СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ВЫСОКОТОКСИЧНЫХ РАСТВОРОВ И ВОД, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК C02F9/02 B01D63/08 B01D63/16 G21F9/04 

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано при очистке и концентрировании токсичных растворов, в том числе радиоактивных высокого уровня активности. Изобретение относится также к устройствам для разделения жидких смесей с помощью полупроницаемых мембран и предназначено для осуществления процессов микро- и ультрафильтрации с целью очистки, концентрирования и фракционирования жидкостей. Изобретение может быть использовано во всех случаях, где образуются жидкие радиоактивные отходы (ЖРО): при эксплуатации атомно-энергетических установок, при снятии их с эксплуатации, при хранении и переработке облученного ядерного топлива и др.

Исходя из нормативных документов для переработки ЖРО и специфических свойств ЖРО [1] очищенная вода не должна иметь удельную радиоактивность выше ПДК, а концентрат должен содержать в себе всю оставшуюся радиоактивность и иметь максимально малый объем.

После соответствующей обработки (отверждение, затаривание) концентрат подлежит длительному хранению в специально отведенных местах.

Присутствующие в ЖРО радионуклиды составляют весьма малую массовую долю от всех растворенных компонентов. Другие компоненты, как правило, представляют собой нетоксичные химические элементы и соединения, однако они сопровождают радионуклиды по всем стадиям традиционной технологической схемы переработки ЖРО, в конце концов вместе с радионуклидами попадают в концентрат. Это естественным образом многократно повышает объем концентрата и существенно осложняет процедуры дальнейшего обращения с ним.

Известен способ очистки низкоактивных растворов, включающий их механическую предочистку, подачу фильтрата под давлением в мембранный аппарат, снабженный металлокерамическими мембранными дисками, установленными с возможностью вращения со скоростью 1000-1500 об/мин, и последующую очистку фильтрата на неорганических селективных сорбентах. (RU 2172032, 10.08.2001).

Однако известный способ при очистке отходов высокого уровня радиоактивности малоэффективен.

Наиболее близким по технический сущности к предложенному способу является способ разделения жидких радиоактивных отходов на очищенную от радионуклидов воду и аккумулирующий радионуклиды концентрат путем введения в разделяемый раствор химических веществ, обеспечивающих перевод радионуклидов в ассоциированное состояние в виде коллоидных и макромолекулярных частиц, и последующее разделение на полупроницаемых полимерных мембранах (SU 1213569, 1986).

Недостатками известного способа являются:
- в силу большого размера частиц ассоциированных радионуклидов они осаждаются и накапливаются на поверхности мембраны, что приводит к постепенному снижению ее производительности и поэтому требует периодической регенерации. В условиях высокой радиоактивности растворов и осадков такая регенерация часто невозможна;
- проведение химической трансформации состояния радионуклидов осуществляют как самостоятельную операцию в специальном химическом аппарате, что усложняет технологическую схему, эксплуатацию процесса, приводит к накоплению общей массы радиоактивных веществ в одном аппарате. Длительное пребывание вместе добавляемых химических веществ и радионуклидов приводит к радиолитическому разрушению добавок и к исчезновению полезного эффекта;
- использование в качестве полупроницаемой мембраны пористых полимерных пленок резко ограничивает применение известного способа, поскольку при обработке средне- и высокоактивных ЖРО мембраны выходят из строя в силу радиолиза полимера.

Известен мембранный аппарат, состоящий из пакета мембранных элементов, расположенного внутри корпуса, в котором интенсификация массообмена достигается вращением пакета (патент США 4025425, 1977). При этом достигается некоторое замедление хода засорения мембран, что особенно важно в процессах очистки, например, жидких радиоактивных отходов. Однако аппарат характеризуется низкой производительностью и высокой энергоемкостью.

Известен мембранный аппарат для разделения жидких смесей, содержащий набор вращающихся мембранных элементов, каждый из которых выполнен в виде двух полупроницаемых мембран и размещенного между ними дренажного слоя с отверстием в центре и с герметизирующим слоем на периферии, центральный полый вал с перфорированными стенками, на котором закреплен набор мембранных элементов, набор неподвижных сепараторных элементов, каждый из которых выполнен в виде внутреннего и периферийного колец, соединенных радиальными перемычками, причем каждый сепараторный элемент размещен между каждыми двумя смежными мембранными элементами, а в периферийных кольцах выполнены отверстия, при осевом совмещении которых в наборе сепараторных элементов образуются каналы для размещения стягивающих шпилек, цилиндрический корпус, выполненный в виде обечайки и днища, верхнюю крышку со штуцером ввода исходной смеси, узел уплотнения центрального полого вала, узел соединения центрального вала с электродвигателем, узел вывода концентрата и узел вывода фильтрата - продуктов разделения исходной смеси (WO 98/09720, 1998).

В известном аппарате достигается более высокая производительность за счет замедления загрязнения мембран благодаря наличию сепараторных элементов, расположенных в плоских зазорах между мембранными элементами. Это достигается по той причине, что исходная загрязненная жидкость, находящаяся под рабочим давлением в корпусе аппарата и увлекаемая во вращение вращающимися на центральном валу мембранными элементами, постоянно тормозится радиальными перемычками сепараторных элементов, турбулизируется при этом и турбулентные вихри постоянно смывают с поверхности мембран осевшие на них частички загрязнений.

Недостатком этого аппарата является низкая эффективность его работы и недостаточная надежность по причине неудовлетворительного конструктивного решения сепараторных элементов, узла вывода очищенной воды и узла присоединения к электродвигателю. Эти обстоятельства не дают возможности использовать известный аппарат для переработки ЖРО.

Наиболее близким к предложенному является мембранный аппарат для разделения жидких радиоактивных отходов на очищенную от радионуклидов воду и аккумулирующий радионуклиды концентрат, содержащий набор круглых мембранных элементов, каждый из которых состоит из двух плоских полупроницаемых мембран, выполненных в виде двухслойной пластины из пористого металла и пористой керамики, и дренажного слоя, с отверстием в центре, а также круглых сепараторных элементов, выполненных в виде пластины с центральным отверстием и турбулизирующими отверстиями, причем каждый сепараторный элемент размещен между каждыми двумя смежными мембранными элементами, центральный полый вал с перфорированными стенками, на котором закреплены вращающиеся и создающие турбулентные вихри круглые элементы, цилиндрический корпус, выполненный в виде обечайки и днища, верхнюю крышку со штуцером ввода исходного раствора, узел вывода очищенной воды и узел вывода концентрата (RU 2179062, 10.02.2002).

Недостатком этого аппарата является невозможность осуществления в нем предварительной модификации радионуклидов, так как отсутствуют необходимые элементы для ввода химических добавок и осуществления химических реакций. По существу известный аппарат разработан для выполнения одной функции - эффективного разделения смеси, в то время как назрела необходимость в создании аппарата, выполняющего одновременно две функции - модификации исходного раствора и разделения модифицированного раствора.

Задачей изобретения является создание условий для переработки любых типов ЖРО, в том числе среднего и высокого уровня активности, исключение периодов регенерации мембран и упрощение эксплуатации. Кроме того, задачей изобретения является создание такого аппарата, который при максимальной эффективности разделения подготовленной смеси обеспечивал бы осуществление собственно процесса подготовки этой смеси к разделению при минимально возможном времени контакта исходного раствора и вводимой ассоциирующей добавки, а также при использовании единого механического воздействия как для создания турбулентных вихрей над мембраной, так и для ускорения химической реакции.

Поставленная задача решается описываемым способом переработки высокотоксичного радиоактивного раствора, включающим смешение раствора с химическими веществами, обеспечивающими перевод находящихся в растворе радионуклидов в ассоциированное состояние при интенсивном перемешивании, создающем турбулентные вихри в перерабатываемой среде, и последующее мембранное разделение также при интенсивном перемешивании, создающем турбулентные вихри, при этом процесс проводят в одном аппарате, снабженном в зоне смешивания диспергирующим устройством, а в зоне разделения - набором из чередующихся двухслойных металлокерамических мембранных элементов и сепараторных элементов, установленных с обеспечением возможности вращения одного типа элементов относительно другого.

Предпочтительно переработке подвергают жидкие радиоактивные отходы высокого или среднего уровня активности. В качестве химических веществ на смешение подают щелочь, и/или осадитель, и/или полиэлектролит, и/или сорбенты радионуклидов.

Поставленная задача решается также описываемым устройством для осуществления предложенного способа, представляющим собой мембранный аппарат для переработки высокотоксичных растворов и сточных вод, содержащий цилиндрический корпус с днищем, крышку с устройством для ввода перерабатываемого раствора, полый вал с перфорированными стенками, установленный по продольной оси корпуса с возможностью вращения, набор из чередующихся двухслойных металлокерамических мембранных элементов в форме круга и сепараторных элементов в форме круга, установленных с обеспечением возможности вращения одного типа элементов относительно другого типа элементов, узел вывода очищенного раствора и узел вывода концентрата, причем крышка выполнена с образованием реакционной полости над набором из упомянутых чередующихся элементов и снабжена устройством для ввода химических реагентов, в реакционной плоскости размещено диспергирующее устройство, закрепленное на верхнем конце полого вала, а внутри корпуса параллельно цилиндрической стенке установлена перегородка с образованием сборника продукта разделения перерабатываемого раствора.

В одном варианте выполненные мембранные элементы закреплены на валу, а сепараторные элементы на перегородке сборника. В другом варианте сепараторные элементы закреплены на валу, а мембранные элементы на перегородке сборника.

Предпочтительно диспергирующее устройство закреплено на верхнем конце вала с помощью цилиндрической втулки и выполнено в виде пропеллерной или лопастной или турбинной мешалки.

Возможен вариант, когда узел вывода концентрата выполнен глухим, а аппарат снабжен защитной оболочкой и используется в качестве контейнера для транспортировки и хранения радиоактивного концентрата.

На чертеже представлен продольный разрез предложенного устройства. Аппарат состоит из корпуса 1, выполненного в виде цилиндрической обечайки и днища, и верхней крышки 2, герметично присоединенной к корпусу. Крышка 2 снабжена штуцером 3 для ввода в аппарат исходного раствора. В днище корпуса 1 вварен сальниково-подшипниковый узел 4, выполняющий функции центровки и герметизации вращающегося центрального вала 5. Вал 5 выполнен полым с перфорированными стенками 6. Главным узлом аппарата является набор 7 из круглых элементов двух типов - мембранных и сепараторных. Один тип элементов 8 закреплен на центральном валу 5 и вращается вместе с ним, другой тип 9 неподвижен и закреплен на перегородке периферийного сборника 10. Сборник 10 в свою очередь прикреплен к днищу корпуса 1 и снабжен штуцером 11 вывода одного из продуктов разделения. Второй продукт разделения выводится из аппарата через полость центрального вала 5 и штуцер 12, размещенный в сальниково-подшипниковом узле 4.

Для проведения химической модификации исходного раствора крышка 2 мембранного аппарата выполнена с образованием полости 13, куда через штуцер 14 вводятся добавляемые химические вещества. Центральный вал 5 в верхней части снабжен насадкой 15, на которой закреплен диспергируюший элемент 16.

Предложенный мембранный аппарат работает следующим образом. Исходный раствор, представляющий собой жидкие радиоактивные отходы и содержащий широкий спектр радионуклидов с различными химическими свойствами и прочие компоненты, как правило, являющиеся неорганическими солями, органическими веществами и другими нерадиоактивными веществами, подается под давлением 2-10 бар через штуцер 3 и попадает в реакционную полость 13, т.е. узел осуществления процесса перевода радионуклидов в ассоциированное состояние в виде коллоидных и макромолекулярных частиц. Этот перевод осуществляется при взаимодействии исходного раствора с дозируемой в полость 13 через штуцер 14 порцией химических добавок. Выбор химических веществ определяется свойствами радионуклидов и осуществляется из следующего перечня: щелочи, осадители, полиэлектролиты и диспергированные адсорбенты. При взаимодействии радионуклидов с химическими веществами в полости 13 первые переходят в ассоциированное коллоидное состояние, при котором размер частиц, содержащих радионуклиды, увеличивается в сто - тысячу раз.

Для интенсификации этого процесса используют диспергирующий элемент 16, выполненный в виде мешалок различного типа. Выбор типа мешалки зависит от типа протекающей в полости 16 реакции - гомогенной или гетерогенной.

Вращение на диспергирующий элемент 16 передается через насадку 15 от центрального вала 5, т.е. турбулизация, создаваемая для интенсификации процесса мембранного разделения, используется и для интенсификации взаимодействия радионуклидов с введенным реагентом.

Модифицированный таким образом раствор попадает далее в набор из мембранных и сепараторных элементов. Набор состоит из элементов двух типов - вращающихся и неподвижных, причем в разных вариантах мембранные и сепараторные элементы могут быть различного типа.

Вариант А. Мембранные элементы 8 выполнены вращающимися. Модифицированный раствор распределяется в зазорах между вращающимися элементами 8, под действием давления проникает через мембраны уже в виде очищенной от радионуклидов воды, по дренажному каналу мембранных элементов стекает через перфорированную стенку 6 центрального вала 5 в его внутренний канал и через штуцер 11 выводится из аппарата. Вращающиеся мембранные элементы увлекают за собой жидкость, которая турбулизируется на сепараторных неподвижных элементах 9. Турбулентные вихри воздействуют на поверхность мембран, снимая с них слой коллоидных частиц, которые в противном случае образовали бы осадок на мембране.

Вариант Б. Мембранные элементы 9 выполнены неподвижными, а вращаются сепараторные элементы 8. Модифицированный раствор распределяется в зазорах между неподвижными элементами 9 и турбулизируется вращающимися сепараторными элементами 8. Под действием давления раствор фильтруется через мембрану и очищенная от радионуклидов вода собирается в периферийном сборнике 10 и через штуцер 11 выводится из аппарата. Концентрат с радионуклидами собирается через перфорацию 6 внутрь центрального вала 5 и через штуцер 12 выводится из аппарата. Турбулизация жидкости над поверхностью мембран создается вращающимися сепараторными элементами.

При разделении ЖРО среднего и высокого уровня активности предложенный мембранный аппарат может служить одновременно контейнером для хранения и транспортировки концентрата. Для этого, например, по варианту А штуцер 11 вывода концентрата выполнен глухим, т.е. концентрат не выводится из аппарата, а процесс фильтрации через мембрану идет до некоторой расчетной концентрации радионуклидов в объеме аппарата. После этого подачу исходного раствора и химических добавок прекращают, заглушают штуцера 3, 12, 14, а аппарат вместе с накопившимся в нем концентратом покрывают защитной оболочкой и транспортируют в таком виде до мест специального хранения.

Ниже приведены несколько примеров, иллюстрирующих эффективность предложенного способа переработки растворов с использованием вышеописанного устройства.

Пример 1.

Среднеактивные ЖРО следующего состава: общее солесодержание 2 г/л; взвеси 300 мг/л; нефтепродукты 40 мг/л; жесткость 35 мг/л; рН 9,5; общая удельная радиоактивность 1,6•10^-4 Ки/л, из них Cs¹³⁷ 1,25•10^-4 Ки/л, остальное - Sr⁹⁰, были подвергнуты разделению в предложенном мембранном аппарате, работающем по варианту А. Аппарат был снабжен металлокерамическими мембранами со средним размером пор 0,15 мкм. В качестве корректирующей добавки в исходный раствор вводили диспергированный адсорбент на основе ферроцианида никеля со средним размером частиц 20 мкм. На 1 л подаваемого раствора вводили 0,25 г адсорбента в пересчете на сухой вес. Скорость вращения элементов 800 об/мин, рабочее давление 2 ат. На разделение было подано 120 л исходного раствора, было получено 105 л очищенной воды с удельной активностью 1,2•10^-5 Ки/л. При этом практически вся радиоактивность фильтрата обеспечивалась радиоизотопом Sr⁹⁰, что объясняется большей поглотительной способностью данного адсорбента по цезию.

Пример 2.

Среднеактивные ЖРО следующего состава: общее солесодержание 0,05 г/л; рН 7,0; взвеси и нефтепродукты отсутствуют, общая удельная радиоактивность 4,6•10^-5 Ки/л. Изотопный состав Се¹⁴⁴, Eu¹⁵⁴Am²⁴³, Cs¹³⁷, из них Cs¹³⁷ 4•10^-6 Ки/л, разделялись в предложенном мембранном аппарате, работающем по варианту А. Аппарат был снабжен металлокерамическими мембранами со средним размером пор 0,20 мкм. В качестве корректирующей добавки в исходный раствор вводили щелочь (гидроксид аммония) до рН 8,7. Скорость вращения элементов 1000 об/мин, рабочее давление 3,5 ат. На разделение было подано 200 л исходного раствора, получено 186 л очищенной воды с удельной активностью 4•10^-6 Ки/л и 14 л концентрата с удельной активностью 6•10^-4 Ки/л. Вся радиоактивность фильтрата обеспечена радиоизотопом Cs, что объясняется неучастием ионов цезия в гидролизе, в который активно вступают ионы редкоземельных и трансурановых элементов. Ассоциирование последних в виде коллоидных частиц гидроокисей позволяет практически полностью задержать их полупроницаемой мембраной в концентрате.

В представленных выше примерах разделение проведено в аппарате заявленной конструкции, в котором мембранный элемент выполнен вращающимся в виде двух полупроницаемых мембран с дренажным слоем между ними, отверстием в центре и закреплен на центральном валу, а сепараторный элемент выполнен в виде диска с отверстиями и закреплен на перегородке, хотя возможны и варианты выполнения мембранного и сепараторного элементов.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить эффективность переработки радиоактивных растворов, расширить ассортимент отходов, которые возможно перерабатывать с использованием мембранного разделения, упростить процесс и осуществить его с высокой производительностью.

Предложен способ переработки высокотоксичного радиоактивного раствора, включающий смешение раствора с химическими веществами, обеспечивающими перевод находящихся в растворе радионуклидов в ассоциированное состояние, и мембранное разделение, осуществляемые при интенсивном перемешивании, создающем турбулентные вихри в перерабатываемой среде, при этом обе стадии осуществляют в одном аппарате, снабженном в зоне смешения диспергирующим устройством, а в зоне разделения - набором из чередующихся двухслойных металлокерамических мембранных элементов и сепараторных элементов, установленных с обеспечением возможности вращения одного типа элементов относительно другого. Предложен мембранный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с днищем, крышку с устройством для ввода перерабатываемого раствора, полый вал с перфорированными стенками, установленный по продольной оси корпуса с возможностью вращения, набор из чередующихся двухслойных металлокерамических мембранных элементов в форме круга и сепараторных элементов в форме круга, установленных с обеспечением возможности вращения одного типа элементов относительно другого типа элементов, узел вывода очищенного раствора и узел вывода концентрата, при этом крышка выполнена с образованием реакционной полости над набором из упомянутых чередующихся элементов и снабжена устройством для ввода химических реагентов, в реакционной полости размещено диспергирующее устройство, закрепленное на верхнем конце полого вала, а внутри корпуса параллельно цилиндрической стенке установлена перегородка с образованием сборника продукта разделения перерабатываемого раствора. Изобретение позволяет интенсифицировать процесс переработки при одновременном его упрощении, обеспечить расширение спектра перерабатываемых растворов, повысить надежность аппаратурного оборудования. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ переработки высокотоксичного радиоактивного раствора, включающий смешение раствора с химическими веществами, обеспечивающими перевод находящихся в растворе радионуклидов в ассоциированное состояние, и мембранное разделение, отличающийся тем, что смешение раствора с указанными веществами и последующее мембранное разделение осуществляют при интенсивном перемешивании, создающем турбулентные вихри в перерабатываемой среде, при этом процесс проводят в одном аппарате, снабженном в зоне смешения диспергирующим устройством, а в зоне разделения набором из чередующихся двухслойных металлокерамических мембранных элементов и сепараторных элементов, установленных с обеспечением возможности вращения одного типа элементов относительно другого.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что переработке подвергают жидкие радиоактивные отходы высокого или среднего уровня активности.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве химических веществ на смешение подают щелочь, и/или осадитель, и/или полиэлектролит, и/или сорбенты радионуклидов.4. Мембранный аппарат для переработки высокотоксичных радиоактивных растворов и сточных вод, содержащий цилиндрический корпус с днищем, крышку с устройством для ввода перерабатываемого раствора, полый вал с перфорированными стенками, установленный по продольной оси корпуса с возможностью вращения, набор из чередующихся двухслойных металлокерамических мембранных элементов в форме круга и сепараторных элементов в форме круга, установленных с обеспечением возможности вращения одного типа элементов относительно другого типа элементов, узел вывода очищенного раствора и узел вывода концентрата, отличающийся тем, что крышка выполнена с образованием реакционной полости над набором из упомянутых чередующихся элементов и снабжена устройством для ввода химических реагентов, в реакционной полости размещено диспергирующее устройство, закрепленное на верхнем конце полого вала, а внутри корпуса вдоль его цилиндрической стенки установлена перегородка с образованием между стенкой корпуса и перегородкой сборника продукта разделения перерабатываемого раствора.5. Мембранный аппарат по п.4, отличающийся тем, что мембранные элементы закреплены на валу, а сепараторные элементы на перегородке сборника.6. Мембранный аппарат по п.4, отличающийся тем, что сепараторные элементы закреплены на валу, а мембранные элементы на перегородке сборника.7. Мембранный аппарат по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что диспергирующее устройство закреплено на верхнем конце вала с помощью цилиндрической втулки и выполнено в виде пропеллерной или лопастной или турбинной мешалки.8. Мембранный аппарат по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что узел вывода концентрата выполнен глухим, а аппарат снабжен защитной оболочкой и используется в качестве контейнера для транспортировки и хранения радиоактивного концентрата.