СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЕССОЛЕННОЙ ВОДЫ И ВОДЫ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НАУЧНЫХ ЦЕНТРОВ
METHOD FOR OBTAINING DEMINERALISED WATER AND HIGH-PURITY WATER FOR NUCLEAR POWER PLANTS OF RESEARCH CENTRES

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].
Для обессоливания наиболее предпочтительно использовать обратный осмос - менее энергоемкий, 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. Соответственно 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. Кроме того, при наличии двух обратноосмотических фильтров установка получения ВВЧ работает с производительностью всего лишь одного обратноосмотического фильтра.
Задачей изобретения является создание способа получения обессоленной воды и ВВЧ из маломинерализованных вод или низкоактивных ЖРО, позволяющего повысить производительность установки по получению ВВЧ без увеличения водопотребления установки, увеличить степень обессоливания исходных вод, повысить ресурс ионообменного фильтра и снизить расход анионообменных смол.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем предочистку воды, подаваемой из емкости исходных вод, на насыпном угольном фильтре и на микрофильтре, дальнейшее обессоливание вод на обратноосмотических фильтрах и доочистку на ионообменном фильтре с накоплением очищенной воды в емкости очищенной воды и направлением обратноосмотического концентрата на сброс при отсутствии в нем радиоактивных или химически токсичных загрязнений, а при их наличии - на обезвреживание, согласно изобретению очищаемую воду перед подачей в емкость исходных вод нагревают до температуры более 100°С и затем охлаждают до температуры, определяемой термостойкостью полимерных мембран обратноосмотических фильтров, причем для охлаждения исходной воды используют концентрат с работающих параллельно обратноосмотических фильтров.
По сравнению с известными мембранно-сорбционными способами очистки вод в предлагаемом способе при получении ВВЧ одновременно обеспечивается увеличение производительности установки по очищенной воде и возрастание ресурса работы ионообменного фильтра, что не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию изобретательского уровня.
2
За счет нагревания исходных маломинерализованных гидрокарбонатных вод до температуры более 100°С достигается удаление растворенной в воде СO (декарбонизация), что значительно снижает минерализацию (солесодержание) вод и тем самым уменьшает нагрузку на обратноосмотические и ионобоменные фильтры (т.е. увеличивается ресурс ионообменного фильтра), а также позволяет проводить обессоливание при параллельной работе обратноосмотических фильтров и, следовательно, повысить производительность установки. Поскольку низкая термостойкость полимерных мембран (как правило, менее 40°С) обратноосмотических фильтров не позволяет использовать их при температурах, близких к температуре кипения, то для их эффективной работы производится охлаждение декарбонизованных вод перед их подачей на фильтры. Использование для охлаждения декарбонизованных вод концентратов обратноосмотических фильтров исключает необходимость расходования воды на охлаждение предварительно нагретых исходных вод, то есть не увеличивает водопотребление установки обессоливания.
Способ осуществляется следующим образом.
2
Маломинерализованные (до 1 г/л) воды или низкоактивные ЖРО перед подачей в емкость исходных вод установки нагревают до температуры более 100°С (в зависимости от типа нагревательного аппарата: при атмосферном давлении, при разрежении или под избыточным давлением) для удаления растворенной в воде СО, а затем охлаждают до температуры, определяемой термостойкостью полимерных мембран обратноосмотических фильтров (40°С), и направляют в емкость исходных вод. Охлажденные воды 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 параллельно работающие обратноосмотические фильтры для удаления солей, в первую очередь, солей жесткости. Концентрат обратноосмотических фильтров подают в теплообменник для охлаждения исходных вод после их кипячения, а затем 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). Обессоленный фильтрат обратноосмотических фильтров 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 кипячения происходит и очистка от летучих радиоактивных благородных газов (РБГ), а также радиоактивного молекулярного йода.
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 исходных вод, насосы 2, 5 и 7, угольный фильтр 3, микрофильтр 4, обратноосмотические фильтры 6 и 8, ионообменный фильтр 9 и емкость 10 очищенной воды, теплообменник 11 и нагреватель 12.
Получение ВВЧ осуществляли следующим образом. Исходные воды нагревали до температуры выше температуры кипения в нагревателе-кипятильнике 12, затем охлаждали до температуры менее 40°С в водоохладителе-теплообменнике 11 и направляли в емкость исходных вод 1. Из емкости 1 воды насосом 2 направляли на предварительную очистку на угольный фильтр 3 и микрофильтр 4. Фильтрат микрофильтра насосами 5 и 7 направляли на параллельные обратноосмотические фильтры 6 и 8. Концентрат с фильтров 6 и 8 использовали для охлаждения исходной воды в водоохладителе-теплообменнике 11, а затем направляли на сброс в канализацию. Фильтрат с выхода фильтров 6 и 8 направляли на ионообменный фильтр 9. Очищенную воду с выхода ионообменного фильтра 9 направляли в емкость 10 очищенной воды.
Эффективность предлагаемого способа иллюстрируется примерами.
Пример 1 (прототип). Исходная маломинерализованная вода имела солесодержание 300 мг-экв/л, жесткость 4,5 мг/л и щелочность (гидрокарбоная жесткость [Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод - М., "Химия"1973, с.66]) 3,5 мг-экв/л (рН 7,0). Получение ВВЧ осуществляли по описанной выше схеме без предварительного нагревания исходной воды и последовательной работе обратноосмотических фильтров. 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 способ). Отличается от примера 1 тем, что получение ВВЧ осуществляли по описанной выше схеме с предварительным нагревом исходной воды до температуры 110°С и последующим охлаждением до температуры 30°С при параллельной работе обратноосмотических фильтров. Солесодержание воды после обратноосмотических фильтров составляло не более 1,0 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 возрастает ресурс работы ионообменного фильтра и, соответственно, расход ионообменных смол сокращается в среднем в 15 раз. В то же время в 2 раза увеличивается производительность установки по очищенной воде.
Предлагаемый способ позволяет при получении ВВЧ из маломинерализованных (до 1 г/л) растворов понизить солесодержание воды после обратноосмотических фильтров и таким образом в среднем в 15 раз 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.
Нагревание воды до температуры выше температуры более 100°С и ее охлаждение осуществляются на типовом промышленном оборудовании, 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.