СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ВОД ОТКРЫТЫХ ВОДОЕМОВ, ВОДНЫХ СТОКОВ Российский патент 2009 года по МПК G21F9/06 

Изобретение относится к области экологии, а именно к способам дезактивации вод открытых водоемов, водных стоков, зараженных радионуклидами, а также для дезактивации нейтральных или щелочных технологических растворов радиохимических производств.

Загрязнение природных вод радиоактивными материалами является общей проблемой. Она может возникнуть при добыче урана, эксплуатации ядерных устройств, при переработке ядерного топлива, при захоронении радиоактивных отходов без надлежащих мер экологического контроля.

Экономической задачей экологической очистки является полная эффективная очистка загрязненных радионуклидами объектов при минимальном количестве вторичных отходов.

Известен способ очистки жидких отходов методом реагентной коагуляции гидроксидами железа (III) с различными коллекторами (соосадителями), способствующими удалению из раствора солей тяжелых металлов, радионуклидов, коллоидных и органических примесей (К.М.Абдулаев, И.А.Малахов, Л.Н.Полетаев, А.С.Соболь «Водоподготовка на ТЭЦ при использовании городских сточных вод». М.: Энергоатомиздат, 1988, с.103).

Описан способ очистки жидких радиоактивных отходов реагентной коагуляцией совместно с коллекторами путем содово-известкового умягчения жидких отходов с дальнейшим разделением пульпы на шламовую часть и воду (А.С.Никифоров, В.В.Куличенко, М.И.Жихарев. «Обезвреживание жидких радиоактивных отходов». М., 1985, с.35).

Реагентными коагулянтами в данном способе являются гидроксиды железа (III) и алюминия, а коллекторами - гидроксиды магния, марганца и других металлов, вносимых в очищаемую воду как дополнительные реагенты очистки.

Недостаток этих реагентных способов - низкий коэффициент очистки, образование больших объемов радиоактивных шламов, требующих дальнейшей переработки, повышенное солесодержание растворов.

Известен способ обработки воды окислителями, такими как хлор и озон, позволяющими снизить концентрацию органических примесей, в том числе и комплексообразователей (К.М.Абдулаев, И.А.Малахов, Л.Н.Полетаев, А.С.Соболь. «Водоподготовка на ТЭЦ при использовании городских сточных вод». М.: «Энергоатомиздат», 1988, с.130). Недостаток способа - невысокая эффективность в удалении из воды радиоактивных солей металлов.

Описаны способы электрохимической очистки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и воды от тяжелых металлов и их радиоактивных изотопов.

Один из них включает электрохимическую обработку ЖРО окислением комплексных соединений тяжелых металлов и их изотопов на электродах с использованием в качестве анода нерастворимого электрода, а в качестве катода - газодиффузионного электрода с последующим осаждением тяжелых изотопов на коагулянтах и коллекторах. Коагулянт - гидроксид железа (III) получают в другом электролизере с использованием растворимого анода и газодиффузионного катода. В качестве коллекторов используются гидроскиды никеля и кобальта (Патент RU №2127459, G21F 9/06, 1999). Способ обеспечивает повышение степени очистки ЖРО от тяжелых металлов и их изотопов и минимальные объемы радиоактивных шламов.

Недостаток способа - он не обеспечивает очистку ЖРО от радионуклидов, щелочных и щелочно-земельных металлов, таких как цезий-137 и стронций-90, активность которых в стандартных ЖРО составляет до 80% от суммарной активности, а природа их такова, что они очень трудно извлекаются из растворов без применения специальных селективных сорбентов.

Известен способ электрохимической очистки воды от тяжелых и радиоактивных металлов и органических примесей в электролизере с растворимыми железными электродами (Ю.В.Кузнецов, В.Н.Щебетковский, А.Г.Трусов. «Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений». М.: Атомиздат, 1974, с.183).

В этом способе, принятом по совокупности признаков за прототип, включающем водоподготовку, обработку воды проводят в электролизере (электрокоагуляторе) с растворимыми железными электродами. Сущность способа заключается в осаждении солей оксо-ионов актинидов (IV) на коагулянте-гидроксиде железа (III). Коагулянт образуется в электролизере при окислении железа на аноде, а оксо-ионы актинидов (IV) - восстановлением солей оксо-ионов (III) на катоде.

Недостатки способа - низкая эффективность очистки воды от радионуклидов.

Задача изобретения - повышение степени дезактивации природных вод и водных стоков, минимализация объемов радиоактивных шламов, снижение эксплуатационных затрат на дезактивацию.

Поставленная задача решается тем, что в способе дезактивации вод открытых водоемов, водных стоков, включающем водоподготовку, электрохимическую обработку в электролизере (электрокоагуляторе) с растворимыми электродами, согласно изобретению электрохимическую обработку воды проводят в электролизере (электрокоагуляторе) с растворимыми электродами из марганцовистых сталей при рН 8,5-9,5 при насыщении обрабатываемой воды кислородом воздуха до концентрации 10-12 мг/л с последующим отделением скоагулированных продуктов отстоем, осветлением, фильтрацией через фильтры грубой и тонкой очистки, коррекцией водородного показателя воды до рН 8,5-9,0 и фильтрацией через селективные к радионуклидам щелочных и щелочно-земельных металлов сорбенты с дальнейшей очисткой воды электродиализом и регенерацией реагентов дезактивации.

Заявляемый способ дезактивации вод открытых водоемов, водных стоков, при котором осуществляют водоподготовку, электрохимическую обработку в электролизере с растворимыми электродами (электрокоагуляторе), имеет следующие отличительные от известного способа, принятого за прототип, признаки:

- первый - использование в электролизере растворимых электродов из марганцовистых сталей при насыщении электролита кислородом воздуха. При использовании марганцовистых сталей в качестве электродов наряду с образованием на аноде электролизера - гидроксида железа (III) и восстановлением на катоде оксо-ионов актинидов (VI) в оксо-ионы актинидов (IV) создаются условия для образования в электролизере известного своей эффективностью коллектора (соосадителя) радионуклидов тяжелых металлов - оксида марганца (IV) MnO₂.

Образование коллектора протекает в рабочей зоне электролизера через стадии электрохимического окисления металлического марганца, входящего в состав электродов из марганцовистых сталей, до катиона марганца (II), образования гидроксида марганца (II) и окислительной деструкции последнего кислородом воздуха до оксида марганца (IV) по уравнениям:

Mn⁰-2+6Н₂O→[Mn(H₂О₆)]²⁺,

[Mn(H₂О)₆]²⁺+2OH^- → Mn(OH)₂+6H₂О,

2Mn(ОН)₂+O₂ → 2MnO₂↓+2Н₂O.

Образование в рабочей зоне электролизера дополнительного соосадителя (коллектора) - оксида марганца (IV), естественно, повысит степень дезактивации обрабатываемой воды от радионуклидов тяжелых металлов;

- второй - использование кислорода воздуха в технологии дезактивации.

Насыщение кислородом воздуха электролита в электролизной камере создает благоприятные условия как для образования коллектора - MnO₂, так и для окисления органических загрязнителей. Параллельно с электрохимическим окислением органических соединений кислород, активированный электрическим разрядом межэлектродного пространства, дополнительно окисляет по известным механизмам спирты, альдегиды, кетоны, непредельные соединения до соответствующих кислот, которые с тяжелыми металлами, например с ионами железа (III), дают малорастворимые соли, выпадающие в осадок. Следует добавить, что активированный кислород ускоряет процесс окисления и ионов железа (II) в ионы железа (III), увеличивая тем самым количество коагулянта в очищаемой воде;

- третий - использование селективных сорбентов на основе ферроцианидов переходных металлов.

Дополнение технологической линии дезактивации водных растворов фильтрами селективной сорбционной очистки от ионов радиоактивных щелочных и щелочноземельных металлов гарантирует снижение концентрации последних в очищаемом потоке воды;

- четвертый - использование электродиализа на заключительном этапе дезактивации позволяет довести очищаемые воды до норм ПДК по солевым нагрузкам и регенерировать реагенты очистки из концентрированных растворов анолитов и католитов.

Использование предлагаемого способа дезактивации природных вод и водных стоков в сравнении с прототипом позволяет более эффективно удалять из обрабатываемых вод радионуклиды тяжелых, щелочно-земельных и щелочных металлов, органических загрязнителей, минимизировать объемы радиоактивных шламов, снизить эксплуатационные расходы на дезактивацию.

Таким образом, заявляемый способ дезактивации вод открытых водоемов, водных стоков, при котором осуществляют водоподготовку, электрохимическую обработку в электролизере с растворимыми электродами, отличается от известного, принятого за прототип, тем, что электрохимическую отработку воды проводят в электролизере (электрокоагуляторе) с растворимыми электродами из марганцовистых сталей при рН 8,5-9,5 при насыщении обрабатываемой воды кислородом воздуха до концентрации 10-12 мг/л с последующим отделением скоагулярованных продуктов отстоем, осветлением, фильтрацией через фильтры грубой и тонкой очистки, коррекцией водородного показателя воды до рН 8,5-9,0 и фильтрацией через селективные к радионуклидам щелочных и щелочно-земельных металлов сорбенты с дальнейшей очисткой воды электродиализом и регенерацией реагентов дезактивации.

Из патентной и научно-технической литературы не известен способ, в котором электрохимическую обработку воды проводят в электролизере с растворенными электродами из марганцовистых сталей при рН 8,5-9,5 при насыщении раствора кислородом воздуха до концентрации 10-12 мг/л с последующим удалением скоагулированных продуктов отстоем, осветлением, фильтрацией через фильтры грубой и тонкой очистки, коррекцией рН воды до 8,5-9,0 и фильтрацией через селективные к радионуклидам щелочных и щелочно-земельных металлов сорбенты с дальнейшей очисткой воды электродиализом и регенерацией реагентов дезактивации, позволяющий достичь описанный выше эффект.

Заявляемое техническое решение может быть использовано в области экологии для дезактивации природных вод, стоков, щелочных и нейтральных технологических растворов радиотехнических производств.

Заявляемый способ дезактивации осуществляют с помощью устройства, схема которого изображена на чертеже.

Устройство включает четыре узла А, Б, В, Г, изображенных на фиг.1-4.

На фиг.1 - узел А - узел водоподготовки - включает накопительную емкость - отстойник 2, осветлитель 3, реактор-смеситель 5, решетку 1, шламонакопитель 4, мерник щелочного раствора 6, мерник для раствора соли 7.

На фиг.2 - узел Б - узел электрокоагуляции - включает электролизер (электрокоагулятор) 8, отстойник 10, осветлитель 11, блок-фильтр 12, компрессор воздуха 9, шламонакопитель 13.

На фиг.3 - узел В - сорбционный блок - включает реактор-смеситель 14, фильтр с селективным сорбентом 16, мерник кислоты 15.

На фиг.4 - узел Г - блок электродиализа - включает блок электродиализа 17, накопительные емкости: щелочи 18, кислоты 19, соли 20.

Способ дезактивации вод открытых водоемов и водных стоков осуществляется следующим образом и поясняется примерами.

Пример 1. Дезактивация вод открытых водоемов

Воду из водоема подают по подводящему коллектору через механическую решетку 1 с прозором между собирающими пластинами шириной 3 мм в накопительную емкость - отстойник 2 (Узел А, фиг.1).

Накопительная емкость-отстойник 2 предусмотрена для отделения крупных взвешенных частиц и песка с целью выравнивания подачи дезактивируемой воды в систему очистки.

Насосом из емкости-отстойника 2 воду подают в осветлитель непрерывного действия 3 для отделения мелкодисперсных взвешенных частиц. Осевший шлам из аппаратов 2 и 3 выгружают по мере накопления в шламосборник 4. После промывки водой и замера уровня радиоактивности шлам выгружают на грунт или в емкость для дезактивации.

Из осветлителя 3 водный поток направляют в реактор-смеситель 5, представляющий собой аппарат типа чан с мешалкой, для смешивания очищаемой воды с реагентами с целью придания необходимой электропроводимости и водородного показателя воде. Подача реагентов - 20% раствор щелочи (мерник 6) и 10% раствор хлорида натрия (мерник 7) - регулируется так, чтобы водородный показатель обрабатываемой воды поддерживался в пределах рН 8,5-9,5, а концентрация хлорида натрия - 1,9-2,3 г/л.

Из реактора-смесителя 5 щелочной раствор подают в электролизер (электрокоагулятор) 8 с растворимыми электродами (узел Б, фиг.2). Электрохимическую обработку раствора ведут при насыщении электролита кислородом воздуха компрессором 9 до концентрации 10-12 мг/л при плотности тока на электродах 50-150 А/дм², межэлектродном расстоянии 10-40 мм, время обработки раствора 5-15 мин.

Электроды изготавливаются из марганцовистых сталей.

Пульпу со взвесью скоагулированных продуктов из электролизера (электрокоагулятора) 8 перекачивают в отстойник 10, далее в осветлитель 11 и блок-фильтр грубой и тонкой очистки 12. В качестве фильтрующих материалов в блоке 12 используются пенополистирол, керамзит или цеолит, активированные угли или угольные волокна в указанной последовательности.

Радиоактивный шлам из отстойника 10, осветлителя 11 по мере накопления сбрасывают в шламосборник 13, сушат, прессуют, захоранивают в спецхранилищах. Промывные воды от блок-фильтра 12 возвращаются в отстойник 10.

Из блок-фильтра 12 водный поток направляют в реактор-смеситель 14 (узел В, фиг.3), где водородный показатель воды корректируют до рН 8,5-9,0 раствором 10% соляной кислоты из мерника 15 и пропускают через фильтр 16, заполненный селективным сорбционным материалом на основе ферроцианидов переходных металлов.

Окончательную доочистку воды осуществляют электродиализом в блоке электродиализаторов 17 (узел Г, фиг.4).

Основной поток очищенной воды (90%) с суммарным показателем содержания β-активных радионуклидов менее 10^-9 ки/л, сливают в открытые водоемы. Реагенты дезактивации - щелочи, кислоты, хлориды - регенерируют из анолитов и католитов электродиализной концентрацией и собирают в накопительных емкостях 18, 19, 20 соответственно. Избыток концентрированных солей перерабатывается для вторичного применения.

Пример 2. Дезактивация технологических стоков радиохимических производств

Дезактивацию нейтральных и щелочных технологических растворов осуществляют аналогично с коррекцией водородного показателя для щелочных растворов кислотой, а нейтральных растворов - щелочью в реакторе-смесителе 5.

Изобретение относится к способам дезактивации вод открытых водоемов, водных стоков, зараженных радионуклидами, а также для дезактивации нейтральных или щелочных технологических растворов радиохимических производств. Способ включает водоподготовку, электрохимическую обработку в электролизере (электрокоагуляторе) с растворимыми электродами из марганцовистых сталей при рН 8,5-9,5, при насыщении обрабатываемой воды кислородом воздуха до концентрации 10-12 мг/л, отделение скоагулированных продуктов отстоем, осветлением, фильтрацией через фильтры грубой и тонкой очистки, коррекцию водородного показателя воды до рН 8,5-9,0 и фильтрацию через селективные к радионуклидам щелочных и щелочно-земельных металлов сорбенты, дальнейшую очистку воды электродиализом, регенерацию реагентов дезактивации. При использовании изобретения происходит повышение степени дезактивации, минимизация объемов радиоактивных шламов, снижение эксплуатационных затрат. 4 ил.

Способ дезактивации вод открытых водоемов, водных стоков, зараженных радионуклидами, включающий водоподготовку, электрохимическую обработку в электролизере (электрокоагуляторе) с растворимыми электродами, отличающийся тем, что электрохимическую обработку воды проводят в электролизере (электрокоагуляторе) с растворимыми электродами из марганцовистых сталей при рН 8,5-9,5, при насыщении обрабатываемой воды кислородом воздуха до концентрации 10-12 мг/л, с последующим отделением скоагулированных продуктов отстоем, осветлением, фильтрацией через фильтры грубой и тонкой очистки, коррекцией водородного показателя воды до рН 8,5-9,0, фильтрацией через селективные к радионуклидам щелочных и щелочно-земельных металлов сорбенты с дальнейшей очисткой воды электродиализом и регенерацией реагентов дезактивации.