в журнале «Новые промышленные технологии», №3, 2004, с.49-53. Демонстрационная сорбционно-мембранная установка очистки ЖРО от радионуклидов состоит из реакционной емкости, накопителя отработанного сорбента, фильтра с наноструктурированной мембраной, насосов технологического обеспечения. Данная установка выбрана за прототип. Недостатком прототипа является узкие технологические возможности, поскольку на прототипе возможна реализация только сорбционного способа очистки ЖРО, что существенно сокращает возможность ее применения для очистки ЖРО содержащих, например, 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.
Задача, решаемая полезной моделью сводится к созданию установки для переработки жидких радиоактивных отходов, лишенной указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении степени очистки ЖРО от радионуклидов, ПАВ, неорганических солей с возможностью перевода жидкой фазы в категорию нерадиоактивного раствора, соответствующего требованиям к воде для сброса в открытую гидросеть или фекальную канализацию, в снижении конечных объемов получаемых отвержденных радиоактивных отходов.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается устройство для переработки жидких радиоактивных отходов, включающее сорбционную емкость, выход которой связан со входом в накопитель осадка и с входным патрубком насоса, выходной патрубок которого связан с входом в реакционную емкость и с входом в фильтр, оснащенный фильтроэлементом на основе наноструктурированной мембраны, бак для ЖРО, связанный с входным патрубком насоса, бак для сбора фильтрата, связанный с выходом фильтра, мотор-редуктор, установленный с возможностью подсоединения к выходному валу одноразовой мешалки переносной емкости для приема осадка и его цементации. Отличительной особенностью предлагаемой установки является то, что сорбционная емкость снабжена внутренним чехлом с термопреобразователем, накладным электронагревателем, теплоизоляцией и наружным чехлом, дозаторами и баками жидких реагентов, уровнемером, а также дозатором для мелкодисперсных порошковых добавок, связанным с реакционной емкостью.
Дополнительно предлагается дозаторы и баки жидких реагентов оснастить насосами, например, перистальтическими.
Также дополнительно предлагается устройство оснастить блоком управления и сбора данных, подключенным к насосам, мотору-редуктору, порошковому дозатору, уровнемеру, к нагревателю, термоэлектрическому преобразователю, к сервоприводам регулирующей и запорной арматуры и к электромагнитным клапанам на газовых линиях, а также к персональному компьютеру.
Оснащение сорбционной емкости внутренним чехлом с термопреобразователем, накладным электронагревателем, теплоизоляцией и наружным чехлом, дозаторами и баками жидких реагентов, уровнемером, а также дозатором для мелкодисперсных порошковых добавок, связанным с реакционной емкостью позволяет эффективно и не дорого, за счет применения дешевого неорганического природного сорбента трепела, перерабатывать широкий класс низко- и среднесолевых низко- и среднеактивных ЖРО.
На прилагаемом чертеже представлено заявляемое устройство, где 1 - сорбционная емкость, 2 - накопитель осадка, 3 - насос, 4 - фильтр, 5 - бак для ЖРО, 6 - бак для сбора фильтрата, 7 - мотор-редуктор, 8 - переносная емкость для приема осадка и его цементации с размещенной в ней одноразовой мешалкой 9, 10 - внутренний чехол сорбционной емкости, 11 - термопреобразователь, 12 - накладной электронагреватель, 13 - теплоизоляция, 14 - наружный чехол, 15, 16 - дозаторы (перистальтические насосы), 17 и 18 баки жидких реагентов, 19 - уровнемер, 20 - дозатор для мелкодисперсных порошковых добавок, 21 - блок управления и сбора данных, 22 -запорная арматура, 23 - электомагнитный клапан, 47 - персональный компьютер.
Устройство в зависимости от типа ЖРО позволяет реализовать, по выбору, сорбционный, реакционно-сорбционный или редокс-термособционный способ очистки.
Сорбционный метод
Сорбционный метод основан на такой особенности веществ, как наличие заряда молекул или свободных радикалов в их структуре, которые в контакте с сорбентом, способны адсорбироваться к последним.
Расходные материалы:
- сорбент - трепел 400 (трепел, термообработанный при 400°С, расход из расчета 10-20 г/л);
- коагулянт - суспензия извести (известь из расчета 1 г/л).
Иммобилизацию отработанного сорбента проводят цементированием.
Реакционно-сорбционный метод
Метод обеспечивает модифицирование трепела мелкодисперсным гидроксидом железа (III) непосредственно в растворе ЖРО и повышает эффективность сорбционного извлечения радионуклидов при их совместном присутствии.
Этим способом гидроксид железа (III) медленно формируется в основном в порах неорганической матрицы сорбента и на его поверхности
Расходные материалы:
- сорбент - трепел 300 (трепел, термообработанный при 300°С, расход из расчета 5 г/л);
2
4
2
- реагент - сульфат железа Fe(SO)·9HO (расход из расчета 3 г/л);
- предварительно растворяется в воде (100 мл на 132 г);
- коагулянт - суспензия извести (известь из расчета 1 г/л).
- реагент - 30% раствор щелочи (10 мл на 1 л раствора).
Иммобилизацию отработанного сорбента проводят цементированием. Редокс-термосорбционный метод
Метод основан на известном факте, что целый ряд органических соединений окисляется перманганатом калия в щелочной среде в присутствии солей Fe III, Cu II, Ca II, оказывающими каталитическое действие на эту реакцию. Условия реакции (щелочность раствора, температура, продолжительность окисления, химическая форма и концентрация катализатора) существенно зависят от типа органического соединения, химического состава раствора в целом и других факторов.
Усиление сорбционного извлечения радионуклидов из ЖРО достигается подбором условий, при которых перманганат калия будет восстанавливаться до диоксида марганца.
Расходные материалы:
- сорбент - трепел 300 (трепел, термообработанный при 300°С, расход из расчета 10-20 г/л);
4
4
4
- реагент-окислитель - раствор перманганата калия КМnO (расход из расчета (2,5-20) мл/л ЖРО 0,1М КМnO или (0,04-0,32) г КМnO/л ЖРО в зависимости от содержания органических соединений);
- катализатор и коагулянт - оксид кальция СаО (расход из расчета 1-2 мг/л). Иммобилизацию отработанного сорбента проводят цементированием. Устройство работает следующим образом: в зависимости от состава исходных ЖРО, выбирается способ очистки, реализуемый в автоматическом или ручном режиме. В сорбционную емкость 1 с помощью насоса 3 из бака для ЖРО 5 подают исходный раствор ЖРО, максимальный уровень раствора контролируется уровнемером 19. При реализации редокс-термосорбционного метода раствор в сорбционной емкости 1 при помощи накладного нагревателя 12 нагревают до температуры 70±2°С, температуру контролируют при помощи термопреобразователя 11, расположенного во внутреннем чехле 10, в противном случае переработка ведется при комнатной температуре. В сорбционную емкость 1 при помощи порошкового дозатора 20 подают сорбент (трепел, термически модифицированный при температуре 300-400°С) и при помощи дозатора 15, реагент из бака жидких реагентов 17. Раствор перемешивается, за 10-15 мин до окончания процесса сорбции в раствор при помощи дозатора 16, из бака жидких реагентов 18 вводится коагулянт. После завершения перемешивания раствора с коагулянтом реакционная емкость соединяется с накопителем осадка 2, где происходит процесс осаждения отработанного сорбента. После завершения процесса осаждения накопитель осадка отсекается, а осветленный раствор подается на мембранный фильтр 4 и далее в бак для очищенного раствора 6. При заполнении накопителя осадка отработанным сорбентом, осадок сбрасывают в одноразовую емкость 8 с мешалкой 9, где происходит его перемешивание при помощи мотор-редуктора 7 с портландцементом и отверждение в цементный камень.
Режимы работы установки для осуществления технологических операций (заполнение, перемешивание (сорбция), фильтрация, осаждение, сброс осадка) реализуются блоком управления и сбора данных 21 по командам, подаваемым оператором (или автоматически по заданной программе) при помощи персонального компьютера 24, на открытие/закрытие: определенной (в зависимости от режима) запорной арматуры 22, электромагнитных клапанов 23, включение/выключение: насоса 3, дозаторов жидких реагентов 15, 16, порошкового дозатора 20, мотор-редуктора 7.
Таким образом, применение заявляемого устройства позволит эффективно, без применения сложного, энергоемкого оборудования и недорого (за счет применения дешевого природного неорганического сорбента трепела) перерабатывать широкий класс низко- и среднесолевых низко- и среднеактивных ЖРО.