УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/04 

Изобретение относится к охране окружающей среде, а точнее к очистке и концентрированию жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в технологических схемах по переработке жидких радиоактивных отходов непосредственно перед их переводом в отвержденное состояние.

Известна установка для концентрирования жидких радиоактивных отходов, основным элементом которой является выпарной аппарат [1] Недостатком известного устройства является его невысокая коррозионноустойчивость, а также снижение производительности во времени из-за инкрустируемости на греющих поверхностях водорастворимых солей, присутствующих в ЖРО.

Известно устройство для переработки жидких радиоактивных отходов с помощью ионообменных фильтров [2] Недостатком данного устройства является неэкономичность его работы, связанная с потерями используемых для регенерации ионообменных фильтров кислот и щелочей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, представляющее собой комбинацию ионообменных фильтров и выпарных аппаратов [3] Известное устройство содержит исходную емкость ЖРО, коагулятор, насыпной фильтр, катионитовые и анионитовые ионообменные фильтры, емкость-усреднитель, выпарной аппарат, а также не указанную на схеме систему газоочистки (по действующим правилам все установки по переработке радиоактивных отходов обязательно должны иметь системы газоочистки).

Недостатками данного устройства являются его невысокая коррозионная устойчивость, обусловленная наличием больших количеств нитрат-аниона (довольно сильного окислителя) в жидкой радиоактивной среде, поступающей в выпарной аппарат, или его повышенная стоимость в случае изготовления выпарного аппарата из коррозионностойкого материала, например из титана. К недостаткам относятся также снижение производительности работы устройства во времени из-за отложения на греющих поверхностях солей (в основном нитратов и карбонатов), присутствующих в составе упариваемой среды, и сложность конструкции, обусловленная наличием специальных устройств, улавливающих из газовой фазы пары азотной кислоты, улетучивающейся из выпарного аппарата. Недостатком известного устройства является также неэкономичность его работы, связанная с потерей используемой для регенерации катионообменных фильтров азотной кислоты, а также с необходимостью применения в процессе работы устройства нейтрализующих агентов.

Преимуществами предлагаемого устройства является повышение производительности устройства, упрощение его конструкции, а также повышение экономичности его работы.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что предлагаемое устройство дополнительно содержит электролизер, установленный на линии стока кислых регенератов между катионитовыми ионообменными колоннами и емкостью-усреднителем, причем сам электролизер кроме электродных камер, разделенных анионообменной мембраной, дополнительно содержит две пульсационные камеры и ложное дно, в котором размещены сопла и клапаны. Клапаны размещены в ложном дне под каждой из электродных камер соосно с каждым электродом, а сопла в плоскостях размещения электродов, параллельных плоскости анионообменной мембраны. Количество сопел под каждой из электродных камер составляет не менее двух, причем наиболее оптимальным вариантом размещения сопел является вариант, при котором по обе стороны каждого из электродов размещено равное количество сопел.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства; на фиг. 2 общий вид электролизера в варианте с двумя соплами под каждой из электродных камер.

Устройство для переработки жидких радиоактивных отходов состоит из исходной емкости жидких радиоактивных отходов 1, коагулятора 2, насыпного фильтра 3, катионитовых ионообменных колонн 4, анионитовых ионообменных колонн 5, электролизера 6, емкости-усреднителя 7, выпарного аппарата 8, а также системы газоочистки (не показана).

Электролизер 6 состоит из анодной камеры 9, анода 10, штуцера выхода анодных газов 11, штуцера входа воды в анодную камеру 12, штуцера выхода кислоты из анодной камеры 13, катодной камеры 14, катода 15, штуцера выхода катодных газов 16, штуцера входа кислого регенерата 17, анионообменной мембраны 18, пульсационных камер 19, коллектора подвода пульсирующего сжатого воздуха 20, ложного дна 21, клапана 22, сопел 23, дна 24 и штуцера выхода каталита 25.

Устройство работает следующим образом.

Жидкие радиоактивные отходы из исходной емкости жидких радиоактивных отходов 1 подают в коагулятор 2, куда добавляют натриевую щелочь и сульфат железа (II). В результате образования гидроокиси железа происходит коагуляция взвесей из ЖРО. Осветленную часть ЖРО декантируют на насыпной фильтр 3 и затем подают на катионитовые ионообменные колонны 4 и анионитовые ионообменные колонны 5. Полученный после колонн фильтрат сбрасывают в открытую гидросеть. После насыщения ионообменных колонн подачу ЖРО прекращают, а иониты подвергают регенерации кислотой и щелочью. Для этого в катионитовые ионообменные колонны 4 подают азотную кислоту, а в анионитовые ионообменные колонны 5 натриевую щелочь. Вытекающий из анионитовых ионообменных колонн 5 щелочной регенерат подают в емкость-усреднитель 7, а кислый регенерат из катионитовых ионообменных колонн 4 направляют в катодную камеру 14 электролизера 6. При этом катодную камеру 14 заполняют до уровня штуцера входа кислого регенератора 17, а анодную камеру 9 заполняют водой до уровня штуцера входа воды в анодную камеру 12. После заполнения камер через коллектор подвода пульсирующего сжатого воздуха 20 в пульсационные камеры 19 подают пульсирующий сжатый воздух и одновременно подводят напряжение к аноду 10 и катоду 15. За счет подачи пульсирующего воздуха в пульсационных камерах 19 происходят колебательные движения столбов жидкости по вертикали. Связь пульсационных камер 19 с анодной камерой 9 и катодной камерой 14 по принципу сообщающихся сосудов, а также наличие ложного дна 21, клапана 22 и сопел 23 обеспечивает циркуляцию жидкости по схеме, изображенной на фиг.2. Указанная циркуляция обеспечивает работу электролизера 6 за счет предотвращения забивания образующимися в электролизере 6 осадками анионообменной мембраны 18, а также обеспечивает смыв осадков, оседающих на катоде 15. В состав кислого регенерата, подающегося в катодную камеру 14, входят азотная кислота, соли жесткости, а также нитраты радионуклидов стронция, иттрия, цезия, церия, циркония, ниобия. В процессе электролиза анион NO^- ₃ переходит из катодной камеры 14 через анионообменную мембрану 18 в анодную камеру 9, где происходит его превращение в азотную кислоту, которая через штуцер выхода кислоты из анодной камеры 13 удаляется из электролизера 6. Катионы водорода в катодной камере 14 восстанавливаются на катоде 15 до элементарного водорода, удаляемого из электролизера 6 через штуцер выхода катодных газов 16. При этом величина pH в катодной камере 14 возрастает, за счет чего катионы кальция, магния, стронция, иттрия, церия, циркония и ниобия выпадают в осадок в форме гидроокисей, забивка которым анионообменной мембраны 18 и инкрустирование катода 15 предотвращается по причинам, указанным выше. Кроме того, за счет принудительной циркуляции жидкости в катодной камере 14 и наличия клапана 22 осадок постоянно удаляется из катодной камеры 14 через пространство, образованное ложным дном 21 и дном 24, и далее через штуцер выхода катиолита 25. Этим же путем происходит удаление из катодной камеры 14 и жидкой фазы, содержащей катион радионуклида цезия. Таким образом, после электролизера 6 в емкость-усреднитель 7 поступает жидкость, имеющая в своем составе радионуклид цезия в катионной форме, вышеназванные гидроокиси в форме осадков, с величиной pH порядка 7. Щелочной регенерат, поступающий в емкость-усреднитель 7, имеет в своем составе натриевую щелочь, анионы хлора, нитрат-анионы, сульфат-анионы, а также анионы таких радионуклидов, как иод, рутений, сера и углерод. Если в устройстве согласно прототипу после смещения кислых и щелочных регенератов в емкости-усреднителе получаемая смесь имела кислую реакцию и нейтрализовывалась до pH 7 искусственно, то в устройстве для переработки жидких радиоактивных отходов вышеуказанная смесь имеет щелочную реакцию. Это исключает необходимость использования щелочи или соды для нейтрализации смеси в емкости-усреднителе 7, как это делается в прототипе. Таким образом, электролизер 6 в предлагаемом устройстве помимо утилизатора азотной кислоты выступает еще и в роли аппарата-нейтрализатора. Отсутствие в смеси основной массы нитрат-аниона, а также вышеуказанных нейтрализующих агентов обеспечивает снижение энергозатрат на поддержание постоянной во времени производительности выпарного аппарата 8 за счет значительного снижения инкрустируемости греющих поверхностей выпарного аппарата 8 нитратными или карбонатными солями, уменьшает содержание азотной кислоты в газовой фазе, упрощая систему газоочистки. Утилизация азотной кислоты и отсутствие необходимости использования нейтрализующих агентов повышает экономичность работы устройства.

Испытания подтвердили наличие вышеназванных преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.

Использование: очистка и концентрирование жидких радиоактивных отходов. Сущность: устройство содержит последовательно установленные исходную емкость для жидких радиоактивных отходов, коагулятор, насыпной фильтр, катионовые и анионитовые ионообменные колонны, электролизер, установленный на линии стока кислых регенератов после катионитсодержащей ионообменной колонны, емкость-усреднитель, выпарной аппарат и систему газоочистки. При этом электролизер снабжен электродными камерами, разделенными анионообменной мембраной, пульсационными камерами, связанными с электродными камерами по принципу сообщающихся сосудов, перегородкой и дном. Перегородка в электролизере размещена между электродными камерами и дном и имеет в своем составе по одному клапану. Клапаны расположены под каждой электродной камерой соосно с каждым электродом, имеется не менее двух сопел, размещенных по разные стороны каждого электрода в плоскостях размещения электродов в электродных камерах и параллельных плоскости анионообменной мембраны. Преимущественно по разные стороны каждого из электродов расположено равное количество сопел. Устройство позволяет повысить производительность, а также упростить конструкцию и повысить экономичность работы. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для переработки жидких радиоактивных отходов, включающее последовательно установленные исходную емкость для жидких радиоактивных отходов, коагулятор, насыпной фильтр, катионитовые и анионитовые ионообменные колонны, емкость-усреднитель, выпарной аппарат и систему газоочистки, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит электролизер, установленный на линии стока кислых регенератов между катионитовыми ионообменными колоннами и емкостью-усреднителем, и снабженный электродными камерами, разделенными анионообменной мембраной, пульсационными камерами, связанными с электродными камерами по принципу сообщающихся сосудов, перегородкой и дном, причем перегородка размещена между электродными камерами и дном и имеет в своей составе по одному клапану, расположенному под каждой из электродных камер соосно с каждым из электродов, и не менее двух сопел, размещенных по разные стороны каждого из электродов в плоскостях размещения электродов в электродных камерах и параллельных плоскости анионообменной мембраны. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по разные стороны каждого из электродов расположено равное количество сопел.