СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ЖИДКОГО ЭФЛЮЕНТА, СОДЕРЖАЩЕГО ОДИН ИЛИ БОЛЕЕ РАДИОАКТИВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОСРЕДСТВОМ ОБРАБОТКИ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ
METHOD OF DEACTIVATING LIQUID EFFLUENT, CONTAINING ONE OR MORE RADIOACTIVE CHEMICAL ELEMENTS, BY PROCESSING IN FLUIDISED BED

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается способа дезактивации жидкого эфлюента, содержащего один или более предназначенных для удаления радиоактивных элементов (таких как стронций, рутений, цезий, α-излучатели, такие как америций, плутоний и уран), посредством обработки в кипящем слое, например, путем совместного осаждения.
Дезактивационная обработка жидких эфлюентов, в частности радиоактивных жидких эфлюентов путем совместного осаждения была разработана в 60-е годы. Она состоит во введении в предназначенный для дезактивации жидкий эфлюент предварительно сформированных твердых частиц и/или реагентов-предшественников указанных частиц, при этом указанные реагенты реагируют in situ в предназначенном для дезактивации жидком эфлюенте с образованием указанных частиц. Эти частицы выбирают по их способности селективно захватывать и удерживать указанный или указанные предназначенные для удаления химические элементы. Среди твердых частиц, способных захватывать и удерживать металлические элементы, можно указать:
- частицы сульфата бария, способные захватывать и удерживать стронций;
- частицы гидроксидов железа и меди, способные захватывать и удерживать рутений и α-излучатели, такие как америций, плутоний и уран;
- частицы ферроцианидов никеля и кобальта, способные селективно захватывать и удерживать цезий.
Дезактивационную обработку можно осуществлять в двух режимах:
- периодический режим, при котором обрабатывают только заранее определенный объем предназначенного для дезактивации жидкого эфлюента, подаваемого в реактор, в который вводят твердые частицы, способные захватывать и удерживать указанный или указанные предназначенные для удаления химические элементы, и/или реагенты-предшественники указанных частиц;
- непрерывный режим, при котором в реактор непрерывно с постоянным или переменным расходом подают предназначенный для дезактивации эфлюент, твердые частицы, способные захватывать и удерживать указанный или указанные предназначенные для удаления химические элементы, и/или реагенты-предшественники указанных частиц, при этом добавление частиц и/или реагентов можно производить в реакторном каскаде.
Как в периодическом, так и в непрерывном режиме после обработки в реакторе получают суспензию твердых частиц, которые захватили предназначенные для удаления химические элементы, первоначально присутствовавшие в жидком эфлюенте. После этого завершением обработки является реализация стадии отделения жидкой фазы от твердой, как правило, в резервуаре-отстойнике. Эту стадию можно облегчить путем добавления в суспензию коагулятора и/или флокулянта. Твердая фаза, собираемая после этой стадии разделения (называемого «шламовой» стадией), считается последним отходом, и ее упаковывают, как правило, в битум или в цементную матрицу перед складированием. Что же касается дезактивированной жидкости, то ее выливают в окружающую среду, если это позволяет ее радиологический и химический состав. В противном случае жидкость можно опять подвергнуть дальнейшей дезактивационной обработке.
Для осуществления такого способа дезактивации традиционно необходимы два устройства:
- реактор (который может содержать один или несколько баков), в котором происходит стадия приведения в контакт твердых частиц, способных осаждаться, с предназначенными для удаления химическими элементами жидкого эфлюента; и
- бак-отстойник и/или модуль фильтрации, обеспечивающий отделение твердой фазы от жидкой, то есть разделение между фазой, содержащей осадок с захваченным(и) предназначенным(и) химическим(и) элементом(ами), и жидкой фазой, содержащей очищенный эфлюент или по меньшей мере эфлюент с низким содержанием предназначенного(ых) для удаления химического(их) элемента(ов), при этом отстаивание требует использования органических соединений, таких как флокулянты, для облегчения объединения частиц в суспензии.
Таким образом, этот тип обработки требует наличия установки большого размера и, следовательно, не гибкой в применении. С другой стороны, необходимы большие материальные затраты для сооружения, работы и обслуживания установки этого типа.
Вместе с тем, когда обработку производят в периодическом режиме, для осуществления различных стадий обработки (заполнение бака, добавление реагентов, перемешивание, опорожнение и т.д.) требуется много времени (например, порядка нескольких часов), что ограничивает производительность обработки при помощи установки.
Когда обработку производят в непрерывном режиме, для эффективной обработки необходимо, чтобы эфлюент оставался в течение длительного времени в реакторе.
Действительно, чем больше время контакта между твердыми частицами и химическим(и) элементом(ами), содержащимся(мися) в эфлюенте, тем лучше переход элементов из жидкой фазы в твердую фазу (время пребывания должно быть не менее 5 минут в реакторе и не менее 30 минут в отстойнике для реализации хорошего разделения). Следовательно, при данном расходе эфлюента, чтобы соблюдать это время пребывания, необходимо регулировать объем реактора и отстойника, учитывая, что эффективность дезактивации тем выше, чем больше размер реактора.
Кроме того, в известных установках иногда необходима вторая обработка, в частности для комплексных эфлюентов (содержащих несколько предназначенных для удаления химических элементов) или эфлюентов с высокой радиоактивностью. Соответственно для таких эфлюентов увеличивается количество получаемого шлама. Следовательно, чтобы избежать этого, необходимо иметь возможность повысить эффективность обработки без увеличения объема получаемого шлама.
Одним из факторов, обуславливающих эффективность обработки с точки зрения дезактивации, является количество твердых частиц, участвующих в контакте с предназначенным для дезактивации эфлюентом. Для обеспечения минимальной эффективности обработки необходимо использовать большие количества реагентов. Радиологическая активность суспензии может быть связана с присутствием ничтожного количества радиоактивных элементов (например, несколько нанограммов на литр), при этом шлам на выходе обработки может быть слаборадиоактивным. Таким образом, предпочтительно иметь возможность сконцентрировать радиологическую активность в меньшем объеме шлама, чтобы ограничить объемы складирования.
Таким образом, существует насущная потребность в создании способа дезактивации жидкого эфлюента путем удаления одного или нескольких присутствующих в нем радиоактивных элементов, который позволяет устранить следующие недостатки:
- проблему габаритов установки, поскольку необходимы две операции для реализации дезактивации (обработка+отделение твердой фазы от жидкой);
- риски загрязнения во время перемещения обработанного эфлюента и шламов, образовавшихся в установке отделения твердой фазы от жидкой, при этом перемещение осуществляют при помощи трубопроводов, соединяющих установку обработки с установкой отстаивания;
- применение большого количества твердого вещества, необходимого для обработки объема обработанного эфлюента для дезактивации, причем дезактивация иногда оказывается слабой, что приводит к большому объему отходов, которые затем необходимо упаковать;
- необходимость использования органических соединений, таких как флокулянты, для осуществления отделения твердой фазы от жидкой.
Сущность изобретения
Объектом настоящего изобретения является способ дезактивации жидкого эфлюента, содержащего один или более предназначенных для удаления радиоактивных химических элементов, содержащий следующие стадии:
- стадию приведения в контакт в перемешиваемом кипящем слое в первой зоне реактора указанного жидкого эфлюента с твердыми частицами, способными за счет совместного осаждения, и/или абсорбции, и/или ионного обмена захватывать и удерживать указанный или указанные радиоактивные химические элементы, в результате чего получают суспензию твердых частиц, содержащих указанный или указанные радиоактивные химические элементы;
- стадию отстаивания указанной суспензии во второй зоне этого же реактора, причем эта вторая зона является отдельной от вышеупомянутой первой зоны, в результате чего получают твердую фазу, содержащую твердые частицы с указанным или указанными предназначенными для удаления радиоактивными химическими элементами, и жидкую фазу с низким содержанием или не содержащую совсем указанного или указанных предназначенных для удаления радиоактивных химических элементов; и
- стадию разделения указанной твердой фазы и указанной жидкой фазы. Этот новый способ имеет следующие основные преимущества:
- эффективность способа с точки зрения затрат, обслуживания и работы за счет использования только одного реактора, позволяющего осуществлять операции приведения в контакт, отстаивания и разделения;
- простота применения способа, обеспечивающего обработку эфлюентов, благодаря легкости транспортировки реактора для осуществления способа;
- по сравнению с реактором, не содержащим второго отсека для облегчения отстаивания, можно работать с более значительным расходом эфлюента и, следовательно, при равном объеме реактора обрабатывать больший объем эфлюента за определенное время.
Более того, благодаря совместному использованию режима кипящего слоя, перемешивания указанного слоя и зоны, предназначенной для отстаивания, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет, в частности, в отсутствие продувки, осуществлять продолжительный контакт указанных твердых частиц с предназначенным для дезактивации эфлюентом и, следовательно, повысить эффективность дезактивации. В частности, осуществление приведения в контакт и отстаивания в одном и том же реакторе позволяет использовать одно и то же время пребывания одновременно для приведения в контакт и отстаивания в отличие от традиционного способа, в котором эти две стадии осуществляют в двух разных баках. Время пребывания может быть порядка 30 минут в первой зоне, где применяют режим кипящего слоя, за этот же период может происходить отстаивание, и по сравнению с традиционным способом дезактивация улучшается за счет увеличения времени контакта между эфлюентом и твердыми частицами.
Предпочтительно способ в соответствии с настоящим изобретением является непрерывным способом, иначе говоря, стадии этого способа осуществляют одновременно, то есть в момент t времени один объем жидкого эфлюента проходит через стадию приведения в контакт, тогда как другой объем жидкого эфлюента проходит через стадию отстаивания. Более того, при непрерывной работе в первую зону реактора непрерывно подают предназначенный для обработки жидкий эфлюент и вышеупомянутые частицы (или реагенты, способствующие образованию этих частиц). Этот режим работы позволяет обрабатывать переменные объемы эфлюента без ограничения в объеме реактора, как это происходит в случае, когда способ осуществляют периодически. Это представляет особый интерес, поскольку поставки эфлюентов на станции обработки могут меняться во времени. Работа в непрерывном режиме позволяет повысить гибкость управления операциями дезактивации.
Кроме того, за счет непрерывной подачи твердых частиц и эфлюента при непрерывном режиме работы размер твердых частиц непрерывно увеличивается, и, в частности, если перемешивание в первой зоне является слабым, они могут объединяться в компактные скопления, что приводит к увеличению среднего размера частиц в устройстве. Это позволяет отказаться или по крайней мере уменьшить добавление органических соединений, выполняющих функцию флокулянта.
Это способствует облегчению сбора указанных частиц при отстаивании во второй зоне или путем фильтрации после остановки способа.
Согласно изобретению, способ содержит стадию приведения в контакт в перемешиваемом кипящем слое в первой зоне реактора указанного жидкого эфлюента с твердыми частицами, способными за счет совместного осаждения, и/или абсорбции, и/или ионного обмена захватывать и удерживать указанный или указанные радиоактивные химические элементы, в результате чего получают суспензию твердых частиц, содержащих указанный или указанные радиоактивные химические элементы.
Указанные частицы могут быть образованы in situ за счет реакции между соответствующими реагентами в указанной первой зоне или их можно вводить в заранее сформированном виде в указанную первую зону.
Традиционно указанный реактор, применяемый в рамках способа, является вертикальным реактором, в котором первая зона соответствует слою и является первой колонной, в которую вводят жидкий эфлюент, а также частицы (или реагенты, необходимые для образования указанных частиц), при этом введение можно осуществлять в нескольких точках слоя и непрерывно, и вторая зона является второй колонной, расположенной над указанной первой колонной, и традиционно имеет диаметр, превышающий диаметр первой колонны. Введение можно регулировать таким образом, чтобы сконцентрировать радиологическую активность в заранее определенном объеме шлама.
Несмотря на то что преимуществом способа в соответствии с настоящим изобретением является возможность исключения использования флокулянта, во время этой стадии приведения в контакт можно вводить, по меньшей мере, один флокулянт в указанную первую зону, то есть флокулянт, который позволяет увлечь твердые вещества (в данном случае вышеупомянутые твердые частицы) таким образом, чтобы они коагулировали. В качестве примеров флокулянтов можно указать катионные, анионные или не заряженные полимеры, предпочтительно анионные полимеры. Можно указать, например, BetzDearbom API HOP, который является анионным полимером акриламида с большим молекулярным весом.
Как было указано выше, стадию приведения в контакт осуществляют в кипящем слое.
Следует уточнить, что традиционно под кипящим слоем следует понимать образование суспензии твердых частиц в восходящем потоке текучей среды, при этом указанные твердые частицы образуют кипящий слой и предпочтительно состоят из частиц, способных захватывать и удерживать указанный предназначенный для удаления радиоактивный элемент, тогда как восходящий поток текучей среды предпочтительно образован предназначенным для дезактивации жидким эфлюентом.
Использование режима кипящего слоя приводит, в частности, к увеличению площади контакта между твердыми частицами и предназначенным для обработки жидким эфлюентом, что позволяет обеспечить хорошее перемещение вещества между указанными частицами и указанным жидком эфлюентом, а также высокую эффективность дезактивации.
Когда способ осуществляют в непрерывном режиме, предпочтительно, чтобы время пребывания вышеупомянутых твердых частиц в первой зоне превышало время пребывания данной части жидкого эфлюента (например, примерно от часа до нескольких дней для твердых частиц и час для жидкого эфлюента). Это значит, что большое количество эфлюента сможет пройти через данное количество твердых частиц. В результате, по сравнению с системами, не использующими режим кипящего слоя, получают уменьшение используемого количества твердых частиц на кубический метр обрабатываемого эфлюента.
Поскольку общее количество шлама, получаемого в способе в соответствии с настоящим изобретением, в основном связано с химическими реакциями между вышеупомянутыми твердыми частицами и предназначенными для удаления радиоактивными химическими элементами, в результате достигают уменьшения общего объема шлама. За счет этого повышается радиологическая активность шлама.
Предпочтительно эта первая зона содержит мешалку, предназначенную для создания однородности слоя, причем эта мешалка может быть выполнена в виде вала, на котором на разной высоте можно установить лопасти.
В случае, когда способ осуществляют в непрерывном режиме, который предусматривает непрерывную подачу в первую зону обрабатываемого эфлюента и вышеупомянутых твердых частиц (или реагентов, способных реагировать с образованием указанных частиц), в реакторе может произойти увеличение количества твердых частиц, что может отрицательно сказаться на нормальном ходе способа. Поэтому необходимо предусмотреть регулирование во времени количества твердых частиц в указанной первой зоне. Для этого можно предусмотреть этап продувки указанной первой зоны, периодически или в непрерывном режиме, чтобы удалить излишки твердых частиц, мешающих нормальному ходу способа.
Твердые частицы, способные захватывать и удерживать химический элемент или химические элементы, выделяемые из жидкого эфлюента, выбирают таким образом, чтобы захватывать и удерживать соответствующий или соответствующие химические элементы. Радиоактивные химические элементы можно выбрать из группы, в которую входят стронций, рутений, цезий, α-излучатели, такие как америций, плутоний и уран, и их смеси. В этом случае способ дезактивации в соответствии с настоящим изобретением будет способом дезактивации радиоактивных жидких эфлюентов, поступающих, например, из ядерных установок.
Например, если химическим элементом является стронций, твердые частицы могут быть частицами сульфата бария, карбоната бария, карбоната кальция, гидроксида железа, фосфата кальция, фосфата железа, диоксида марганца, диоксида титана, предпочтительно сульфата бария.
Если химическим элементом является рутений или α-излучатель, такой как америций, плутоний и уран, твердые частицы могут быть частицами гидроксидов железа и меди.
Если химическим элементом является цезий, твердые частицы могут быть частицами ферроцианидов никеля и кобальта, тетрафенилбората и/или в целом частицами с цеолитной структурой. Предпочтительно твердыми частицами, способными захватывать и удерживать цезий, являются частицы ферроцианидов никеля и кобальта.
3
После реализации стадии приведения в контакт способ в соответствии с настоящим изобретением содержит стадию отстаивания указанной суспензии во второй зоне этого же реактора, причем эта вторая зона является отдельной от вышеупомянутой первой зоны, в результате чего получают твердую фазу, содержащую твердые частицы, содержащие указанный или указанные предназначенные для удаления радиоактивные химические элементы, при этом концентрация твердых частиц может быть очень высокой (порядка 100 кг/м или больше). Таким образом, на выходе этой стадии получают твердую фазу, содержащую указанные частицы, в нижней части отстойника и отстоявшуюся жидкую фазу, обедненную или даже не содержащую совсем указанного или указанных предназначенных для удаления радиоактивных химических элементов и, следовательно, указанных твердых частиц.
На практике, если реактор является вертикальным реактором, вторая зона, предназначенная для отстаивания, как правило, находится над первой зоной в виде колонны, причем по сравнению с расположенной ниже указанной первой зоной эта вторая зона, как правило, имеет больший диаметр, чем колонна, расположенная ниже.
Наконец, способ в соответствии с настоящим изобретением содержит стадию разделения указанной твердой фазы и указанной жидкой фазы, при этом указанную жидкую фазу традиционно отделяют от твердой фазы путем перелива (например, при помощи одного или нескольких патрубков, расположенных в верхней части второй зоны), тогда как твердую фазу удаляют, например, путем периодического извлечения. Эту твердую фазу обрабатывают с целью ее упаковки, например, в виде битума или цемента. Учитывая высокую концентрацию твердых частиц во второй зоне реактора, можно направить твердую фазу из второй зоны реактора на стадию упаковки, не осуществляя стадии обезвоживания путем фильтрации. Действительно, для упаковки твердая фаза должна иметь минимальную плотность, чтобы ее можно было переместить напрямую на стадию упаковки без промежуточной обработки.
Перед выполнением вышеупомянутых стадий (стадии приведения в контакт, отстаивания и разделения) способ в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно может содержать стадию заполнения указанной первой зоны заранее определенным количеством твердых частиц, способных захватывать и удерживать указанный или указанные предназначенные для удаления химические элементы, и/или указанных выше реагентов.
Далее следует описание изобретения при помощи нижеследующих неограничительных примеров.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - принципиальная схема примера установки, предназначенной для применения традиционного способа дезактивации водного эфлюента.
Фиг.2 - принципиальная схема примера установки, предназначенной для применения другого традиционного способа дезактивации водного эфлюента.
Фиг.3 - принципиальная схема примера установки, предназначенной для применения способа в соответствии с настоящим изобретением.
Для обозначения идентичных или аналогичных элементов использованы одинаковые ссылочные номера.
Осуществление изобретения
ПРИМЕР 1
Этот сравнительный пример иллюстрирует применение традиционного способа, осуществляемого в непрерывном режиме для дезактивации жидкого эфлюента, содержащего стронций.
Этот пример будет описан со ссылкой на фиг.1, на которой в виде принципиальной схемы показана установка 1, выполненная с возможностью осуществления в непрерывном режиме традиционного способа промышленного процесса дезактивации водного эфлюента, например, поступающего после переработки облученного ядерного топлива, содержащего стронций.
Установка 1 соответственно содержит:
- первый реактор 3 для загрузки предназначенного для дезактивации жидкого эфлюента и твердых частиц (или реагентов, способных реагировать с образованием соответствующих частиц), способных захватывать и удерживать стронций, содержащийся в жидком эфлюенте, причем этот первый реактор выполнен в виде стеклянного реактора с полезным объемом 2,5 литра; первый реактор 3 оборудован устройством 5 перемешивания с металлическими отражателями и устройством перелива (не показаны), предназначенным для удаления излишка, в случае необходимости;
- второй реактор 7, выполняющий функцию отстойника, предназначенный для заполнения суспензией, полученной в первом реакторе, причем эта суспензия содержит твердые частицы, участвовавшие в образовании комплекса стронция, второй реактор является реактором цилиндрически-конусного типа с полезным объемом 13 литров, и подачу суспензии производят в центре реактора;
- первый трубопровод 9, соединенный с первым реактором 3, для подачи в реактор водного эфлюента, содержащего предназначенный для удаления стронций, при этом подача происходит через перистальтический насос (не показан);
- второй трубопровод 11, соединенный с первым реактором 3 и обеспечивающий подачу в него реагентов, способных реагировать с образованием твердых частиц, способных захватывать и удерживать стронций, и/или уже сформированных твердых частиц (в данном случае эти частицы являются твердыми частицами сульфата бария), при этом подача происходит через перистальтический насос (не показан);
- третий трубопровод 13, который соединяет первый реактор 3 со вторым реактором 7 для подачи в виде потока перелива суспензии, содержащей твердые частицы, захватившие и удерживающие стронций, из первого реактора во второй реактор;
- четвертый трубопровод 16, который позволяет отбирать дезактивированную жидкую фазу 15;
- пятый трубопровод 18, который позволяет извлекать твердую фазу 17.
В представленном выше устройстве эфлюент, вводимый в реактор 3 через трубопровод 9, содержит 42,5 г/л нитрата натрия, 14,2 г/л сульфата натрия и 23 мг/л нитрата стронция. Предназначенным для удаления элементом является стронций. Расход эфлюента в трубопроводе 9 регулируют по значению 14 л/ч. Реагентом, вводимым через трубопровод 11, является раствор нитрата бария в количестве 76 г/л, и расход в трубопроводе 11 равен 1 л/ч.
Ионы сульфата, вводимые через трубопровод 9, реагируют с ионами бария, вводимыми через трубопровод 11, образуя твердые частицы сульфата бария, которые будут захватывать и удерживать стронций.
4
-6
-6
-6
--6
3
После 40 минут работы средний размер получаемых частиц BaSO составляет от 1·10 до 2·10 м. Кроме того, остаточная концентрация стронция, измеренная на выходе реактора 3 в трубопроводе 13, равна 200±4·10 г/л. Количество твердых частиц в реакторе 3 измеряют при помощи фильтрации определенного объема суспензии, извлекаемой из реактора 3 на фильтре с порогом задержания, равным 0,22·10 м. Твердую фазу, собравшуюся на фильтре, помещают в сушильный шкаф при 110°С на 24 часа, затем взвешивают. После этой процедуры количество твердых частиц, присутствующее в реакторе 3, равно 4,5 кг/м.
ПРИМЕР 2
3
2
3
3
2
3
2
4
-3
-3
-3
В устройстве, описанном в примере 1, эфлюент, содержащий нитрат стронция Sr(NО) с концентрацией 24·10 г/л, нитрат неодима Nd(NO)·6HO с концентрацией 61·10 г/л и нитрат цезия с концентрацией 30·10 г/л вводят в реактор 3. Этот эфлюент содержит также 42,5 г/л нитрата натрия NаNО и 5,35 г/л сульфата натрия NaSО. Предназначенными для удаления элементами являются стронций, цезий и неодим.
Эфлюент подают с постоянным расходом 15 л/ч через трубопровод 9. В рамках этого примера на самом деле трубопровод 11 соответствует 4 трубопроводам, транспортирующим 4 следующих раствора или суспензии:
3
2
- раствор, содержащий 92,5 г/л нитрата бария Ва(NО) с постоянным расходом 0,84 л/ч;
4
2
4
2
- раствор, содержащий 178,6 г/л сульфата железа FeSO·7HO и 35,7 г/л сульфата меди CuSO·5HO с постоянным расходом 0,57 л/ч;
- раствор, содержащий 720 г/л гидроксида натрия NaOH с постоянным расходом 0,06 л/ч;
6
4
2
4
2
- водную суспензию, полученную в результате смешивания 43 г/л ферроцианида калия Fе(СN)К·3НO и 28,6 г/л сульфата никеля NiSO·6HO и подаваемую с постоянным расходом 0,57 л/ч.
После 1 часа 30 минут работы остаточная концентрация стронция, цезия и неодима в трубопроводе 16 после фильтрации на 0,22 мкм имеет следующие значения:
-6
- стронций: 280·10 г/л;
-6
- цезий: ниже 40·10 г/л;
-6
- неодим: ниже 130·10 г/л.
ПРИМЕР 3
Этот пример иллюстрирует применение традиционного способа, осуществляемого в периодическом режиме для дезактивации жидкого эфлюента, содержащего стронций.
Для описания этого примера обратимся к фиг.2, на которой в виде принципиальной схемы показан пример установки 1, выполненной с возможностью осуществления в периодическом режиме традиционного промышленного процесса дезактивации водного эфлюента, например, получаемого от переработки облученного ядерного топлива, содержащего стронций.
Показанная на фиг.2 установка соответственно содержит:
- реактор 3, предназначенный для заполнения предназначенным для дезактивации жидким эфлюентом и твердыми частицами (или реагентами, способными реагировать с образованием соответствующих частиц), способными захватывать и удерживать стронций, содержащийся в жидком эфлюенте, причем этот первый реактор выполнен в виде стеклянного реактора с полезным объемом 2,5 литра; реактор 3 оборудован устройством 5 перемешивания с металлическими отражателями (не показаны);
- трубопровод 11, соединенный с реактором 3 и обеспечивающий подачу в него реагентов, способных реагировать с образованием твердых частиц, способных захватывать и удерживать стронций, и/или уже сформированных твердых частиц (в данном случае эти частицы является твердыми частицами сульфата бария), при этом подача происходит через перистальтический насос (не показан).
В представленном устройстве реактор первоначально содержит 2,3 л раствора, содержащего 42,5 г/л нитрата натрия, 14,2 г/л сульфата натрия и 23 мг/л нитрата стронция. Реагентом, вводимым через трубопровод 11, является раствор нитрата бария в количестве 76 г/л, и расход в трубопроводе 11 составляет 1 л/ч. Введение через трубопровод 1 осуществляют в течение 10 минут, затем останавливают. В дальнейшем не производят никакого введения или извлечения, и реактор поддерживают в режиме перемешивания.
4
4
-6
-6
-6
3
После 2 часов перемешивания средний размер получаемых частиц BaSO составляет от 1·10 до 2·10 м. Кроме того, остаточная концентрация стронция, измеренная в жидкой фазе, полученной после фильтрации на 0,22 мкм, составляет 125±25·10 г/л. Плотность BaSO в реакторе равна 4,5 кг/м.
ПРИМЕР 4
Этот пример иллюстрирует применение способа в соответствии с настоящим изобретением для дезактивации жидкого эфлюента, содержащего стронций.
В рамках примеров 4-6 установка 20 содержит реактор, соответственно содержащий:
- первую зону 20, предназначенную для заполнения предназначенным для дезактивации жидким эфлюентом и твердыми частицами (или реагентами, способными реагировать с образованием соответствующих частиц), способными захватывать и удерживать предназначенный для удаления радиоактивный элемент, причем эта первая зона выполнена в виде стеклянной колонны диаметром 10 см и высотой 50 см с полезным объемом 4 литра; эта первая зона оборудована устройством 24 перемешивания, содержащим 4 ступени лопастей, каждая из которых имеет ширину 3 см и высоту 1,5 см, и соединенным с двигателем (не показан), который вращает устройство со скоростью порядка 30 об/мин;
- вторую зону 26, выполняющую функцию отстойника, предназначенного для подачи в него суспензии, образовавшейся в первой зоне, при этом суспензия содержит твердые частицы, участвовавшие в образовании комплекса предназначенного для удаления радиоактивного элемента, вторая зона выполнена в виде колонны из плексигласа диаметром 20 см и высотой 30 см с полезным объемом 8,5 литров;
- первый трубопровод 28, соединенный с первой зоной и обеспечивающий ее питание жидким эфлюентом, содержащим предназначенный для удаления радиоактивный элемент, при этом подача происходит через перистальтический насос (не показан);
- второй трубопровод 30, соединенный с первой зоной и обеспечивающий подачу в нее реагентов, способных реагировать с образованием твердых частиц, способных захватывать и удерживать стронций, и/или уже сформированных твердых частиц и, в случае необходимости, флокулянта, причем эти реагенты и/или частицы поступают из резервуара, содержащего указанные реагенты и/или указанные частицы (этот резервуар не показан), при этом подача происходит через перистальтический насос (не показан);
- третий трубопровод 32, который позволяет отбирать за счет перелива дезактивированную жидкую фазу 34;
- четвертый трубопровод 36, который позволяет извлекать твердую фазу 38;
- пятый трубопровод 40, который позволяет продувать первую зону, в случае необходимости.
3
2
3
4
Предназначенный для дезактивации жидкий эфлюент содержит нитрат стронция Sr(NO) с концентрацией 23 мг/л. Этот эфлюент содержит также 42,5 г/л нитрата натрия NaNO и 14,2 г/л сульфата натрия NaSO. Предназначенным для удаления элементом является стронций.
3
2
4
4
3
-6
-6
-6
В этом примере эфлюент нагнетают с постоянным расходом 10,1 л/ч через трубопровод 28. Через трубопровод 30 примерно на расстоянии 0,05 м от основания устройства подают раствор, содержащий 76 г/л нитрата бария Ва(SО) с постоянным расходом 0,37 л/ч. Смешивание эфлюента и раствора нитрата бария приводит к образованию сульфата бария ВаSO. Первоначально устройство заполняют суспензией сульфата бария из расчета концентрации примерно 130 кг/м. После 48 часов работы через трубопровод 32 отбирают пробу и фильтруют на фильтре 0,22 мкм для измерения при помощи ICP-MS остаточной концентрации стронция. Измеренная остаточная концентрация стронция ниже предела обнаружения прибором измерения, то есть ниже 20±4·10 г/л. Эта остаточная концентрация меньше концентрации, получаемой в традиционном способе в непрерывном режиме с обработкой такого же эфлюента и с таким же расходом раствора бария, которая составляет только 200±4·10 г/л (согласно примеру 1). Традиционный способ в периодическом режиме с использованием такого же количества BaSO дает концентрацию стронция 125±25·10 г/л (согласно примеру 3). Следовательно, эффективность обработки в кипящем слое в 6 раз выше эффективности классических способов.
4
Кроме того, количество BaSO, получаемое на единицу объема эфлюента, обрабатываемого в кипящем слое в рамках этого примера, в два раза меньше количества, получаемого при обработке в промышленном масштабе на установках обработки эфлюентов центра СЕА в Маркуле. Таким образом, этот пример показывает отличную эффективность способа для обработки эфлюентов, содержащих стронций, а также показывает потенциальные возможности уменьшения объема отходов, получаемых в результате осуществления способа.
ПРИМЕР 5
-6
-6
-6
Чтобы показать увеличение размера частиц, получаемых при помощи устройства, описанного в примере 4, был проведен ряд опытов с разными расходами нитрата бария в трубопроводе 30 и с сохранением расхода и характеристик эфлюента из примера 1. Так, были осуществлены 4 опыта с расходами в трубопроводе 30:0,7 л/ч, 0,42 л/ч, 0,14 л/ч и 0,097 л/ч. Размер соответствующих частиц измеряли, по меньшей мере, после 48 часов работы в каждом случае при помощи лазерного гранулометра (Malvern Mastersizer 2000). Получили значения размера от 13·10 м до 23·10 м. Для сравнения, максимальный размер 2·10 м был получен при помощи традиционных устройств, работающих в непрерывном и периодическом режиме (согласно примерам 1 и 3). Из этих результатов следует, что фильтрация частиц, получаемых в кипящем слое, облегчается по сравнению с частицами, полученными при классической обработке.
-6
3
3
Кроме того, измерили количество твердых частиц в отсеке 22 путем фильтрации на фильтре с порогом задержания 0,22·10 м определенного объема суспензии, отобранной из отсека 22. Твердую фазу, собранную на фильтре, поместили в сушильный шкаф при 110°С на 24 часа, затем взвесили. После этой процедуры количество частиц, присутствующих в отсеке 22, составляет от 130 до 160 кг/м. Это намного больше, чем в традиционных способах, где количество твердых частиц не превышает 15 кг/м (согласно примерам 1 и 3).
ПРИМЕР 6
В этом примере устройство отличается от устройства, используемого в примерах 4 и 5, но соответствует принципиальной схеме, показанной на фиг.3. Первая зона 22 имеет диаметр 0,15 м и высоту 0,18 м, что дает полезный объем 2,9 л. Мешалка оборудована 2 ступенями лопастей. Лопасти, находящиеся на нижнем конце мешалки, имеют ширину 0,06 м и высоту 0,04 м, тогда как лопасти верхней ступени имеют ширину 0,06 м и высоту 0,015 м. Первая зона 22 оборудована также 4 металлическими отражателями шириной 0,01 м по всей высоте первой зоны 22, что улучшает смешивание эфлюента с реагентами.
Скорость вращения мешалки составляет 75 об/мин. Вторая зона 26 имеет диаметр 0,45 м и высоту 0,16 м, что соответствует полезному объему 15,7 л.
3
2
3
3
2
3
2
4
-3
-3
-3
В этом устройстве эфлюент подают примерно на расстоянии 0,05 м от нижней части устройства, и он содержит нитрат стронция Sr(NО) с концентрацией 24·10 г/л, нитрат неодима Nd(NO)·6HO с концентрацией 61·10 г/л и нитрат цезия с концентрацией 30·10 г/л. Этот эфлюент содержит также 42,5 г/л нитрата натрия NaNO и 5,35 г/л сульфата натрия NaSO. Предназначенными для удаления элементами являются стронций, цезий и неодим.
Эфлюент вводят с постоянным расходом 15 л/ч через трубопровод 28. В рамках этого примера на самом деле трубопровод 30 соответствует 4 трубопроводам, доставляющим на расстоянии 0,04 м от дна устройства 4 следующих раствора или суспензии:
3
2
- раствор, содержащий 92,5 г/л нитрата бария Ва(NО) с постоянным расходом 0,84 л/ч;
4
2
4
2
- раствор, содержащий 178,6 г/л сульфата железа FeSO·7HO и 35,7 г/л сульфата меди CuSO·5HO с постоянным расходом 0,57 л/ч;
- раствор, содержащий 720 г/л гидроксида натрия NaOH с постоянным расходом 0,06 л/ч;
6
4
2
4
2
- суспензию, полученную в результате смешивания 43 г/л ферроцианида калия Fе(СN)К·3НO и 28,6 г/л сульфата никеля NiSO·6HO и вводимую с постоянным расходом 0,57 л/ч.
Опыт начинается с заполнения устройства эфлюентом через трубопровод 28 и через 4 ответвления трубопровода 30. После 4 часов работы остаточная концентрация стронция, цезия и неодима в трубопроводе 32 после фильтрации на 0,22 мкм имеет следующие значения:
-6
- стронций: 25·10 г/л;
-6
- цезий: ниже 20·10 г/л;
-6
- неодим: ниже 20·10 г/л.
Для сравнения, в традиционном варианте обработки в непрерывном режиме при всех равных значениях расхода (согласно примеру 2), остаточная концентрация стронция, цезия и неодима имеет следующие значения:
-6
- стронций: 280·10 г/л;
-6
- цезий: ниже 40·10 г/л;
-6
- неодим: ниже 130·10 г/л.
Сравнение традиционного непрерывного способа и способа в кипящем слое показывает, что при одинаковом количестве получаемого шлама дезактивация происходит в 11 раз эффективнее для стронция и, как минимум, в 6,5 раз эффективнее для неодима.