11.8. дезактивація води
11.8.1. Радіоактівниезагрязненія води і оцінка методів очищення
Забруднену воду в залежності від умов утворення поділяють умовно на промислові скиди і так звані траперние води [2]. До промислових скидів відносять забруднену воду контурів ЯЕУ, розчини після дезактивації цих контурів і розчини, що утворилися при аварійних викидах. До траперним відносять відпрацьовані дезактивирующие розчини, воду з санпропускників і спецпралень, води фільтрів і інші малоактивні рідкі відходи, сумарний обсяг яких становить кілька десятків тисяч кубічних метрів на рік. Крім того, очищення може бути піддана вода дощових стоків, колодязів, невеликих ставків, озер і навіть річок, як це було під час чорнобильської аварії. Радіоактивні забруднення в очищується воді можуть знаходитися у вигляді іонів, аніонів, колоїдних частинок, суспензій і опадів. Підлягають очищення використані дезактивирующие розчини можуть містити сорбенти, ПАР та інші домішки, які іноді необхідно витягти або зруйнувати. Забрудненість води (розчини, стоки, водойми) характеризується концентрацією в ній радіонуклідів, яка виражається в Бк / м 3. а ефективність дезактивації оцінюється коефіцієнтом очищення Коч:
де АV H і AVK - концентрація радіоактивних речовин (об'ємна концентрація) до і після дезактивації води.
Необхідний коефіцієнт очищення можна представити виразом:
де АДК - допустима концентрація даного радіонукліда у воді [1].
Найважливішим параметром, що характеризує очищення води, є ступінь очищення # 951 ;, яка визначається співвідношенням:
Відповідно необхідне значення ступеня очищення води можна виразити таким чином:
11.8.2. методи дезактівацііводи
Радіоактивні частинки, що знаходяться у воді, під дією гравітаційного поля піддаються седиментації, і тим самим в якійсь мірі відбувається мимовільна очищення води. В умовах вільного осідання сила, що впливає на частку, дорівнює mg. а швидкість осідання описується рівнянням Стокса:
де d - діаметр частинок; r і r 0 - щільність матеріалу частинок і розчину; k - в'язкість водного розчину, яка для води при 20 ° С дорівнює 1,002 · 10 -3 Па · с [66]; g - прискорення сили тяжіння. Формула (11.74) справедлива для частинок діаметром від 1 мкм до 100 мкм, що мають форму, близьку до кулястої. Для частинок діаметром 10 мкм і 90 мкм і щільністю 2 · 10 3 кг / м 3 швидкість осідання у воді, оцінена за формулою (11.74), становить відповідно 5,4 · 10 -5 м / с і 4,4 · 10 -3 м / с. Отже, мінімальний час осідання частинок діаметром 10 мкм в літровому посудині висотою 20 см складе близько 1 години. Зі зменшенням діаметра частинок (див. Формулу (11.74)) швидкість осідання зменшується прямо пропорційно квадрату діаметра частинок і, отже, час осідання може становити кілька діб. Знизити час очищення, використовуючи цей метод, можна за рахунок збільшення прискорення, т. Е. Центрифугуванням або шляхом збільшення розміру радіоактивних частинок, ввівши в розчин так звані флокулянти. Як флокулянтів застосовують полімери, такі як поліакриламід, т. Е. Полімерні молекули, які утворюють між радіоактивними частинками, що знаходяться у воді в підвішеному стані, своєрідні містки, що призводить до укрупнення частинок і до більш швидкого їх осідання і, отже, до очищення води.
Центрифугування інтенсифікує процес осідання, а також дає можливість позбутися від радіоактивних забруднень, що знаходяться в розчиненому вигляді в суміші з органічної рідиною [58]. При дезактивації такої змішаної рідини спочатку центрифугуванням відокремлюються від органічної частини тверді радіоактивні (неорганічні) частки. Потім з цієї органічної рідини екстрагують розчинені радіонукліди шляхом змішування її з водним розчином етилендіамінтетраоцтової кислоти (ЕДТА), яка утворює з радіонуклідами розчинні у воді сполуки. При екстракції використовують також нітрілтріацетатную кислоту і деякі неорганічні кислоти. Далі центрифугуванням знову відокремлюють водну фракцію разом з радіоактивними речовинами, отримуючи, таким чином, очищену органічну фракцію.
Фільтрацією називають очищення рідини шляхом осадження зважених домішок на поверхні фільтра. Як фільтрує шихти застосовують кварцовий пісок, подрібнені природні мінерали і штучні сорбенти, які в фільтрі містяться між двома сітками. При русі розчину, що містить радіонукліди у вигляді частинок, відбувається осадження цих частинок в лабіринтах мікро- і макропор фільтра. Основна маса радіоактивних частинок затримується зовнішнім шаром шихти фільтра і, отже, інша велика частина шихти слабо бере участь в очищенні води.
Серед параметрів, що характеризують якість фільтрації, велике значення мають ступінь очищення - співвідношення (11.72) і коефіцієнт проскакування Кп. які пов'язані співвідношенням:
Продуктивність фільтра характеризується швидкістю фільтрації рідини, м 3 / год, що пройшла через перетин фільтра площею 1 м 2. т. Е. Вимірюється в м / ч.
Для порівняння якості різних фільтрів оцінку їх опору проводять при одній і тій же швидкості фільтрації 1 см / с (еталонна швидкість). Якщо при еталонної швидкості фільтрації 1 см / с опір даного фільтра одно # 916; pФО. то фактичний опір при швидкості фільтрації V ф дорівнюватиме:
Як комплексного показника фільтрації використовується відношення логарифма коефіцієнта проскока Кп до перепаду тиску при еталонної швидкості:
де D РФО - еталонний перепад тиску (при v = 1 см / с), який вимірюється в мм вод. стовпа.
Чим вище коефіцієнт фільтрації, тим більше ефективний сам процес фільтрації - більше продуктивність фільтра і повнота уловлювання радіоактивних забруднень (менше коефіцієнт проскакування). Для звичайних волокнистих фільтрів, що застосовуються в атомній енергетиці, величина x становить 0,2-0,3, а для фільтрів Петрянова коефіцієнт фільтрації на порядок вище. Очищення води фільтрацією часто застосовується в комбінації з методом іонообмінної адсорбції [45, 60, 61]. При очищенні контурів АЕС розчином щавлевої кислоти активність розчину в основному обумовлена радіонуклідом 60 Со, який знаходиться в дезактивуючих розчинів у вигляді катіонів (80-99%) і в дисперсному стані у вигляді шлаків (1-20%). При пропущенні такого розчину через катіоніт (смола Ku) коефіцієнт очищення досягає 100 і в колонках, крім захоплення 60 Со по обмінної реакції, відбувається механічне осадження шлаку, що містить 60 Со. Однак при цьому в розчині залишаються радіонукліди заліза, які знаходяться в комплексі у вигляді аніонів [Fe (C2 O4) 3] 3-. і радіонукліди хрому у вигляді аніонів. Для очищення від аніонів в даному випадку використовують аніоніт АВ-17. Очищення важкої води реакторів HWR від 137 Cs і 134 Cs, що знаходяться в іонної формі, здійснюють за допомогою селективного сорбенту [K2 CoFe (CN6)], імпрегірованного 4% -м водним розчином полівінілового спирту та синтетичної ионообменной смолою [62]. У цьому процесі при накладенні електричного поля (електродіаліз) вдалося повністю видалити радіонукліди і в 10 разів скоротити витрату сорбенту на очистку води. Для очищення стічних вод від радіонуклідів 134 Cs, 137 Cs, 144 Ce, 144 Pr і 90 Sr використовувалися колонки, що містять суміш сорбентів з вермикуліту і кліноптілоліта [63]. Активність стічних вод коливалася від 1,92 х 10 4 Бк / л до 9,25 · 10 6 Бк / л. Після пропускання 1500 колоночного обсягів коефіцієнт очищення по g-активності нуклідів склав 5 · 10 3. а по b-активності - 9 · 10 2. Цей же комбінований сорбент відчували при очищенні модельного розчину, що містить 137 Cs, 90 Sr і 60 Co активністю 3 , 7 · 10 6 Бк / л, і отримали коефіцієнт очищення в межах 104-105.
Для підвищення продуктивності фільтрує шихти застосовували синтезовані неорганічні сполуки на основі фосфатів і гексаціанферрітов цирконію [64]. Такі адсорбенти володіли селективність по відношенню до радіонуклідів цезію і забезпечували значний ресурс роботи фільтра, який обчислювався 100 тисячами Колончатий обсягів.
Очищення вод колодязів, озер, річок і стоків в них в основному здійснюється за допомогою сорбентів природного походження. Одні і ті ж радіонукліди йоду, стронцію, рубідію, кобальту та інших елементів в озерах і річках можуть перебувати в різних станах: у вигляді іонів, комплексних сполук, колоїдних частинок і у вигляді нерозчинного осаду, який в основному змішується з мулом. Найбільшу небезпеку становлять радіонукліди, розчинені у воді. Для очищення від них під час чорнобильської аварії в річку Прип'ять скидали з вертольотів такі сорбенти, як цеоліти і силікагель. Щоб брудні стоки струмків не були в річки і озера, на їх шляху споруджувалися дамби, що містять природні сорбенти. Для виявлення найбільш ефективних природних сорбентів були проведені випробування шляхом змішування навішування сорбенту з певним обсягом розчину, що містить радіонукліди 144 Се, 134 Cs, 137 Cs і 106 Ru [65]. З табл. 11.31, в якій представлені результати цих досліджень, слід, що найбільш ефективним природним сорбентом для всіх досліджених радіонуклідів виявилася глина Дашуківські родовища з добавкою NaCl, яка і була рекомендована для використання в Чорнобилі.
Ступінь очищення розчинів від радіонуклідів
за допомогою природних сорбентів в статичному режимі [65]
Для очищення колодязів та водойм від радіонуклідів цезію і стронцію в Чорнобилі застосовували природний клиноптилоліт і ферроціанідний сорбент [21]. Після очищення води за допомогою цих сорбентів концентрація радіонуклідів не перевищувала 1,8 Бк / л, що нижче допустимих норм.
Очищення слабоактивних дощових стоків, в тому числі в Чорнобилі, проводилася в відкритих залізобетонних ємностях (картах). Ці ємності були розділені на вертикальні осередки, виходи з яких містили фільтрує шихту, що складається з 30 см щебеню, 30 см піску і 200 см природного сорбенту та шару іоніту. При проходженні через такий фільтр вода очищалася від радіонуклідів, і потужність дози зменшувалася в 100 разів. Відфільтрована вода потім надходила у відкритий ставок-охолоджувач. Більш радіоактивна вода попередньо надходила в акумулюючі ємності, в яких вона очищалася седиментацією. Потім з акумулюючої ємності за допомогою плавучої насосної станції вода подавалася в карти для подальшого очищення. Продуктивність однієї карти дорівнювала 1470 м 3 / добу, а ступінь очищення по 137 Cs складала 98-99%, за сумарною g-активності - 94-95% і такий же - по загальній b-активності.
У процесі фільтрації води (розчину) радіоактивне забруднення залишається на фільтрі, після закінчення певного часу фільтри забиваються, і їх необхідно регенерувати або захоронювати разом з радіонуклідами. Цього недоліку практично немає в методі очищення води за допомогою мембран [28]. До числа мембранних способів очищення відносяться зворотний осмос та ультрафільтрація. При проходженні через напівпроникну перегородку з першого судини в другій розчин створює в другому посудині підвищений тиск води [66]. Величина різниці стовпів рідини між другим і першим судинами називається осмотичним тиском. Якщо в другому посудині штучно створити тиск більше осмотичного, то з нього в перший посудину буде переходити тільки чиста вода, а що залишилися радіонукліди будуть концентруватися в другому посудині. Тиск, обумовлене осмотичним ефектом, коливається в широких межах і може становити 0,5-10 МПа. Зворотний осмос прискорюють шляхом накладення постійного електричного поля. Такий процес називають електроосмос або діалізом.
Нижня межа засоленості розчинів, при якому доцільно використовувати електродіаліз, - 200-400 мг / л. При менших значеннях різко падає електрична провідність розчинів. Верхня межа залежить від декількох факторів, головний з яких - економічний, так як витрачається в цьому процесі електроенергія пропорційна кількості видаляються іонів. Концентрування обмежується паразитними явищами осмосу і електроосмосу, можливістю перенесення продуктів дисоціації води (що обмежує зростання щільності струму) і відкладеннями солей на мембранах при досягненні творів розчинності цих солей.