СПОСОБ ОБРАБОТКИ СЫРОЙ ВОДЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ ТРИТИЕВУЮ ВОДУ Российский патент 2018 года по МПК G21F9/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, при осуществлении которого сырую воду, содержащую тритиевую воду, превращают в газ посредством электролиза щелочной воды, что приводит к снижению концентрации трития до 1/1244 по сравнению с концентрацией трития в сырой воде и одновременному понижению объема сырой воды, содержащей тритиевую воду.

Настоящее изобретение также относится к способу выведения трития в количестве, составляющем 1/20 от величины норматива допустимых сбросов (англ. - Permissible Discharge Standard), в атмосферный воздух, и его выведения на значительную высоту без контакта с живыми организмами.

Настоящее изобретение также относится к способу извлечения трития в виде водного концентрата, содержащего тритиевую воду посредством реакции тритийсодержащего газообразного водорода с водяным паром.

Настоящее изобретение также относится к способу обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, практически не содержащую загрязняющие примеси, такие как хлорид-ионы, и сырую воду превращают в газ посредством непрерывного электролиза, снижая тем самым концентрацию трития и одновременно понижая объем сырой воды, содержащей тритиевую воду. Настоящее изобретение также относится к способу обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, согласно которому после проведения непрерывного электролиза отделенную воду, содержащую тритиевую воду, дополнительно подвергают электролизу щелочной воды, и при этом извлекают щелочной компонент, применяемый для электролиза.

Настоящее изобретение также относится к способу обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, содержащую большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, и после удаления загрязняющих примесей проводят непрерывный электролиз, приводящий к снижению концентрации трития и одновременному понижению объема сырой воды, содержащей тритиевую воду. Настоящее изобретение также относится к способу обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором после проведения непрерывного электролиза проводят дополнительный электролиз, одновременно извлекая щелочной компонент, применяемый для электролиза, и дополнительно понижая объем воды, содержащей тритиевую воду.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Большая часть имеющегося на Земле трития находится в виде оксида, такого как вода, содержащая тритий, т.е. тритиевой воды. Полагают, что, благодаря циркуляции тритиевой воды в атмосфере, ее концентрация в организмах животных и растений всех возрастов и во всех местностях почти постоянна. Исходя из пониженной концентрации трития в воде, может быть определен период, прошедший с момента циркуляции в атмосфере, а также может быть произведено определение возраста подземной воды. Концентрацию тритиевой воды также используют при реальном исследовании течений подземной воды в гражданском строительстве и сельском хозяйстве. Тритий находится в воде в составе тритиевой воды, которая включает кислород и смешана с обычной водой; он также широко распространен в водных ресурсах, которые включают водяной пар, дождевые воды, подземные воды, водные потоки, воду озер и морей, питьевую воду и воду в живых организмах, которая может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии.

В природе тритий образуется при взаимодействии космических лучей и воздуха. Однако, из-за низкой вероятности его образования, его количество чрезвычайно мало. Тем не менее, выбросы трития в окружающую среду происходили при проведении ядерных испытаний в 1950-х годах, при разгрузке ядерных реакторов и переработке ядерного топлива, и в настоящее время тритий присутствует в большом количестве в окружающей среде (загрязнение тритием). Кроме того, по сравнению с внешней системой, тритий, получаемый при работе или ремонте реактора или при переработке ядерного топлива, накапливается и локализуется на верхних уровнях предприятий, связанных с ядерным реактором. Однако, из-за того, что его химические свойства практически не отличаются от свойств водорода, его выпускают под контролем в атмосферу или океан (море).

Самая большая величина активности, измеренная в Японии, составила 1100 Бк/л; она была зарегистрирована 21 июня 2013 г. у выпускного порта первого блока атомной электростанции Фукусима после ядерной аварии. Поскольку тритий сложно отделить от водорода химическими способами, была предпринята попытка физического разделения. Однако этот способ все еще находится на стадии испытаний и пока не имеет практического успеха. Таким образом, радиоактивность, возникшая в результате выброса трития в окружающую среду из-за аварии на атомной электростанции или подобного события, не может быть устранена с помощью имеющихся в настоящее время методик. Объем загрязненной тритием воды, вырабатываемой первым блоком атомной электростанции Фукусима, в будущем может достичь 800000 м³ или близкого к этому значения; таким образом, желательно как можно скорее создать способ эффективной обработки такой воды.

В настоящее время, поскольку концентрация трития находится на чрезвычайно низком уровне, для повышения точности измерений его концентрации обычно производят концентрирование электролизом. Так, в данной области техники известен способ, называемый концентрированием тяжелой воды электролизом, включающий приготовление раствора образца, содержащего растворенный электролит, и проведение электролиза на плоской пластине. Наряду с H₂O раствор электролита включает HDO или НТО в виде воды. Они разлагаются на водород и кислород в соответствии с общими правилами электролиза воды. Однако, благодаря изотопному эффекту, разложение H₂O происходит до разложения HDO или НТО, и, таким образом, по мере повышения концентрации дейтерия или трития в растворе электролита, происходит концентрирование раствора. При концентрировании электролизом в качестве материала анода применяют никель. В качестве материала катода применяют сталь, железо, никель и подобные материалы. Эти электроды очищают, и помещают в стеклянный контейнер вместе с образцом воды, который получают добавлением разбавленного раствора гидроксида натрия, представляющего собой вспомогательное вещество, в водный раствор, содержащий тяжелую воду. Затем, пропуская электрический ток, выполняют электролиз. При проведении электролиза плотность тока устанавливают равной от 1 до 10 А/дм² или приблизительно на указанном уровне, и температуру раствора поддерживают на уровне 5°C или менее для предотвращения испарения воды при нагревании; электролиз обычно продолжают до тех пор, пока количество жидкости не уменьшится до приблизительно 1/10 (от первоначальной величины), что приводит к концентрированию дейтерия.

Фактически концентрирование трития электролизом основано на том его свойстве, что, как и в случае дейтерия, электролиз тритиевой воды протекает с большими затруднениями, чем электролиз воды, содержащей легкий водород. Способ электролиза, включающий помещение металлических электродов в водный щелочной раствор, был уже многократно и всесторонне исследован, и стандартизованный способ имеется в официальном руководстве. Согласно этому способу, концентрацию трития повышают одностадийным способом. Однако на практике концентрирование электролизом согласно предшествующему уровню техники не лишено определенных проблем, а именно: проведение рабочих операций затруднено, скорость концентрирования трития ограничена верхним пределом концентрации электролита, получаемая смесь газообразных водорода и кислорода взрывоопасна, электролиз занимает много времени, и способ не подходит для проведения крупномасштабной обработки.

Поскольку методика была разработана для отделения и улавливания материала с очень низким содержанием с помощью одностадийного способа, указанные выше проблемы в основном вызваны необходимостью проведения электролиза водного щелочного раствора согласно предшествующему уровню техники, согласно которому работа со щелочным электролитическим водным раствором затруднительна, отделение газа, образующегося на аноде также затруднительно, повышение тока электролиза осложняется образованием пузырьков воздуха на поверхности металла и т.д.

В этом отношении в качестве способа электролиза воды, который в последние годы привлек внимание специалистов, может быть упомянут электролиз воды с использованием твердого полимерного электролита (далее называемый "SPE электролизом воды", где "SPE" означает "твердый полимерный электролит" от англ. "solid polymer electrolyte"). Впервые SPE электролиз воды был проведен General Electric Company, США, с применением технологии топливной ячейки в начале 1970 гг. Конструкция электролизной части отличается тем, что обе поверхности SPE мембраны помещают между пористыми металлическими электродами, и при погружении их в чистую воду и приложении электрического тока на пористых электродах в результате электролиза начинает выделяться получаемый при разложении газ. SPE представляет собой один из видов катионообменной смолы, в структуре которой группа сульфоновой кислоты или подобная ей группа, способная к переносу ионов, химически присоединена к полимерной цепочке. При протекании электрического тока между двумя электродами, на аноде происходит разложение воды и выделение газообразного кислорода, и образуются ионы водорода. После перемещения по сульфоновым кислотным группам SPE эти ионы водорода мигрируют к катоду и, после присоединения электронов, образуют газообразный водород. Очевидно, что сам SPE не подвергается изменениям и остается в твердой фазе.

Ожидается, что применение SPE для концентрирования трития электролизом позволит получить следующие преимущества по сравнению со способом согласно предшествующему уровню техники:

1) Может быть произведено прямое разложение дистиллированной воды. При этом отпадает необходимость в растворении, нейтрализации и удалении электролита, которые необходимо производить при электролизе водного щелочного раствора, и, в принципе, скорость уменьшения объема образца воды не имеет ограничений;

2) Поскольку поверхность электрода не покрывается пузырьками воздуха, электролиз можно проводить при высоких значениях электрического тока, что может позволить сократить продолжительность проведения электролиза;

3) Выделение газообразного водорода и газообразного кислорода по отдельности по разные стороны SPE мембраны облегчает обработку газов и значительно повышает безопасность по сравнению со способом согласно предшествующему уровню техники, в котором необходимо работать с взрывоопасной смесью газов.

Дополнительно способ концентрирования тяжелой воды электролизом, основанный на SPE электролизе воды, рассмотрен в Патентных Документах 1 и 2, поданных Компанией-заявителем настоящего изобретения, и в непатентном документе 1.

Однако как Патентные документы 1 и 2, так и непатентный документ 1 относятся к устройству для анализа или концентрирования в набольших масштабах, но они не относятся к крупномасштабной обработке по следующим причинам. Поскольку используемый раствор электролита представляет собой чистую воду, то для того, чтобы в растворе электролита не протекал электрический ток, такой конструкционный элемент, как твердая полимерная мембрана, должен быть прочно закреплен на аноде и катоде, так что поверхностное давление при этом составляет приблизительно 20-30 кг/см². Это означает, что каждый элемент электролитической ванны должен иметь высокую прочность. Однако, наличие реакционной площади, составляющей 1 м² или более, непрактично с экономической или функциональной точек зрения. Кроме того, рассмотренная в цитируемых документах обработка не подходит для концентрирования электролизом или фракционирования сырой воды, содержащей большие объемы тяжелой воды, из-за высокой стоимости оборудования и связанных с ним затрат.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Патентные документы

Патентный документ 1: JP 8-26703 А (Патент No. 3406390)

Патентный документ 2: JP 8-323154 А (Патент No. 3977446)

Непатентные документы

Непатентный документ 1: Tritium Electrolytic Enrichment using Solid Polymer Electrolyte (Электролитическое обогащение тритием с применением твердого полимерного электролита) (RADIOISOTOPES, Vol. 45, No. 5, May 1996 (опубликовано Japan Radioisotope Association)).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача

Задача настоящего изобретения состоит в устранении проблем предшествующего уровня техники и предоставлении способа обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, который подходит для крупномасштабной обработки с применением электролиза. В частности, задача настоящего изобретения состоит в предоставлении способа снижения концентрации трития до 1/1244 посредством превращения в газ сырой воды, содержащей тритиевую воду, в результате проведения непрерывного электролиза щелочной воды при непрерывной подаче сырой воды для превращения в тритийсодержащий газообразный водород и газообразный кислород с целью снижения влияния трития на живые организмы. Другая задача настоящего изобретения состоит в предоставлении способа извлечения трития в количестве, составляющем 1/20 или менее от величины норматива допустимых сбросов в атмосферный воздух, и его выведения на значительную высоту без контакта с живыми организмами. Другая задача настоящего изобретения состоит в предоставлении способа извлечения трития в виде водного концентрата, содержащего тритиевую воду, по реакции превращенного в газ тритийсодержащего газообразного водорода с водяным паром. Задача настоящего изобретения также состоит в предоставлении способа непрерывного электролиза в том случае, если тритийсодержащая сырая вода представляет собой сырую воду, практически не содержащую загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, где осуществление способа приводит к снижению концентрации трития и понижению объема сырой воды, содержащей тритиевую воду. Задача настоящего изобретения также состоит в предоставлении способа, в котором после проведения непрерывного электролиза сырой воды, содержащей тритиевую воду, проводят обработку сырой воды, содержащей тритиевую воду, и дополнительно проводят электролиз щелочной воды с периодической подачей при одновременном извлечении щелочного компонента, применяемого для электролиза, одновременно снижая, таким образом, концентрацию трития и понижая объем сырой воды, содержащей тритиевую воду. Задача настоящего изобретения также состоит в предоставлении способа проведения вышеупомянутого непрерывного электролиза, в котором в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, содержащую загрязняющие примеси, такие как большие количества хлорид-ионов, после проведения предварительного этапа, состоящего в удалении загрязняющих примесей, где выполнение способа приводит к снижению концентрации трития и понижению объема сырой воды, содержащей тритиевую воду. Задача настоящего изобретения также состоит в предоставлении способа, в котором при осуществлении указанных способов, после проведения непрерывного электролиза сырой воды, содержащей тритиевую воду, дополнительно проводят обработку сырой воды, содержащей тритиевую воду, электролизом щелочной воды с периодической подачей при одновременном извлечении щелочного компонента, применяемого для электролиза, одновременно снижая, таким образом, концентрацию трития и понижая объем сырой воды, содержащей тритиевую воду.

Решение поставленной задачи

Для решения поставленных выше задач, согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, согласно которому сырую воду, содержащую тритиевую воду, подвергают обработке в первом этапе электролиза щелочной воды, который включает следующие этапы:

(1) подачу части сырой воды, содержащей тритиевую воду, и щелочной воды в циркуляционный резервуар;

(2) смешивание сырой воды со щелочной водой в циркуляционном резервуаре с образованием электролита, имеющего требуемую концентрацию щелочи, подачу электролита в устройство для электролиза щелочной воды и проведение электролитической обработки;

(3) непрерывную подачу сырой воды в циркуляционный резервуар в количестве, соответствующем объему сырой воды, израсходованной при проведении указанной электролитической обработки, для сохранения установленной изначально концентрации щелочи, и продолжение электролитической обработки при циркуляции электролита для проведения непрерывного электролиза щелочной воды;

(4) превращение сырой воды в тритийсодержащий газообразный водород и газообразный кислород, в результате чего концентрация трития снижается до 1/1244 от концентрации трития в сырой воде; и

(5) снижение объема сырой воды.

Для решения поставленных выше задач, согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором тритийсодержащий газообразный водород, образующийся в первом этапе электролиза щелочной воды, выводят в атмосферный воздух.

Для решения поставленных выше задач, согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором тритийсодержащий газообразный водород, образующийся в первом этапе электролиза щелочной воды, направляют в колонну, содержащую катализатор, где тритийсодержащий газообразный водород реагирует с водяным паром на катализаторе, которым заполнена колонна, и тритий извлекают в виде водного концентрата, содержащего тритиевую воду.

Для решения поставленных выше задач, согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, где способ включает:

первый этап электролиза щелочной воды, предназначенный для проведения непрерывного электролиза щелочной воды;

второй этап дистилляции, в котором после завершения первого этапа электролиза щелочной воды все количество электролита, оставшееся после выполнения первого этапа электролиза щелочной воды, направляют в испаритель, находящийся в электролите щелочной компонент извлекают в виде щелочной солевой суспензии и одновременно получают воду, содержащую тритиевую воду, отогнанную в испарителе; и

второй этап электролиза щелочной воды, в котором в циркуляционный резервуар направляют воду, содержащую тритиевую воду, полученную во втором этапе дистилляции, и свежую щелочную воду; воду, содержащую тритиевую воду, смешивают в циркуляционном резервуаре со свежей щелочной водой с образованием раствора электролита, имеющего требуемую концентрацию щелочи; электролитическую емкость устройства для электролиза щелочной воды устанавливают равной величине, подходящей для обработки заданного количества электролита; выполняют электролиз щелочной воды и последующую обработку в периодическом режиме; воду, содержащую тритиевую воду превращают в газ, то есть в тритийсодержащий газообразный водород и газообразный кислород, и при этом концентрация трития снижается до 1/1244 от концентрации трития в воде, содержащей тритиевую воду, и уменьшается объем сырой воды;

при необходимости способ дополнительно включает этап многократного повторения второго этапа дистилляции и второго этапа электролиза щелочной воды до завершения обработки в периодическом режиме, причем во время многократного повторения емкость устройства для электролиза щелочной воды, применяемого для проведения второго этапа электролиза щелочной воды, постепенно понижают, и обработку повторяют.

Для решения поставленных выше задач с учетом рассмотренного выше первого аспекта, согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, согласно которому в том случае, если в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, которая содержит загрязняющие примеси, включающие большое количество хлорид-ионов, то в первый этап электролиза щелочной воды дополнительно включают предварительный этап, а именно первый этап дистилляции для удаления загрязняющих примесей, и при проведении первого этапа дистилляции сырую воду, которая содержит загрязняющие примеси, включающие хлорид-ионы, направляют в испаритель, и загрязняющие примеси удаляют в виде солевой суспензии, и при этом одновременно отводят сырую воду, содержащую тритиевую воду, полученную после удаления загрязняющих примесей, которую непрерывно направляют на обработку в первый этап электролиза щелочной воды.

Для решения поставленных выше задач с учетом рассмотренного выше четвертого аспекта, согласно шестому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором, если в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, которая содержит загрязняющие примеси, включающие большое количество хлорид-ионов, то в первый этап электролиза щелочной воды включают предварительный этап, а именно первый этап дистилляции для удаления загрязняющих примесей, и при проведении первого этапа дистилляции сырую воду, которая содержит загрязняющие примеси, включающие хлорид-ионы, направляют в испаритель, и загрязняющие примеси удаляют в виде солевой суспензии, и при этом одновременно отводят сырую воду, содержащую тритиевую воду, полученную после удаления загрязняющих примесей, которую непрерывно направляют на обработку в первый этап электролиза щелочной воды.

Для решения поставленных выше задач с учетом рассмотренных выше пятого или шестого аспектов, согласно седьмому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором при проведении первого этапа дистилляции производят концентрирование солевой суспензии, которую затем отделяют и извлекают в виде твердого вещества.

Для решения поставленных выше задач с учетом рассмотренного выше четвертого аспекта, согласно восьмому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором при проведении второго этапа дистилляции производят концентрирование щелочной солевой суспензии, которую затем отделяют и извлекают в виде твердого вещества.

Для решения поставленных выше задач с учетом рассмотренного выше четвертого аспекта, согласно девятому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором при проведении первого этапа электролиза щелочной воды в качестве щелочной воды используют воду с относительно высокой концентрацией щелочи, и электролитическую обработку проводят при относительно высокой плотности тока, а при проведении второго этапа электролиза щелочной воды в качестве щелочной воды используют воду с относительно низкой концентрацией щелочи, и электролитическую обработку проводят при относительно низкой плотности тока.

Для решения поставленных выше задач с учетом рассмотренного выше первого аспекта, согласно десятому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором при проведении первого этапа электролиза щелочной воды в качестве щелочной воды используют щелочную воду с концентрацией щелочи 15% масс. или более, и электролитическую обработку проводят при плотности тока, составляющей 15 А/дм² или более.

Для решения поставленных выше задач с учетом рассмотренного выше четвертого аспекта, согласно одиннадцатому аспекту настоящего изобретения предложен способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, в котором при проведении второго этапа электролиза щелочной воды в качестве щелочной воды используют щелочную воду с концентрацией щелочи от 2 до 10% масс. или более, и электролитическую обработку проводят при плотности тока, составляющей от 5 до 20 А/дм².

Полезный эффект изобретения

(1) Согласно настоящему изобретению, при превращении сырой воды, содержащей тритиевую воду, в газ, то есть в тритийсодержащий газообразный водород и газообразный кислород, концентрация трития может быть снижена до 1/1244, и может быть понижено влияние трития на живые организмы.

Кроме того и предпочтительно, все количество сырой воды, содержащей тритиевую воду, подвергают обработке посредством электролиза щелочной воды. Если объем тритиевой воды слишком велик или имеется другая причина, связанная с экономической эффективностью или подобными соображениями, то электролиз щелочной воды может быть проведен в виде нескольких отдельных этапов.

(2) Согласно настоящему изобретению, при превращении в газ сырой воды, содержащей тритиевую воду, концентрация трития может быть снижена до 1/1244, и, таким образом, тритий может быть выведен в атмосферный воздух на значительную высоту без контакта с живыми организмами в количестве, составляющем 1/20 или менее от величины норматива допустимых сбросов.

(3) Согласно настоящему изобретению, в способе непрерывного электролиза щелочной сырой воды, содержащей тритиевую воду, при проведении первого этапа электролиза щелочной воды, по мере того, как получаемый тритиевый газ, содержащий газообразный водород, реагирует с водяным паром, обработанный продукт может быть извлечен в виде водного концентрата, содержащего тритиевую воду.

(4) Согласно настоящему изобретению, если сырая вода, содержащая тритиевую воду, содержит загрязняющие примеси, такие как большое количество хлорид-ионов, то первый этап дистилляции, включающий непрерывную подачу в дистиллятор, представляет собой предварительный этап удаления загрязняющих примесей в виде солевой суспензии, что позволяет достичь результата, рассмотренного выше. Далее обработка в первом этапе электролиза щелочной воды, а также обработка, состоящая в проведении первого этапа дистилляции, представляющего собой предварительный этап, и первого этапа электролиза щелочной воды, названы "системой (I) электролиза щелочной воды".

(5) Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, после завершения непрерывного электролиза первого этапа электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды, раствор электролита (щелочную воду), оставшийся после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, подвергают обработке в периодическом режиме, состоящей из второго этапа дистилляции и второго этапа электролиза щелочной воды, проводимого после завершения второго этапа дистилляции, и, таким образом, щелочной компонент может быть извлечен в виде щелочной солевой суспензии при проведении второго этапа дистилляции, и одновременно может быть извлечена дистиллированная вода, содержащая тритиевую воду.

(6) Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, после завершения непрерывного электролиза первого этапа электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды, раствор электролита (щелочную воду), остающуюся после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, подвергают электролитической обработке; при этом воду, содержащую тритиевую воду, которая была извлечена после завершения второго этапа дистилляции, используют как раствор электролита, и раствор электролита подают в устройство для электролиза щелочной воды; при этом электролитическую емкость устройства для электролиза щелочной воды приводят к величине, подходящей для обработки в периодическом режиме того количества раствора электролита, которое имеется во втором этапе электролиза щелочной воды. Таким образом, воду, содержащую тритиевую воду, остающуюся после обработки системой (I) электролиза щелочной воды, разбавляют до норматива допустимых сбросов трития или менее и затем удаляют, что может приводить к дополнительному понижению объема сырой воды, содержащей тритиевую воду.

(7) Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, для проведения достаточной обработки в периодическом режиме, может быть произведено снижение объема до тех пор, пока объем воды, содержащей тритиевую воду, не станет практически нулевым; таким образом, объем устройства для электролиза щелочной воды постепенно снижают (т.е. отключают оборудование), выполняя этап повторения второго этапа дистилляции и второго этапа электролиза щелочной воды третий, четвертый и т.д. раз. Далее обработка, состоящая из второго этапа дистилляции (проводимая в виде третьего этапа дистилляции и последующего этапа дистилляции), и второго этапа электролиза щелочной воды (проводимая в виде третьего этапа электролиза щелочной воды и последующего этапа электролиза щелочной воды) называется "системой (II) электролиза щелочной воды".

(8) Согласно пятому или шестому аспекту настоящего изобретения, в том случае, когда в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, содержащую загрязняющие примеси, такие как большое количество хлорид-ионов, загрязняющие примеси удаляют в виде солевой суспензии проведением первого этапа дистилляции, который включают в качестве предварительного этапа первого этапа электролиза щелочной воды в систему (I) электролиза щелочной воды. Таким образом, при осуществлении первого этапа электролиза щелочной воды в растворе электролита не накапливаются загрязняющие примеси, и непрерывный электролиз щелочной воды может гладко протекать в устойчивом режиме в течение длительного периода времени.

(9) Согласно настоящему изобретению, в том случае, когда электролит, остающийся после завершения первого этапа электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды, подвергают обработке системой (II) электролиза щелочной воды, оставшаяся щелочь может быть при необходимости извлечена в виде щелочной соли каждый раз в течение третьего, четвертого и т.д. этапов дистилляции, проводимых в качестве второго этапа дистилляции посредством многократного повторения второго этапа электролиза щелочной воды и последующего этапа электролиза щелочной воды. В качестве оборудования для проведения второго, третьего и следующих этапов дистилляции также может быть применено оборудование первого этапа дистилляции, используемое для проведения предварительного этапа удаления из сырой воды, содержащей тритиевую воду, загрязняющих примесей, таких как большое количество хлорид-ионов - это может привести к значительной экономии средств.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На Фиг. 1 представлена технологическая схема первого аспекта осуществления (соответствующая рассмотренному выше первому аспекту) системы (I) электролиза щелочной воды согласно настоящему изобретению, которую применяют для обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, которая содержит лишь небольшое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, в первом этапе электролиза щелочной воды для непрерывного электролиза щелочной воды с циркуляцией электролита при поддержании концентрации щелочи на постоянном уровне.

На Фиг. 2 представлена технологическая схема четвертого аспекта осуществления (соответствующая рассмотренному выше четвертому аспекту) системы электролиза щелочной воды согласно настоящему изобретению, которую применяют в системе (II) электролиза щелочной воды, состоящей из второго этапа дистилляции, предназначенного для выделения, извлечения и обработки в периодическом режиме щелочного компонента электролита, остающегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды и второго этапа электролиза щелочной воды, состоящего в проведении электролитической обработки с приведением электролитической емкости устройства для электролиза щелочной воды к величине, подходящей для обработки того количества раствора электролита, которое остается после проведения первого этапа электролиза щелочной воды.

На Фиг. 3 представлена блок-схема четвертого аспекта осуществления способа обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, с помощью системы (II) электролиза щелочной воды, изображенной на Фиг. 2, в которой: остающийся электролит дополнительно обрабатывают во втором этапе дистилляции; из дистиллятора извлекают щелочной компонент в виде щелочной солевой суспензии; и воду, содержащую тритиевую воду, получаемую при дистилляции, направляют в циркуляционный резервуар и вводят во второй этап электролиза щелочной воды, после чего рассмотренное выше извлечение и электролиз повторяют до достижения удовлетворительного результата обработки в периодическом режиме, где указанный способ осуществляют для обработки раствора электролита, остающегося после первого этапа электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды.

На Фиг. 4 представлена технологическая схема шестого аспекта осуществления (соответствующая рассмотренному выше пятому и шестому аспектам) системы электролиза щелочной воды согласно настоящему изобретению, включающая систему (II) электролиза щелочной воды, которую применяют в том случае, когда в качестве обрабатываемой сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, содержащую большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы; система (II) электролиза щелочной воды состоит из первого этапа дистилляции, который представляет собой предварительный этап удаления загрязняющих примесей в виде солевой суспензии; первого этапа электролиза щелочной воды, который состоит в непрерывном электролизе щелочной воды с циркуляцией электролита в системе (I) электролиза щелочной воды при поддержании постоянной концентрации щелочи; второго этапа дистилляции для извлечения щелочного компонента из раствора электролита, остающегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, в виде щелочной солевой суспензии; и второго этапа электролиза щелочной воды, который состоит в электролитической обработке с приведением электролитической емкости устройства для электролиза щелочной воды к величине, подходящей для обработки того количества раствора электролита, которое остается после проведения первого этапа электролиза щелочной воды.

На Фиг. 5 представлена блок-схема шестого аспекта осуществления способа обработки, в котором применяют систему электролиза щелочной воды, представленную на Фиг. 4, и в качестве обрабатываемой сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, содержащую большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы.

СВЕДЕНИЯ. ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На первом блоке атомной электростанции Фукусима произошла утечка большого количества загрязненной воды, содержащей тритий, и в будущем количество загрязненной воды, которое должно быть отправлено на хранение, может достичь 800000 м³. Задача настоящего изобретения состоит в создании методики, с помощью которой тритий может быть отделен от хранящейся загрязненной тритием воды, количество которой составляет 800000 м³, с производительностью обработки, составляющей 400 м³/сутки, в результате чего объем загрязненной тритием воды может быть снижен до 1 м³ или менее и в конечном итоге до 0; при реализации этой методики также следует учитывать площадь для размещения установки, а также расходы на строительство и эксплуатацию установки. В одном из примеров осуществления методики тритиевую воду, содержащуюся в тритийсодержащей воде, превращают в тритиевый газ непрерывным электролизом и, после обезвреживания и выведения в атмосферный воздух, его выбрасывают на значительную высоту без контакта с живыми организмами.

Как рассмотрено ниже, согласно настоящему изобретению, тритиевую воду (НТО) превращают в газ, содержащий тритий (НТ) таким образом, чтобы его концентрация была низкой, например, 1/20 или менее от величины норматива допустимых сбросов, и установленное значение составляло 1 мЗв (микроЗиверт) или менее в год. Согласно приведенной ниже формуле для расчета, коэффициент разделения составляет 1244.

Реакции электролиза приведены ниже:

H₂O(ж)→H₂(г)+1/2O₂(г)

HTO(ж)→HT(г)+1/2O₂(г)

Так, поскольку объем 1 моля молекулярного газа в стандартных условиях составляет 22,4 л, при электролитическом разложении 1 л (приблизительно 1000 г) сырой воды с образованием газов содержание трития в 1 л сырой воды разбавляется в (1000/18)×22,4=1244 раза.

Такое значение коэффициента разделения представляет собой числовую величину, которая находится в диапазоне, характерном для тритиевой воды. Нормированные дозы облучения, рассчитанные в соответствии с химическими формами трития и возрастом, представлены в Таблице 1. На основании данных, представленных в Таблице 1, было показано, что с учетом эффективной нормированной дозы облучения, показывающей непосредственное влияние излучения на человеческий организм и окружающую среду, влияние тритиевого газа (НТ) составляет 1/10000 от влияния тритиевой воды (НТО).

Примечания:

^*1 Эффективная доза при попадании при вдыхании порошкообразных соединений трития указана в публикации ICRP Publ.72, стр. 44, Таблица А2.

^*2 ОСТ: Органически связанный тритий.

^*3 Не включена доза, полученная от НТО, поглощенной кожей.

^*4 Не включена доза, полученная при облучении, создаваемом газообразным НТ, попавшим в легкие. По оценкам, включение этого облучения увеличит приведенное значение приблизительно на 20%.

Источник: ICRP: ICRP Publication 72, Pergamon Press, Oxford, (1995)

Источник: Hiroshi Takeda с соавт., "Radiation effects and safety control of tritium", Journal of Atomic Energy Society, 39(11), стр. 923 (1997).

Таким образом, степень влияния трития на живой организм после превращения в тритиевый газ также снижается до 1/10000. Таким образом, полагают, что при рассмотрении эффективной нормированной дозы коэффициент разделения равен 12440000.

Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, согласно настоящему изобретению может иметь несколько примеров осуществления. Так, в одном из примеров осуществления повторяют этап дистилляции, проводимый для отделения и удаления загрязняющих примесей, таких как соль, Ca и Mg, содержащихся в обрабатываемой воде, и этап электролиза щелочной воды, в результате проведения которого тритиевый газ, полученный из тритиевой воды, выводят в атмосферный воздух в количестве, составляющем 1/20 или менее от величины норматива допустимых сбросов или 0,047% или менее от годового количества трития, накапливающегося в мире, и выводят газ на значительную высоту без контакта с живыми организмами, и также повторяют этап циркуляции и этап электролиза щелочной воды, в результате чего количество хранящейся "воды для обработки" в последнем этапе снижается до нуля. Этот пример осуществления рассмотрен первым.

Загрязненная вода, содержащая тритий, вырабатываемая первым блоком атомной электростанции Фукусима, содержит большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы. При введении такой сырой воды непосредственно в процесс электролиза щелочной воды для получения газа и разбавления, хлорид-ионы накапливаются в загрязняющих примесях. Кроме того, если количество хлорид-ионов в едкой щелочи находится на уровне растворимости или превышает его, то они осаждаются в виде хлоридов, и, таким образом, электролиз продолжать нельзя. Согласно настоящему изобретению, в случае обработки такой загрязненной воды загрязняющие примеси удаляют в виде солевой суспензии при проведении предварительного этапа, т.е. этапа дистилляции, перед началом электролиза щелочной воды, и после удаления примесей сырую воду направляют в этап непрерывного электролиза щелочной воды.

Однако, если обрабатываемая сырая вода, содержащая тритиевую воду, содержит лишь небольшое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, то концентрация загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, недостаточна для осаждения в виде соединения щелочного металла даже при непрерывном проведении электролиза щелочной воды. Таким образом, упомянутый выше этап дистилляции, предназначенный для удаления хлорид-ионов перед проведением электролиза щелочной воды, не нужен. Соответственно, в этом случае может быть создана такая конструкция, в которой сырую воду, содержащую тритиевую воду, подают непосредственно в циркуляционный резервуар, из которого сырую воду направляют в устройство для электролиза щелочной воды.

Согласно настоящему изобретению, "случай, когда сырая вода, содержащая тритиевую воду, содержит лишь небольшое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы" означает, что загрязняющие примеси, такие как хлорид-ионы, практически не содержатся в сырой воде, содержащей тритиевую воду, или что загрязняющие примеси содержатся в количестве, достаточном для осаждения такого количества хлоридов, что электролиз не может быть проведен в непрерывном режиме. Кроме того, если загрязняющие примеси, такие как хлорид-ионы, осаждаются в виде хлоридов, часть их может быть удалена из циркуляционного трубопровода во время электролиза щелочной воды.

Согласно настоящему изобретению, при проведении первого этапа электролиза щелочной воды, выполняемого в системе (I) электролиза щелочной воды, в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, содержащую лишь небольшое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, или сырую воду, из которой большое количество содержащихся в ней загрязняющих примесей было удалено в результате проведения первого этапа дистилляции, и обработку выполняют, непрерывно подавая сырую воду в количестве, соответствующем количеству сырой воды, израсходованному при электролизе щелочной воды, из резервуара для хранения в циркуляционный резервуар, применяемый при проведении первого этапа электролиза щелочной воды. В частности, электролиз проводят непрерывно, поддерживая концентрацию щелочи в циркуляционном резервуаре на требуемом исходном уровне, то есть электролит и циркулируемый электролит подготавливают, сохраняя концентрацию щелочи. Как показано выше, при электролизе всего количества сырой воды, имеющейся в резервуаре для хранения, содержащаяся в сырой воде тритиевая вода превращается в газ, то есть в тритийсодержащий газообразный водород и газообразный кислород. В результате концентрацию трития разбавляют до 1/1244 от его концентрации в тритиевой воде до разложения воды на газы. Кроме того, может быть эффективно осуществлена система (II) электролиза щелочной воды, которая состоит из второго этапа электролиза щелочной воды, в котором электролит, оставшийся после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, после рассмотренной выше обработки, извлекают и подвергают обработке в периодическом режиме; щелочь извлекают в виде суспензии, и проводят электролиз, устанавливая электролитическую емкость устройства для электролиза щелочной воды равной величине, подходящей для обработки количества оставшегося электролита; этот пример осуществления рассмотрен ниже.

Тритиевый газ, содержащий газообразный водород, который получают при превращении в газ сырой воды, содержащей тритиевую воду, после обработки в рассмотренном выше первом этапе электролиза щелочной воды, может быть выпущен непосредственно в атмосферный воздух, или тритиевый газ, содержащий газообразный водород, может быть направлен в колонну, содержащую катализатор, где он реагирует на катализаторе, которым заполнена колонна, с водяным паром и превращается в воду, содержащую концентрированную тритиевую воду (НТО). Уравнения реакции этого процесса представлены ниже.

Слой катализатора H₂O(г)+HT(г)→HTO(г)+H₂(г)

Абсорбционный слой H₂O(ж)+HTO(г)→HTO(ж)+H₂O(г)

Ниже приведено описание аспектов осуществления настоящего изобретения, сопровождаемое графическими материалами.

(1) Первый Аспект осуществления

На Фиг. 1 представлена технологическая схема обработки системой (I) электролиза щелочной воды согласно первому аспекту осуществления настоящего изобретения, в которой может быть обработана сырая вода, содержащая тритиевую воду и не содержащая загрязняющие примеси, такие как хлорид-ионы, или вода, содержащая такие примеси, которые не ингибируют работу электролитической системы. В этом случае обработку проводят без предварительного этапа удаления загрязняющих примесей, выполняя непрерывный электролиз сырой щелочной воды, содержащей тритиевую воду в первом этапе электролиза щелочной воды при поддержании постоянной концентрации щелочи. Далее первый аспект осуществления настоящего изобретения рассмотрен на примере технологической схемы, представленной на Фиг. 1.

Система электролиза щелочной воды, представленная на Фиг. 1, представляет собой систему (I) электролиза щелочной воды, включающую первый этап электролиза щелочной воды; система электролиза щелочной воды состоит из резервуара 1 для хранения сырой воды, ванны 2 для обработки сырой воды, насоса 7, ванны 8 для электролиза щелочной воды, циркуляционного резервуара 9, трубопроводов 10, 11 для циркуляции электролита, подающих насосов 12, 13 и охлаждающих устройств 14, 15. Ванна 8 для электролиза щелочной воды состоит из анодной камеры 16, предназначенной для размещения анода, катодной камеры 17, предназначенной для размещения катода, и диафрагмы 18, предназначенной для отделения анодной камеры 16 от катодной камеры 17.

Согласно первому аспекту осуществления, рассмотренный ниже этап дистилляции для удаления загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, содержащиеся в сырой воде, содержащей тритиевую воду, не нужен, и сырая вода, содержащая тритиевую воду, может быть непосредственно подана в циркуляционный резервуар 9 устройства для электролиза щелочной воды. В то же время пример, представленный на Фиг. 1, может иметь конструкцию, в которой часть сырой воды направляют из резервуара 1 для хранения сырой воды в циркуляционный резервуар 9 через ванну 2 для обработки сырой воды, в которой происходит обработка сырой воды.

Сырая вода, содержащая тритиевую воду, которая не содержит загрязняющие примеси, такие как хлорид-ионы, может быть обработана в первом этапе электролиза щелочной воды, который представляет собой непрерывную обработку в системе (I) электролиза щелочной воды, представленной на Фиг. 1.

Кроме того, даже если обрабатываемая сырая вода, содержащая тритиевую воду, содержит загрязняющие примеси, такие как хлорид-ионы, и если обрабатываемое количество воды невелико, продолжительность обработки мала, количество загрязняющих примесей невелико или конструкция включает удаление загрязняющих примесей при проведении непрерывного электролиза, то сырая вода, содержащая тритиевую воду, может быть обработана с помощью первого аспекта осуществления.

Дальнейшее рассмотрение приведено для ситуации, в которой объем сырой воды, содержащей тритиевую воду, составляет 800000 м³, и сырая вода содержит лишь небольшое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, и ее подвергают обработке системой (I) электролиза щелочной воды, показанной на Фиг. 1.

(а) В этом аспекте осуществления в первом этапе электролиза щелочной воды обрабатывают 800000 м³ сырой воды, содержащей тритиевую воду, которая хранится в резервуаре для хранения 1 сырой воды. При проведении первого этапа электролиза щелочной воды, часть этой сырой воды, составляющую 400 м³/сутки, направляют из резервуара 1 для хранения сырой воды в циркуляционный резервуар 9 через ванну 2 для обработки сырой воды с помощью насоса 7. Кроме того, щелочную воду направляют в циркуляционный резервуар 9 (не показан).

Кроме того, все количество сырой воды, находящейся в резервуаре для хранения 1 сырой воды, предпочтительно транспортируют в циркуляционный резервуар 9 через ванну 2 для обработки сырой воды и затем подвергают электролитической обработке. Если в резервуаре для хранения 1 сырой воды содержится большое количество сырой воды, то в предпочтительной конструкции сырую воду транспортируют в ванну 2 для обработки сырой воды несколькими порциями, и обработка сырой воды в ванне 2 для обработки сырой воды происходит непрерывно. Это также верно для следующих аспектов осуществления и примеров.

(b) Затем находящуюся в циркуляционном резервуаре 9 сырую воду смешивают со щелочной водой, получая электролит, имеющий требуемую концентрацию щелочи. Затем электролит направляют в ванну 8 для электролиза щелочной воды, где производят электролитическую обработку.

(c) Предпочтительно щелочная вода электролита имеет высокую концентрацию. Она предпочтительно составляет 15% масс, или 20% масс, или более. Кроме того, используемой щелочью предпочтительно является KOH или NaOH.

Количество электролита в ванне 8 для электролиза щелочной воды составляет 400 м³, количество электролита в циркуляционном резервуаре 9 и трубопроводах или подобном оборудовании также составляет 400 м³, и, таким образом, весь подвергаемый электролизу объем составляет 800 м³.

(d) Смешанный в циркуляционном резервуаре 9 электролит, имеющий требуемую концентрацию щелочи, направляют в анодную камеру 16 ванны 8 для электролиза щелочной воды по циркуляционному трубопроводу 10 через подающий насос 12 и охлаждающее устройство 14. В то же время электролит направляют в катодную камеру 17 ванны 8 для электролиза щелочной воды по циркуляционному трубопроводу 11 через подающий насос 13 и охлаждающее устройство 15. Затем электролит подвергают электролизу. Электролит подвергают электролизу с применением диафрагмы 18. В результате электролиза в анодной камере 16 образуется газообразный кислород, и происходит разделение на газ и жидкость, т.е. на образовавшийся газообразный кислород и электролит. Отделенный электролит направляют в циркуляционный резервуар 9 по трубопроводу 10 для циркуляции электролита.

В то же время в катодной камере 17 образуется газообразный водород, и происходит разделение на газ и жидкость, т.е. на образовавшийся газообразный водород и электролит. Отделенный электролит направляют в циркуляционный резервуар 9 по трубопроводу 11 для циркуляции электролита. Если при выполнении указанных операций устанавливают высокую плотность тока, то требуемая продолжительность электролитической обработки может быть сокращена. Основными факторами, влияющими на рабочий диапазон плотности тока, являются технические характеристики электролитической ванны, в частности, анода, катода, диафрагмы и конструкции электролитической ванны. Плотность тока предпочтительно составляет 15 А/дм² или более и 80 А/дм² или менее. Более предпочтительно она составляет 20 А/дм² или более и 60 А/дм² или менее. В частности, если количество воды, разлагаемой в результате электролиза на газы, невелико по объему, то, естественно, величину плотности снижают. Если разложению подвергают большой объем, то, естественно, величину плотности повышают.

В результате определений, проведенных авторами настоящего изобретения при исследовании электролиза щелочной воды, электролиз может быть выполнен даже с использованием электролита, в котором концентрация щелочи составляет 32% масс. Однако, если электролиз проводят при более высокой концентрации, вязкость раствора электролита повышается, образовавшийся газ слишком медленно покидает систему, напряжение в ячейке становится слишком высоким, что приводит к повышению потребления энергии. Таким образом, подобный способ не является удовлетворительным.

Если в рассмотренном выше способе подвергаемое электролитической обработке количество составляет 400 м³/сутки, то общее количество, составляющее 800000 м³ сырой воды, содержащей тритиевую воду, будет обработано за 5,5 лет (800000 м³ ÷ 400 м³/сутки ÷ 365 суток = 5,5 лет).

Поскольку циркулирующее количество электролита составляет 800 м³, 800000 м³ воды, содержащей тритиевую воду, в течение 5,5 лет снизится до 800 м³.

(e) При проведении рассмотренной выше долговременной обработки сырую воду в количестве, соответствующем количеству сырой воды, расходуемой при электролитической обработке, непрерывно направляют из резервуара для хранения 1 в циркуляционный резервуар 9. Все большое количество сырой воды, находящейся в резервуаре 1 для хранения, подвергают электролизу, поддерживая концентрацию щелочи электролита на исходном уровне и продолжая электролиз при циркуляции электролита.

(f) В результате обработки системой (I) электролиза щелочной воды, рассмотренной выше, сырая вода, содержащая тритиевую воду (НТО), превращается в тритиевый газ (НТ), содержащий газообразный водород, и в газообразный кислород. Концентрацию трития в тритиевом газе (НТ), содержащем газообразный водород, снижают до 1/1244 по сравнению с тритиевой водой, и объем сырой воды, составляющий 800000 м³, снижают до 800 м³.

В соответствии с рассмотренным выше режимом непрерывного электролиза, в способ непрерывно подают количество тритиевой воды, соответствующе количеству воды, которая разлагается при электролизе, и работу продолжают таким образом, что физические свойства, такие как количество жидкости в электролитической ванне или количество, перекачиваемое циркуляционным насосом, поддерживают на постоянном уровне при осуществлении способа. При этом концентрация тритиевой воды, подаваемой в способ, соответствует концентрации сырой воды.

При непрерывной подаче воды концентрация трития при обработке с большой долей вероятности остается равной его концентрации в сырой воде, и концентрирование трития в электролитической ванне не происходит. При такой непрерывной работе газ, образующийся при электролизе, подвергается конверсии при соотношении, которое соответствует отношению концентраций между легкой водой и тритиевой водой.

Дальнейшие разъяснения приведены для обработки, в которой исходная концентрация трития в сырой воде составляет от 6,3×10⁶ до 4,2×10⁶ Бк/л, и после обработки эта концентрация составляет 4,2×10⁶ Бк/л.

Так, если не учитывать селективность реакции электролиза легкой воды и тритиевой воды, то количества газа, образующиеся из легкой воды и тритиевой воды, соответствуют отношению концентраций каждой из них. В 1 л "обрабатываемой воды" содержится приблизительно 55,6 моль молекул воды H₂O и 4,2×10⁶ Бк/л тритиевой воды (НТО). Газообразный водород образуется в соответствии с этим соотношением.

Коэффициент разделения может быть рассчитан следующим образом.

После начала работы, когда, спустя 5,5 лет, количество сырой воды снижено только до циркулируемого количества жидкости (800 м³), этот коэффициент может быть рассчитан следующим образом:

Коэффициент разделения = Концентрация трития, содержащегося в сырой воде до обработки / Концентрация трития, содержащегося в продукте разложения на газы сырой воды, после обработки = (4,2×10⁶ Бк/л)/(4,2×10⁶/1244 Бк/л)=1244.

Если эффективную нормированную дозу рассматривать как степень влияния трития (НТ) на живые организмы, то коэффициент разделения может быть рассчитан следующим образом.

Коэффициент разделения = 12440000

Таким образом, при проведении рассмотренного выше электролиза с циркуляцией, большое количество тритиевой воды (НТО), содержащейся в сырой воде, содержащей тритиевую воду, превращается в тритиевый газ (НТ), в результате чего степень влияния трития на живые организмы может быть значительно снижена. Так, концентрацию трития снижают до 1/1244 по сравнению с концентрацией трития в сырой воде до обработки. Поскольку эта концентрация составляет 1/20 от величины норматива допустимых сбросов тритиевого газа, тритий выводят в атмосферный воздух на значительную высоту без контакта с живыми организмами.

Кроме того, если процент конверсии в тритиевый газ предположительно составляет 40%, то количество образующегося тритиевого газа, содержащегося в газообразном водороде, меньше, то есть получаемый коэффициент разделения должен быть выше.

В этом случае коэффициент разделения рассчитывают следующим образом:

Коэффициент разделения = Концентрация трития, содержащегося в сырой воде до обработки / Концентрация трития, содержащегося в сырой жидкости после обработки = 4,2 × 10⁶ Бк/л / 4,2 × 10⁶ × 0,4 /1244 Бк/л = 3110

Так, с учетом эффективной нормированной дозы коэффициент разделения составляет 31100000.

Если процент конверсии в тритиевый газ составляет 40%, то концентрацию трития рассчитывают в соответствии с полученным остатком (1 - процент конверсии) трития в способе электролиза; но, поскольку концентрацию трития в способе электролиза рассчитывают с помощью бесконечного ряда (Σa_n=А{1/(1-r)}), то она только в 2,5 раза превышает концентрацию трития в "обрабатываемой воде", а не равна полученному остатку r=0,6.

Это позволяет снижать действие излучения трития даже при проведении работ вблизи технологического оборудования, которые также включают техническое обслуживание электролитического оборудования. Полагают, что эта характеристика, наряду с простотой работы в производственных условиях, является серьезным преимуществом рассматриваемой установки электролиза.

Как показано выше, поскольку объем 1 моля молекулярного газа в стандартных условиях составляет 22,4 л, то при электролитическом разложении 1 л (приблизительно 1000 г) сырой воды на газы содержание трития в 1 л сырой воды снижается до соотношения, составляющего приблизительно 1/22,4 по сравнению с 1 л объема газа после разложения. Даже если предполагается, что 1 л объема жидкости → приблизительно максимальная концентрация, 0,4 × 4,2 × 10⁶ Бк/л / (1,000 / 18 × 22,4 л) = 1,350 × 10³ Бк/л. Из этого количества образуется объем газа, равный 1000 / 18 × 22,4 л, и концентрация молекул трития в выделившемся газе оказывается ниже предела концентрации для 1 л объема газа или воздуха, т.е. 7 × 10⁴ Бк/л.

Ниже представлен один из примеров основных технических характеристик и показателей первого этапа электролиза щелочной воды (непрерывного электролиза щелочной воды) в системе (I) электролиза щелочной воды, рассмотренной выше.

Технические характеристики:

1) Сырая вода, включающая загрязненную тритием воду: 800000 м³

2) Производительность электролитической обработки: обрабатываемое количество 400 м³/сутки

3) Щелочь: каустическая сода, концентрация щелочи: 20% масс.

4) Концентрация выбрасываемого трития: 1,350 × 10³ Бк/л

5) Ванна для электролиза щелочной воды: 48 ванн (1 ванна с 75 элементами)

6) Плотность тока: 40 А/дм²

7) Способ электролиза: способ электролиза с циркуляцией + непрерывная подача сырой воды в способ электролиза.

Показатели:

В общем, процент конверсии трития в сырой воде в основном зависит от концентрации трития, но составляет от 1,0 до 0,6 (при проведении фракционирования с тритиевым молекулярным газом).

Если концентрация трития, содержащегося в сырой воде, составляет 4,2 × 10⁶ Бк/л, то концентрация трития, содержащегося в сырой жидкости после обработки в рассмотренной выше системе электролиза, составляет:

4,2 × 10⁶ × 0,4 / 1244 Бк/л = 1,350 × 10³ Бк/л

Так, предел концентрации в выпускаемом газе или воздухе составляет 7 × 10⁴ Бк/л или менее, и стандартное значение для выбрасываемой тритиевой воды составляет 6 × 10⁴ Бк/л или менее.

(2) Второй Аспект осуществления

Согласно второму аспекту осуществления настоящего изобретения, газообразный кислород, образующийся в анодной камере 16, отделяют от жидкого электролита, и после этого отделенный газообразный кислород выпускают в атмосферный воздух. Одновременно в катодной камере 17 образуется тритиевый газ (НТ), содержащий газообразный водород. После его отделения от жидкого электролита, он образует тритиевый газ (НТ), в результате чего степень влияния трития на живые организмы снижается до 1/10000. Фактически можно сказать, что с точки зрения влияния эффективной нормированной дозы коэффициент разделения составляет 12440000. По мере выделения тритиевого газа из тритиевой воды, его выводят в атмосферный воздух в количестве, составляющем 1/20 или менее от величины норматива допустимых сбросов, то есть в количестве, составляющем 0,047% или менее в год от количества трития, накапливающегося на Земле, и затем выводят на значительную высоту без контакта с живыми организмами.

(3) Третий Аспект осуществления

Согласно третьему аспекту осуществления настоящего изобретения, полученный разложением тритиевый газ, содержащий газообразный водород, может быть не выведен в атмосферный воздух, а введен в реакцию с водяным паром и извлечен в виде воды, содержащей концентрированную тритиевую воду (НТО).

Уравнения соответствующих реакций представлены ниже:

Слой катализатора: H₂O(г)+HT(г)→НТО(г)+H₂(г)

Абсорбционный слой: H₂O(ж)+HTO(г)→НТО(ж)+H₂O(г)

(4) Четвертый Аспект осуществления

На Фиг. 2 представлен четвертый аспект осуществления. Четвертый аспект осуществления относится к системе (II) электролиза щелочной воды для обработки в периодическом режиме электролита, остающегося при проведении первого этапа электролиза щелочной воды после применения непрерывного электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды, рассмотренной выше в первом аспекте осуществления. В частности, в системе (II) электролиза щелочной воды при проведении второго этапа дистилляции щелочной компонент, находящийся в электролите, оставшемся после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, извлекают в виде щелочной солевой суспензии, а также извлекают сырую воду, содержащую тритиевую воду, отогнанную в испарителе, и при проведении второго этапа электролиза щелочной воды выполняют электролиз, регулируя электролитическую емкость устройства для электролиза щелочной воды так, что она составляет величину, подходящую для обработки такого количества сырой воды, которое было извлечено. Кроме того, при необходимости выполняют этап многократного повторения второго этапа дистилляции и второго этапа электролиза щелочной воды, которые включены в систему (II) электролиза щелочной воды, до завершения обработки в периодическом режиме.

На Фиг. 2 представлена технологическая схема четвертого аспекта осуществления системы электролиза щелочной воды согласно настоящему изобретению, состоящая из системы (II) электролиза щелочной воды, которая включает второй этап дистилляции для извлечения щелочного компонента электролита, остающегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды, представленной на Фиг. 1, и второй этап электролиза щелочной воды, предназначенный для выполнения электролитической обработки при одновременном регулировании электролитической емкости устройства для электролиза щелочной воды для достижения производительности, соответствующей обработке того количества раствора электролита, которое осталось после проведения первого этапа электролиза щелочной воды.

Как показано на Фиг. 2, если обработку повторяют до завершения обработки в периодическом режиме, как указано выше, то второй этап дистилляции становится дистилляционной системой, которую применяют для выполнения третьего, четвертого и т.д. этапов дистилляции. Дистилляционная система второго этапа дистилляции состоит из резервуара 19 для хранения электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, ванны 20 для обработки, испарителя 3, ванны 4, в которую направляют суспензию, испарителя 5 небольшого размера, конденсатор 6 и насос 7.

Кроме того, при повторении обработки до завершения обработки в периодическом режиме, рассмотренной выше, второй этап электролиза щелочной воды, находящийся в системе (II) электролиза щелочной воды, становится системой электролиза щелочной воды, которую применяют для проведения третьего, четвертого и т.д. этапов электролиза щелочной воды. Система электролиза щелочной воды, включаемая во второй этап электролиза щелочной воды, состоит из ванны 8 для электролиза щелочной воды, циркуляционного резервуара 9, трубопроводов 10, 11 для циркуляции электролита, подающих насосов 12, 13 и охлаждающих устройств 14, 15. Ванна 8 для электролиза щелочной воды состоит из анодной камеры 16 для размещения анода, катодной камеры 17 для размещения катода и диафрагмы 18 для отделения анодной камеры 16 от катодной камеры 17.

На Фиг. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая технологическую схему одного из примеров осуществления системы (II) электролиза щелочной воды, которую применяют после обработки, в которой в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, содержащую лишь небольшое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, где обработка включает первый этап электролиза щелочной воды, в котором применяют непрерывную систему (I) электролиза щелочной воды, представленную на Фиг. 1. С помощью системы (II) электролиза щелочной воды обрабатывают электролит, оставшийся после проведения первого этапа электролиза щелочной воды. Система (II) электролиза щелочной воды предназначена для обработки в периодическом режиме электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, где обработка включает второй этап дистилляции и второй этап электролиза щелочной воды, представленные на Фиг. 2, а также включает повторение этих этапов обработки.

Как показано на Фиг. 3, способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, согласно этому примеру осуществления включает:

(i) После проведения первого этапа электролиза щелочной воды (непрерывного электролиза щелочной воды) в системе (I) электролиза щелочной воды, где обрабатывают сырую воду, выполняют обработку электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, причем обработку проводят с помощью системы (II) электролиза щелочной воды, состоящей из перечисленных ниже этапов;

(ii) Второй этап дистилляции электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды (отделение и извлечение первой щелочной солевой суспензии);

(iii) Второй этап электролиза щелочной воды, в котором вода представляет собой воду, содержащую тритиевую воду, полученную при проведении второго этапа дистилляции;

(iv) Третий этап дистилляции электролита, оставшегося после проведения второго этапа электролиза щелочной воды (отделение и извлечение второй щелочной солевой суспензии);

(v) Третий этап электролиза щелочной воды, в котором вода представляет собой воду, содержащую тритиевую воду, полученную при проведении третьего этапа дистилляции;

(vi) Четвертый этап дистилляции электролита, оставшегося после проведения третьего этапа электролиза щелочной воды (отделение и извлечение третьей щелочной солевой суспензии);

(vii) Четвертый этап электролиза щелочной воды, полученной в четвертом этапе дистилляции; и

(viii) Пятый этап дистилляции электролита, оставшегося после проведения третьего этапа электролиза щелочной воды (отделение и извлечение четвертой щелочной солевой суспензии).

Для проведения каждого этапа дистилляции, рассмотренного выше, применяли дистилляционную систему, состоящую из второго этапа дистилляции, представленного на Фиг. 2. Несмотря на то, что электролитическая емкость постепенно снижается, для проведения каждого рассмотренного выше этапа электролиза щелочной воды применяли систему электролиза щелочной воды, состоящую из второго этапа электролиза щелочной воды, представленного на Фиг. 2.

Ниже представленная на Фиг. 3 блок-схема рассмотрена более подробно, с описанием каждого этапа обработки, на примере обработки 800000 м³ сырой воды, содержащей тритиевую воду, то есть на примере обработки большого объема сырой воды, содержащей тритиевую воду, которая содержит лишь небольшое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы.

(i) Первый этап электролиза щелочной воды

Согласно этому аспекту осуществления, при проведении первого этапа электролиза щелочной воды, объем 800000 м³ сырой воды, содержащей тритиевую воду, которая хранится в резервуаре 1 для хранения сырой воды и содержит лишь небольшое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, уменьшают до 800 м³ способом, который рассмотрен выше при раскрытии первого аспекта осуществления, в котором применяют систему (I) электролиза щелочной воды, представленную на Фиг. 1.

(и) Второй этап дистилляции

Затем, после завершения первого этапа электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды, общее количество, т.е. 800 м³ раствора электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, подвергают обработке, как описано ниже, в системе (II) электролиза щелочной воды, представленной на Фиг. 2. Электролит, оставшийся после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, направляют в испаритель 3 дистилляционной системы через ванну 20 для обработки. Отогнанную в испарителе 3 воду, содержащую тритиевую воду, конденсируют в конденсаторе 6, и извлекают. Воду, содержащую тритиевую воду, направляют в циркуляционный резервуар 9 системы (II) электролиза щелочной воды с помощью насоса 7. Кроме того, щелочную воду, находящуюся в электролите, оставшемся после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, извлекают в виде щелочной солевой суспензии с помощью ванны 4, в которую направляют суспензию. Полученную суспензию направляют в испаритель 5 небольшого размера и после проведения испарения, кристаллизации/сушки и подобных операций, отделяют и извлекают в виде твердого вещества. Дополнительное испарение, кристаллизация/сушка солевой суспензии этим способом представляют собой операции, проводимые для снижения объема, рассмотренные ниже. Кроме того, поскольку отходы затвердевают, вероятность коррозии контейнера для хранения отходов значительно снижается по сравнению с хранением жидкости. Такое отверждение отходов является чрезвычайно важным аспектом хранения отходов радиоактивных веществ.

Как показано выше, количество жидкого электролита, оставшееся после завершения первого этапа электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды, составляет 800 м³. Так как концентрация щелочи составляет 20% масс, объем щелочной солевой суспензии, извлеченной в системе (II) электролиза щелочной воды, составляет 160 м³ (приблизительно 160 тонн). Извлеченную солевую суспензию направляют в испаритель 5 небольшого размера. После испарения, кристаллизации/сушки и подобных операций ее концентрируют, и затем отделяют и извлекают в виде твердого вещества.

(iii) Второй этап электролиза щелочной воды

Электролит, извлекаемый во втором этапе дистилляции и непрерывно подаваемый в циркуляционный резервуар 9 для обработки во втором этапе электролиза щелочной воды, состоит только из воды, содержащей тритиевую воду, объемом 640 м³, из которой извлекают и удаляют 160 м³ щелочной солевой суспензии. При проведении второго этапа электролиза щелочной воды свежую щелочную воду направляют в циркуляционный резервуар 9, и смешиванием воды, содержащей тритиевую воду, и свежей добавляемой щелочной воды в циркуляционном резервуаре 9 получают приблизительно 800 м³ электролита, который направляют в устройство 8 для электролиза щелочной воды.

Что касается устройства 8 для электролиза щелочной воды, применяемого для проведения исходной обработки, т.е. электролиза второго этапа электролиза щелочной воды, то в приведенном выше примере для электролитической обработки применяют то же количество ванн, что и в первом этапе электролиза щелочной воды, например, 48 ванн (75 элементов в одной ванне). В качестве щелочной воды сначала получают щелочной водный электролит концентрацией приблизительно 5% масс. Плотность тока устанавливают равной 20 А/дм². Она остается такой же в следующих третьем и четвертом этапах электролиза щелочной воды.

В отличие от первого этапа электролиза щелочной воды, при проведении второго этапа электролиза щелочной воды в системе (II) электролиза щелочной воды дополнительную сырую воду не добавляют, и воду, содержащую тритиевую воду, разлагают и удаляют. Таким образом, концентрирование щелочной воды производят одновременно со снижением количества электролита. Таким образом, регулируя поточный клапан, операцию выполняют, применяя меньшее количество рабочих линий электролитической ванны. При концентрировании электролита в 6 раз концентрация щелочи составляет от 5% масс. до 30% масс., и параметры электролитической ванны регулируют таким образом, чтобы для работы потребовалось 8 ванн (75 элементов в 1 ванне).

Так, при выполнении второго этапа электролиза щелочной воды электролиз осуществляют до достижения 6-кратного концентрирования приблизительно 800 м³ электролита, причем концентрация щелочи составляет 30% масс., и параметры электролитической ванны регулируют таким образом, чтобы для работы потребовалось 8 ванн (75 элементов в 1 ванне). В результате этой обработки из 800 м³ электролита получают 133 м³. Кроме того, операцию второго этапа электролиза щелочной воды выполняют аналогично рассмотренному выше первому этапу электролиза щелочной воды.

Этап повторения

При проведении этапа повторения, состоящего из второго этапа дистилляции и второго этапа электролиза щелочной воды, которые составляют систему (II) электролиза щелочной воды, дополнительно повторяют обработку, постепенно снижая емкость устройства для электролиза щелочной воды. При превращении в газ тритиевой воды (НТО), содержащейся в воде, тритиевая вода (НТО) превращается в тритиевый газ (НТ), и дополнительно снижается объем воды, содержащей тритиевую воду. Более подробные пояснения приведены ниже.

(iv) Третий этап дистилляции (второе отделение и извлечение щелочной суспензии)

В третьем этапе дистилляции, который проводят после второго этапа электролиза щелочной воды, отделяют и извлекают щелочную солевую суспензию (133 м³ × 30% масс. = 40 м³). Для снижения объема, после испарения, кристаллизации/сушки и подобных операций, щелочная солевая суспензия может быть дополнительно направлена в испаритель 5 небольшого размера и затем повторно использована.

(v) Третий этап электролиза щелочной воды

Электролитическую обработку воды, содержащей тритиевую воду, полученной в третьем этапе дистилляции, проводят аналогично обработке второго этапа электролиза щелочной воды, за исключением того, что при этом снижают емкость устройства для электролиза щелочной воды. Так, в третьем этапе электролиза щелочной воды в начале электролиза применяют 8 ванн, таких как ванна 8 для электролиза щелочной воды, и операцию выполняют при уменьшении количества рабочих линий электролитической ванны с помощью поточного клапан до тех пор, пока объем раствора электролита не сократится в 4 раза. После того, как электролит сконцентрирован в 4 раза, концентрация щелочи повышается с 5% масс. до 20% масс., в результате чего работу продолжают уже с 2 электролитическими ваннами. В результате этой обработки объем электролита, составляющий 133 м³, снижают до 22,17 м³.

(vi) Четвертый этап дистилляции и (vii) четвертый этап электролиза щелочной воды

Затем, в четвертом этапе дистилляции, так же, как и в третьем этапе, отделяют и извлекают щелочную соль (22,17 м³ × 20% масс. = 4,4 м³). Электролитическую обработку воды, содержащей тритиевую воду, полученной в четвертом этапе дистилляции, выполняют аналогично обработке второго этапа электролиза щелочной воды, но при этом дополнительно снижают емкость устройства для электролиза щелочной воды. Так, при работе устройства 8 для электролиза щелочной воды количество находящихся в 1 ванне элементов снижают с 75 до 8 элементов, и после выполнения четвертого этапа электролиза щелочной воды добавляют 5% масс. едкой щелочи, получая 23 м³ электролита. В результате такой обработки электролит концентрируют в 19,17 раз (23 ÷ 1,2 = 19,17), и объем снижают с 23 м³ до 1,2 м³.

(viii) Пятый этап дистилляции

Наконец, при проведении пятого этапа дистилляции щелочное вещество, содержащееся в полученном щелочном водном электролите в количестве, составляющем приблизительно 1,2 м³, отделяют и удаляют с помощью испарителя 3. В результате получают дистиллированную воду, содержащую приблизительно 1 м³ трития. Операции, проводимые после выполнения второго этапа электролиза щелочной воды, могут быть завершены в течение 1 месяца или в течение приблизительно подобного срока даже при наличии существенных перерывов в работе.

Кроме того, полученный в конечном итоге 1 м³ тритиевой воды может быть практически полностью превращен в тритиевый газ электролизом в менее крупномасштабном электролитическом устройстве. То есть количество отходов тритиевой воды может быть практически сведено к нулю.

При повторении операций этапа повторения реальный верхний предел рабочих концентраций установки был установлен равным 32% масс. Однако обработка может быть проведена при содержании, составляющем от 40 до 50% масс. Например, если одновременно образующиеся легкий водород и тритиевый газ выбрасывают без соответствующего фракционирования вовне через систему водяного затвора, то процент конверсии тритиевого газа слегка изменяется в соответствии с отношением между снижением содержания электролита и повышением концентрации щелочи. Однако процент конверсии тритиевого газа на каждой стадии определяют при сверке процента конверсии, изменяющегося с течением времени, с исходным процентом конверсии в соответствии с 10-кратным изменением концентрации и скоростью изменения при конечной концентрации. Один из примеров представлен ниже.

Например, при обработке 1 л воды (55,6 моль воды) электролизом в периодическом режиме до повышения концентрации щелочи в 10 раз (т.е. 1 л → 0,1 л), объем газообразного водорода, образующегося на катоде, в стандартных условиях увеличивается в 1120 раз (55,6×0,9×22,4 л). Это означает, что тритий разбавляется газом, образующимся на катоде. Таким образом, при таком отношении разбавления из 4,2×10⁶ Бк/л трития, содержащегося в сырой воде, получается концентрация трития, составляющая 3,37×10³ Бк/л (=4,2×10⁶ Бк/л×0,9/1120), то есть концентрация, составляющая менее 1/20 от величины норматива допустимых сбросов тритиевого газа.

Коэффициент разделения = Концентрация трития, содержащегося в "обрабатываемой воде" до обработки / Концентрация трития, содержащегося в "обрабатываемом газе" после обработки = (4,2×10⁶ Бк/л / 4,2 × 10⁶/1120 Бк/л = 1120)

При этом, поскольку тритиевая вода (НТО) превращается в тритиевый газ (НТ), и нормированная доза, которая является индикатором уровня влияния излучения на живые организмы, составляет 1/10000, коэффициент разделения с учетом эффективной нормированной дозы составляет:

Коэффициент разделения = 11200000

Для сокращения времени, требуемого для снижения объема, период времени может быть сокращен пропорционально повышению плотности тока. Тем не менее, учитывая потребляемую в способе мощность, а также стабильность и безопасность работы, величина плотности тока, естественно, имеет предел. В настоящее время верхний предел плотности тока при электролизе щелочной воды составляет приблизительно 60 А/дм².

(5) Пятый Аспект осуществления и Шестой Аспект осуществления

Пятый аспект осуществления относится к способу обработки большого количества сырой воды, содержащей тритиевую воду, которая содержит большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы. Как показано на Фиг. 4, предварительным этапом, выполняемым перед проведением первого этапа электролиза щелочной воды (непрерывного щелочного электролиза) в рассмотренной выше системе (I) электролиза щелочной воды, является первый этап дистилляции (удаление солевой суспензии). На Фиг. 4 дистилляционная система, применяемая для выполнения первого этапа дистилляции, показана в верхнем левом углу, а система (I) электролиза щелочной воды для выполнения первого этапа электролиза щелочной воды представлена в верхнем правом углу. Как показано на Фиг. 4, пятый аспект осуществления аналогичен описанному выше первому аспекту осуществления за исключением того, что перед проведением первого этапа электролиза щелочной воды присутствует предварительный этап, т.е. этап дистилляции для удаления большого количества загрязняющих примесей из сырой воды. Поскольку детали проведения первого этапа дистилляции идентичны соответствующим аспектам шестого аспекта осуществления, их рассмотрение приведено ниже.

Так же, как и пятый аспект осуществления, шестой аспект осуществления перед проведением первого этапа электролиза щелочной воды (непрерывного электролиза щелочной воды) включает выполнение предварительного этапа, т.е. первого этапа дистилляции (удаление солевой суспензии) в рассмотренной выше системе (I) электролиза щелочной воды, и после выполнения первого этапа электролиза щелочной воды проведение предварительного этапа (I), который включает повторение второго этапа дистилляции и второго этапа электролиза щелочной воды, которые составляют систему (II) электролиза щелочной воды, представленной на Фиг. 2 и рассмотренной при описании четвертого аспекта осуществления обработки в периодическом режиме электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды. В частности, шестой аспект осуществления состоит из следующих этапов, которые также представлены на Фиг. 5:

(0) первый этап дистилляции (удаление солевой суспензии), представляющий собой предварительный этап;

(i) (I) первый этап электролиза щелочной воды (непрерывный электролиз щелочной воды), проводимый для сырой воды, из которой были удалены загрязняющие примеси;

(ii) второй этап дистилляции (отделение и извлечение первой щелочной солевой суспензии) электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, составляющий систему (I) электролиза щелочной воды;

(iii) второй этап электролиза щелочной воды, где вода представляет собой воду, содержащую тритиевую воду, полученную после проведения второго этапа дистилляции;

(iv) третий этап дистилляции (отделение и извлечение второй щелочной солевой суспензии) электролита, оставшегося после проведения второго этапа электролиза щелочной воды, который составляет систему (II) электролиза щелочной воды;

(v) третий этап электролиза щелочной воды, которая включает воду, содержащую тритиевую воду, полученную после выполнения третьего этапа дистилляции;

(vi) четвертый этап дистилляции (отделение и извлечение третьей щелочной солевой суспензии) электролита, оставшегося после проведения третьего этапа электролиза щелочной воды;

(vii) четвертый этап электролиза щелочной воды, полученной при выполнении четвертого этапа дистилляции; и

(viii) пятый этап дистилляции (отделение и извлечение четвертой щелочной солевой суспензии) электролита, оставшегося после проведения четвертого этапа электролиза щелочной воды.

Далее шестой аспект осуществления рассмотрен на примере обработки 800000 м³ сырой воды, содержащей тритиевую воду, т.е. большого количества сырой воды, содержащей тритиевую воду, которая содержит большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы. На Фиг. 4 представлена технологическая схема шестого аспекта осуществления системы электролиза щелочной воды согласно настоящему изобретению, которую применяют для обработки, если в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, содержащую большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, причем способ включает: первый этап дистилляции, представляющий собой предварительный этап электролиза, выполняемый для удаления загрязняющих примесей; первый этап электролиза щелочной воды, представляющий собой систему (I) электролиза щелочной воды, в которой проводят непрерывный электролиз, поддерживая постоянную концентрацию щелочи; второй этап дистилляции, в котором в системе (II) электролиза щелочной воды извлекают щелочной компонент раствора электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды; и второй этап электролиза щелочной воды, представляющий собой электролитическую обработку с доведением электролитической емкости устройства для электролиза щелочной воды до величины емкости, соответствующей обработке того количества раствора электролита, которое осталось после проведения первого этапа электролиза щелочной воды. Кроме того, на Фиг. 5 представлена технологическая схема шестого аспекта осуществления, который представляет собой способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, которая также включает большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, как указано выше.

(0) Первый этап дистилляции, представляющий собой предварительный этап

Если обработке подвергают сырую воду, содержащую большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, то, как показано на Фиг. 4, большое количество сырой воды, включающей загрязненную воду, которая содержит тритиевую воду, направляют из резервуара 1 для хранения сырой воды в первый этап дистилляции через ванну 2 для обработки сырой воды. Сырую воду, подаваемую в ванну 2 для обработки сырой воды, направляют в испаритель 3. После этого солевая суспензия, включающая все загрязняющие примеси, такие как соли, кальций, магний и другие радиоактивные ядра, содержащиеся в сырой воде, хранится в ванне 4, в которую направляют суспензию. Солевая суспензия может храниться в Ti (титановом) резервуаре в течение длительного периода времени. Однако, поскольку Ti является дорогостоящим материалом, солевую суспензию также можно хранить в резервуаре из нержавеющей стали, имеющем покрытие из каучукового материала.

Солевую суспензию направляют в испаритель 5 небольшого размера, и для дополнительного уменьшения объема ее предпочтительно концентрируют и приводят в полутвердое состояние посредством испарения и кристаллизации/сушки. Кроме того, конструкция позволяет конденсировать воду, содержащую тритиевую воду, отогнанную из испарителя 5 небольшого размера, в конденсаторе 6 вместе с водой, содержащей тритиевую воду, отогнанной из испарителя 3, в котором получают вышеуказанную солевую суспензию, и объединенную воду затем направляют с помощью насоса 7 в циркуляционный резервуар 9. В то же время необходимо, чтобы обработка суспензии, содержащей радиоактивные материалы, такая как получение твердой соли, содержащей радиоактивные материалы, хранение твердой соли, текущий ремонт устройства и установки для концентрирования и подобные операции, максимально исключала контакт с людьми. Например, твердую соль, содержащую радиоактивные материалы, хранят в контейнере из нержавеющей стали, имеющем покрытие из каучука, которое отличается долговременной устойчивостью к коррозии. Как рассмотрено ниже, если соль переходит в полутвердое состояние, то ее коррозионные свойства значительно снижаются, то есть снижение объема приводит к серьезным преимуществам.

Например, если загрязняющие примеси удаляют при обработке загрязненной воды, которая содержит 800000 м³ сырой тритиевой воды и в качестве ванны 2 для обработки сырой воды применяют ванну для обработки, производительность которой составляет 400 м³/сутки, то объем солевой суспензии, полученной в первом этапе дистилляции, т.е. предварительном этапе, составляет 40 м³, то получают жидкость в 10 раз боле концентрированную, чем солевая суспензия.

При выполнении первого этапа дистилляции загрязняющие примеси, являющиеся отходами, могут быть отделены от объема, составляющего 400 м³/сутки, в виде твердой соли и отправлены в сброс в количестве приблизительно 8 м³/сутки. При этом по сравнению с 800000 м³ загрязненной воды, содержащей тритиевую воду, объем отходов, образованных загрязняющими примесями, снижается до 16000 м³ твердой соли (снижение до 1/50). Это означает, что даже если в твердых солевых отходах, не содержится тритий, но радиоактивный материал содержит следовые количества Со, то такой радиоактивный материал также концентрируют в 50 раз по сравнению с его первоначальной концентрацией.

(i) Первый этап электролиза щелочной воды (непрерывный щелочной электролиз), составляющий систему (I) электролиза щелочной воды

Как показано выше, согласно шестому аспекту осуществления (а также пятому аспекту осуществления), объем солевой суспензии, отделяемой от сырой воды, которую обрабатывают с производительностью 400 м³/сутки, составляет 40 м³/сутки, и сырую воду, содержащую тритиевую воду, из которой загрязняющие примеси удалены в виде этой солевой суспензии, конденсируют в конденсаторе 5. Сырую воду направляют с помощью насоса 7 в циркуляционный резервуар 9 системы электролиза щелочной воды, в котором проводят первый этап электролиза щелочной воды, представляющий собой следующий этап, с производительностью 360 м³/сутки. Как указано выше, после отгонки воды и кристаллизации солевой суспензии в испарителе 5 небольшого размера, дистиллированную воду и тритиевую воду извлекают из солевой суспензии, после чего воду, содержащую тритиевую воду, конденсируют в конденсаторе 6 с производительностью 392 м³/сутки.

Согласно шестому аспекту осуществления (а также пятому аспекту осуществления), воду, содержащую тритиевую воду, направляют с помощью насоса 7 в циркуляционный резервуар 9 первого этапа электролиза щелочной воды при расходе от 360 м³/сутки до 392 м³/сутки. Туда же направляют щелочную воду, и содержимое перемешивают, получая электролит с производительностью 400 м³/сутки и концентрацией щелочи 20% масс. Объем электролита в ванне 8 для электролиза щелочной воды составляет 400 м³, и количество электролита в циркуляционном резервуаре 9, трубопроводах или подобном оборудовании составляет 400 м³. Таким образом, емкость всего способа электролиза составляет 800 м³.

При смешивании в циркуляционном резервуаре 9 концентрацию щелочи в электролите доводят до значения 20% масс, и электролит направляют в анодную камеру 16 ванны 8 для электролиза щелочной воды по циркуляционному трубопроводу 10 с помощью подающего насоса 13 и охлаждающего устройства 14. Аналогично производят подачу в катодную камеру 17 ванны 8 для электролиза щелочной воды через циркуляционный трубопровод 11 с помощью подающего насоса 13 и охлаждающего устройства 15.

Электролит, представляющий собой щелочную воду с требуемой концентрацией, направляют при расходе 400 м³/сутки на электролиз в ванну 8 для электролиза щелочной воды. Электролиз электролита проводят с применением диафрагмы. В анодной камере 16 образуется газообразный кислород. Образующийся кислород отделяют от электролита. Отделенный электролит направляют в циркуляционный резервуар 9 по трубопроводу 10 для циркуляции электролита.

В то же время, в катодной камере 17 образуется газообразный водород. Образующийся водород отделяют от электролита. Отделенный электролит направляют в циркуляционный резервуар 9 по трубопроводу 11 для циркуляции электролита. Применение высокой плотности тока может привести к снижению продолжительности электролитической обработки. Плотность тока предпочтительно составляет 20 А/дм³ или более и 60 А/дм³ или менее. Во всем способе электролиза циркулирующее количество жидкого раствора электролита составляет 800 м³. Это количество соответствует конструктивному осуществлению способа, и настоящее изобретение не ограничено указанным количеством. В частности, если заданное количество воды, подвергаемой электролитическому разложению на газы, должно быть небольшим, то обрабатываемое в способе количество также невелико. С другой стороны, если разложение проводят в крупных масштабах, то обрабатываемое в способе количество повышается. Что касается электролиза щелочной воды, то электролиз может быть осуществлен, даже если концентрация составляет 32% масс. Однако, если электролиз осуществляют при концентрации, превышающей указанную, то повышается вязкость раствора электролита, высвобождение образующихся газов из системы замедляется, в результате чего напряжение в ячейке повышается, что приводит к повышению потребления энергии, и, таким образом, подобный способ не является удовлетворительным. Таким образом, в этот момент непрерывный электролиз прекращают, и для разложения электролита на щелочь и воду электролит, оставшийся после проведения первого этапа электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды, направляют во второй этап дистилляции, второй этап электролиза щелочной воды и конечный этап снижения объема в системе (II) электролиза щелочной воды, рассмотренный выше при описании четвертого аспекта осуществления.

Если количество, подвергаемое электролитической обработке, составляет 400 м³/сутки, то все количество сырой воды, включающей загрязненную воду, содержащую тритиевую воду, составляющее 800000 м³, будет обработано за 5,5 лет (800000 м³ ÷ 400 м³/сутки ÷ 365 суток = 5,5 лет). Кроме того, во время работы циркулирующее количество электролита составляет 800 м³, и 800000 м³ воды, содержащей тритиевую воду, будет снижено до 800 м³ в течение 5,5 лет.

Согласно пятому и шестому аспектам осуществления, загрязняющие примеси, содержащиеся в большом количестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, которая содержит загрязняющие примеси, такие как хлорид-ионы, удаляют в виде солевой суспензии способом, представленным на Фиг. 4, и при проведении первого этапа электролиза щелочной воды выполняют электролитическое разложение сырой воды на кислород и водород. Таким образом, тритий, находящийся в виде молекул воды в сырой воде, превращается в молекулу трития и извлекается из сырой воды.

Как показано на Фиг. 4 и 5, в шестом аспекте осуществления после завершения первого этапа электролиза щелочной воды все количество электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, направляют в испаритель 3 дистилляционной системы, как в рассмотренном выше четвертом аспекте осуществления, и обрабатывают аналогичным образом, причем обработка включает следующие этапы:

(ii) второй этап дистилляции (отделение и извлечение первой щелочной солевой суспензии) электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, в виде системы (II) электролиза щелочной воды;

(iii) второй этап электролиза щелочной воды, в котором подвергают электролизу воду, содержащую тритиевую воду, полученную при проведении второго этапа дистилляции;

(iv) третий этап дистилляции (отделение и извлечение второй щелочной солевой суспензии) электролита, оставшегося после проведения второго этапа электролиза щелочной воды;

(v) третий этап электролиза щелочной воды, в котором вода представляет собой воду, содержащую тритиевую воду, полученную при проведении третьего этапа дистилляции;

(vi) четвертый этап дистилляции (отделение и извлечение третьей щелочной солевой суспензии) электролита, оставшегося после проведения третьего этапа электролиза щелочной воды;

(vii) четвертый этап электролиза щелочной воды, полученной в четвертом этапе дистилляции; и

(viii) пятый этап дистилляции (отделение и извлечение четвертой щелочной солевой суспензии) электролита, оставшегося после проведения четвертого этапа электролиза щелочной воды.

Объем электролита, оставшегося после проведения четвертого этапа электролиза щелочной воды, уменьшается до 1,2 м³. При проведении пятого этапа дистилляции полученный в конечном итоге щелочной водный электролит в количестве, составляющем приблизительно 1,2 м³, отделяют и удаляют для последующего извлечения в виде щелочной солевой суспензии с помощью испарителя 3, и при этом получают 1 м³ дистиллированной воды, содержащей тритий.

Операции, проводимые после завершения второго этапа электролиза щелочной воды, могут быть завершены в течение приблизительно 1 месяца даже при наличии значительных перерывов между операциями. 1 м³ тритиевой воды может быть почти полностью превращен в тритиевый газ электролизом при повторении описанной выше обработки в электролитическом устройстве меньшего размера. Таким образом, количество отходов, представляющих собой тритиевую воду, может быть практически сведено к нулю.

Кроме того, согласно рассмотренному выше шестому аспекту осуществления, в качестве оборудования для проведения этапов дистилляции второго, третьего и следующих этапов может быть также применено оборудование, используемое в первом этапе дистилляции, который представляет собой предварительный этап для удаления загрязняющих примесей, таких как большое количество хлорид-ионов, из воды, содержащей тритиевую воду; это позволило бы значительно снизить используемые производственные мощности.

ПРИМЕРЫ

Ниже рассмотрены примеры воплощения настоящего изобретения; тем не менее, настоящее изобретение не ограничено рассмотренными примерами.

Пример 1

Пример Первого аспекта осуществления

В качестве жидкости, имитирующей сырую воду, содержащую тритиевую воду, не содержащую загрязняющих примесей (далее называемой имитирующей жидкостью), использовали жидкость, включающую следующие компоненты:

Имитирующая жидкость: 180 л

Исходная концентрация трития в имитирующей жидкости: 4,2 × 10⁶ Бк/л

Как показано на Фиг. 1, в резервуар 1 для хранения сырой воды помещали 180 л имитирующей жидкости. В проводимом испытании жидкость подавали из резервуара 1 для хранения сырой воды в циркуляционный резервуар 9 через ванну 2 для обработки. В частности, имитирующую жидкость подавали при расходе 9,67 л/сутки из резервуара 1 для хранения сырой воды в циркуляционный резервуар 9 через ванну 2 для обработки с помощью насоса 7. В проводимом испытании при проведении первого этапа электролиза щелочной воды подача электролита, включающего имитирующую жидкость, была непрерывной, и непрерывный электролиз выполняли при циркуляции электролита.

В частности, имитирующую жидкость направляют с помощью насоса 7 в циркуляционный резервуар 9 при расходе 9,60 л/сутки, и туда же направляют щелочную воду, которую смешивают с имитирующей жидкостью, получая с расходом 9,67 л/сутки электролит, в котором концентрация щелочи доведена до величины 20% масс.; непрерывный электролиз проводят при одновременной циркуляции полученного электролита.

Объем электролита в ванне 8 для электролиза щелочной воды составляет 30 л (2 ячеек, где объем каждой ячейки составляет 5 дм² (15 л)), и количество электролита в циркуляционном резервуаре 9, трубопроводах или подобном оборудовании составляет 12 л. Таким образом, объем во всем способе электролиза составляет 42 л. Электролит, концентрация щелочи в котором составляет 20% масс, полученный смешиванием со щелочью в циркуляционном резервуаре 9, подают в анодную камеру 16 ванны 8 для электролиза щелочной воды по циркуляционному трубопроводу 10 через подающий насос 13 и охлаждающее устройство 14. В то же время, электролит направляют в катодную камеру 17 ванны 8 для электролиза щелочной воды по циркуляционному трубопроводу 11 через подающий насос 13 и охлаждающее устройство 15. Электролит, имеющий концентрацию 20% масс. щелочной воды, подвергают электролизу в присутствии диафрагмы. Газообразный кислород образуется в анодной камере 16, и образующийся газообразный кислород отделяют от электролита газожидкостным разделением. Отделенный электролит направляют в циркуляционный резервуар 9 по трубопроводу 10 для циркуляции электролита. Аналогично, в катодной камере 17 образуется газообразный водород, и образующийся газообразный водород отделяют от электролита газожидкостным разделением. Отделенный электролит направляют в циркуляционный резервуар 9 по трубопроводу 11 для циркуляции электролита.

Как показано выше, в этом примере жидкость, имитирующую сырую воду, подвергали электролизу щелочной воды в соответствии со способом, представленным на Фиг. 1, в результате чего сырая вода разлагалась на кислород и водород. Таким образом, тритий, присутствующий в молекулах воды в сырой воде, выделяют из сырой воды в виде молекул трития. При электролизе вода разлагается только на газообразный водород и газообразный кислород. Таким образом, после установления исходной концентрации щелочи, электролиз проводят при добавлении в циркулирующий электролит сырой воды (имитирующей воды) в количестве, соответствующем воде, расходуемой при электролизе. Кроме того, при необходимости, для поддержания концентрации щелочи на исходном уровне к сырой воде может быть добавлена дистиллированная вода или чистая вода.

В представленном примере непрерывный щелочной электролиз первого этапа электролиза щелочной воды выполняют в следующих условиях:

Электролитическая ячейка: применяли 2 ячейки (30 л), каждая из которых имела объем 15 дм² (15 л)

Рабочая плотность тока: 40 А/дм²

Концентрация щелочи: NaOH, 20% масс

Мембрана: диафрагма

Анод / катод: Ni основа + активное покрытие

Циркуляция: Внешняя циркуляционная система

Водяной затвор: система водяного затвора для регулирования давления газа

Катодное давление: 50-100 мм H₂O

Объем электролита: 42 л (электролитическая ячейка: 15 × 2 = 30 л, циркуляционный трубопровод или подобное оборудование: 12 л)

Ток электролиза: 600 А (15 дм² × 40 А/дм²)

Как указано выше, при проведении непрерывного электролиза сырую воду (имитацию воды) в количестве, соответствующем разложенном при электролизе объему воды, непрерывно направляют в способ, и физические параметры процесса, такие как количество жидкости в электролитической ванне или количество, извлекаемое циркуляционным насосом, поддерживают на постоянном уровне в течение всего способа. При непрерывной подаче сырой воды концентрацию трития в способе поддерживают на уровне величины его концентрации в имитирующей жидкости, и при этом в электролитической ванне тритий не является концентрированным. Таким образом, в условиях проведения этой непрерывной операции соотношение в газе, образующемся при электролизе, соответствует отношению концентрации легкой воды к концентрации тритиевой воды.

Подвергаемое циркуляции количество жидкости при электролизе составляло 42 л, и в течение 15,2 суток (365 часов) из 180 л воды, содержащей тритиевую воду, было получено 42 л.

Ниже рассмотрено удаление трития в результате проведения непрерывной работы в течение 15,2 суток (365 часов), считая от начала операции.

Коэффициент разделения = Концентрация трития, содержащегося в сырой воде до обработки / Концентрация трития, содержащегося в сыром, разложенном на газы материале после обработки = (4,2 × 10⁶ Бк/л) / (4,2 × 10⁶/1244 Бк/л) = 1244

При учете эффективной нормированной дозы как степени влияния трития (НТ) на живые организмы коэффициент разделения будет следующим:

Коэффициент разделения = 12440000

Таким образом, по мере превращения тритиевой воды (НТО), содержащейся в большом объеме воды, содержащей тритиевую воду, в тритийсодержащий газ (НТ), концентрация трития снижается до 1/1244, что приводит к значительному снижению влияния трития на живые организмы.

Пример 2

Пример Второго аспекта осуществления

Разбавленный тритиевый газ был выпущен в атмосферный воздух в количестве, составляющем 1/20 от величины норматива допустимых сбросов, и выведен на значительную высоту без контакта с живыми организмами.

Пример 3

Пример Третьего аспекта осуществления

Полученный при разложении на газы тритиевый газ, содержащий газообразный водород, не выпускали в атмосферный воздух, а вводили в реакцию с водяным паром. Соответственно, тритий извлекали в виде тритиевой воды (НТО), содержащей воду. Ниже представлено уравнение реакции:

Слой катализатора: H₂O(г)+HT(г)→HTO(г)+H₂(г)

Абсорбционный слой: H₂O(ж)+HTO(г)→HTO(ж)+H₂O(г)

Пример 4

Пример Четвертого аспекта осуществления

(i) Первый этап электролиза щелочной воды (непрерывный щелочной электролиз)

Непрерывный электролиз выполняли в соответствии с процедурой Примера 1, и в течение 15,2 суток (365 часов) объем жидкости, имитирующей воду, содержащую тритиевую воду, составляющий 180 л, был уменьшен до 42 л.

(ii) Второй этап дистилляции

Как показано на Фиг. 2 и 3, после завершения первого этапа электролиза щелочной воды, все количество электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, подавали в испаритель 3 дистилляционной системы, и отогнанную в испарителе 3 воду, содержащую тритиевую воду, конденсировали в конденсаторе 6. После извлечения воды, ее подавали в циркуляционный резервуар 9 системы электролиза щелочной воды с помощью насоса 7. Кроме того, щелочную воду, содержащуюся в электролите, оставшемся после проведения первого этапа электролиза щелочной воды, извлекали в виде щелочной солевой суспензии из ванны 4, в которую направляли суспензию. Для дополнительного снижения объема суспензию направляли в испаритель 5 небольшого размера и подвергали испарению, кристаллизации/ сушке и подобным операциям для концентрирования суспензии и ее приведения в полутвердое состояние.

Как показано выше, количество жидкого электролита составляло 42 л, и концентрация щелочи составляла 20% масс. Таким образом, объем щелочной солевой суспензии, извлекаемой при проведении второго этапа дистилляции, составлял 8,4 л. Извлеченную щелочную солевую суспензию концентрировали и затем отделяли в виде твердого вещества. Для дополнительного снижения объема ее направляли в испаритель 5 небольшого размера для проведения испарения и кристаллизации/сушки. Соответственно, может быть извлечено приблизительно 5 л (удельная масса 2,13), т.е. 10,5 кг (10,5 / (42+10,5) × 100 = 20% масс.) отвержденной щелочи в количестве, которое соответствует количеству щелочи, имеющемуся до проведения электролиза.

(iii) Второй этап электролиза щелочной воды

Электролит, получаемый при проведении второго этапа дистилляции и направляемый в циркуляционный резервуар 9, извлекали и удаляли в виде 8,4 л щелочной солевой суспензии, которая содержит только воду, содержащую тритиевую воду. Количество воды, содержащей тритиевую воду, составляет 42-8,4 = 33,6 л. В то время как эту тритиевую воду направляли в циркуляционный резервуар 9, в циркуляционный резервуар 9 добавляли свежую щелочную воду. В циркуляционном резервуаре 9, в котором воду, содержащую тритиевую воду, смешивают со щелочной водой, количество электролита доводили до объема 42 л, и полученный электролит подавали в устройство 8 для электролиза щелочной воды.

Емкость устройства 8 для электролиза щелочной воды, применяемого для электролиза, сначала устанавливают равной емкости первого этапа электролиза щелочной воды, после чего начинают электролиз. Что касается щелочной воды, то на начальной стадии было подготовлено приблизительно 5% масс, щелочного водного электролита. Плотность тока составляла 20 А/дм², и ее оставляли на этом уровне при проведении последующих третьего и четвертого этапов электролиза щелочной воды.

Поскольку при проведении второго этапа электролиза щелочной воды в системе (II) электролиза щелочной воды дополнительное добавление сырой воды не производится, и находящаяся в сырой воде вода (имитирующая жидкость) разлагается и удаляется, количество электролита уменьшается, и в то же время происходит концентрирование щелочной воды. Таким образом, посредством регулирования поточного клапана может быть уменьшено количество рабочих линий электролитической ванны. Если электролит сконцентрирован в 5,25 раза, то концентрация щелочи возрастает с 5% масс, до 26,25% масс, и объем электролита (42 л) уменьшается следующим образом: 42/5,25 = 8 л.

Процедуру второго этапа электролиза щелочной воды проводили так же, как и процедуру первого этапа электролиза щелочной воды.

(iv) Третий этап дистилляции, этап повторения

При проведении этапа повторения повторяли второй этап дистилляции и второй этап электролиза щелочной воды при постепенном снижении емкости устройства для электролиза щелочной воды; при этом находящаяся в сырой воде тритиевая вода (НТО) была превращена в газы, включающие тритиевый газ (НТ), и был дополнительно уменьшен объем воды, содержащей тритиевую воду.

После проведения второго этапа электролиза щелочной воды в третьем этапе дистилляции получали и извлекали щелочную солевую суспензию. Для дополнительного снижения объема щелочную солевую суспензию направляли в испаритель 5 небольшого размера и подвергали испарению, кристаллизации/сушки, и затем извлекали в виде твердой щелочи. После этого, в соответствии с процедурой третьего этапа электролиза щелочной воды, начинали электролиз 8 л электролита в ванне 8 для электролиза щелочной воды. Испытание проводили при постепенном уменьшении количества элементов до тех пор, пока электролит не был сконцентрирован в 4 раза. Поскольку концентрация щелочи возросла с 5% масс. до 20% масс., работу электролитической ванны регулировали в соответствии с имеющимся объемом, составляющим 2 л. В результате обработки из 8 л электролита получали 2 л.

По завершении второго этапа электролиза щелочной воды работа может быть завершена в течение приблизительно 1 месяца даже при наличии существенных перерывов между интервалами работы, но следует учитывать, что на продолжительность работы значительно влияет величина плотности тока.

Пример 5

Пример Пятого аспекта осуществления

(0) Первый этап дистилляции, представляющий собой предварительный этап

В качестве жидкости, имитирующей сырую воду, включающую загрязненную воду, содержащую тритиевую воду, которая содержит большое количество загрязняющих примесей, использовали имитирующую жидкость, содержащую следующие компоненты.

Имитирующая жидкость: 180 л

Исходная концентрация трития в сырой воде: 4,2 × 10⁶ Бк/л

Компоненты и концентрации загрязняющих примесей:

Поваренная соль: 10 г/л

Кальций: 2 части на миллион

Магний: 5 частей на миллион

Как показано в верхней части Фиг. 4, 180 л имитирующей жидкости подавали из резервуара 1 для хранения сырой воды в ванну 20 для обработки сырой воды. Ванна 20 для обработки сырой воды представляла собой ванну для обработки, производительность которой составляла 9,67 л/сутки. Имитирующую жидкость, подаваемую в ванну 20 для обработки сырой воды, направляли в испаритель 3, и все находящиеся в имитирующей жидкости загрязняющие примеси, такие как соли, кальций и магний, удаляли в виде 18 л солевой суспензии.

При этом 18 л солевой суспензии направляли в испаритель 5 небольшого размера и подвергали испарению и кристаллизации/сушке для дополнительного снижения объема. Соответственно, после концентрирования и приведения суспензии в полутвердое состояние получали 0,9 л отвержденной соли.

Таким образом, 180 л имитирующей жидкости превращали в 0,9 л твердых солевых отходов, включающих загрязняющие примеси.

Воду, содержащую тритиевую воду, отогнанную из испарителя 5 небольшого размера для сырой воды, конденсировали в конденсаторе 6 вместе с водой, содержащей тритиевую воду, испаренной в испарителе 3, и с помощью насоса 7 направляли в циркуляционный резервуар 9. Расход воды, содержащей тритиевую воду, составлял 9,60 л/сутки.

(i) Первый этап электролиза щелочной воды в системе (I) электролиза щелочной воды

Воду, содержащую тритиевую воду, обработанную, как указано выше, подавали при расходе 9,60 л/сутки с помощью насоса 7 в циркуляционный резервуар 9 системы электролиза щелочной воды, которую применяли для проведения последующего этапа, т.е. первого этапа электролиза щелочной воды. При проведении первого этапа электролиза щелочной воды, воду, содержащую тритиевую воду, подавали непрерывно способом, рассмотренным в Примере 1, то есть электролиз проводили при циркуляции электролита.

Пример 6

Пример Шестого аспекта осуществления

Как показано на Фиг. 4 и 5, после завершения (i) первого этапа электролиза щелочной воды, (ii) второй этап дистилляции, (iii) второй этап электролиза щелочной воды, а также этап повторения проводили как в способе, рассмотренном в Примере 4.

Промышленная применимость

Согласно настоящему изобретению, при превращении в газ тритиевой воды (НТО), содержащейся в воде, содержащей тритиевую воду, в результате чего получают тритиевый газ (НТ) и газообразный кислород, и при снижении концентрации трития до 1/1244, может быть значительно снижена степень влияния трития на живые организмы, и тритий может быть выведен на значительную высоту без контакта с живыми организмами. Полученный в результате разложения на газы тритиевый газ, содержащий газообразный водород, также может быть введен в реакцию с водяным паром и извлечен в виде тритиевой воды (НТО), содержащей воду. Кроме того, согласно настоящему изобретению, даже если сырая вода, содержащая тритиевую воду, содержит большое количество загрязняющих примесей, таких как хлорид-ионы, она может быть подвергнута непрерывному электролизу после предварительного удаления содержащихся в ней загрязняющих примесей в виде солевой суспензии, что также позволяет достичь упомянутого выше результата. Кроме того, поскольку находящиеся в сырой воде загрязняющие примеси могут быть извлечены в виде щелочной солевой суспензии, это может быть учтено при выделении площадей под установку и при расчете затрат на строительство и обслуживание установки, и, таким образом, вклад настоящего изобретения в промышленное производство может быть очень значительным.

Список обозначений

1: Резервуар для хранения сырой воды 2: Ванна для обработки сырой воды 3: Испаритель 4: Ванна, в которую направляют суспензию 5: Испаритель небольшого размера 6: Конденсатор 7: Насос 8: Ванна для электролиза щелочной воды 9: Циркуляционный резервуар 10, 11: Трубопроводы для циркуляции электролита 12,13: Подающий насос 14, 15: Охлаждающее устройство 16: Анодная камера для размещения анода 17: Катодная камера для размещения катода 18: Диафрагма для отделения анодной камеры 16 от катодной камеры 17 19: Резервуар для хранения электролита, оставшегося после проведения первого этапа электролиза щелочной воды 20: Ванна для обработки

Изобретение относится к способу обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, включает: подачу части сырой воды, содержащей тритиевую воду, и щелочной воды в циркуляционный резервуар; смешивание сырой воды со щелочной водой в циркуляционном резервуаре с образованием электролита, имеющего требуемую концентрацию щелочи; и непрерывный электролиз электролита при циркуляции электролита, при проведении которого сырую воду, находящуюся в резервуаре для хранения, подвергают электролизу щелочной воды и таким образом превращают сырую воду в газ. Превращение сырой воды, содержащей тритиевую воду, в газ посредством электролиза щелочной воды снижает до 1/1244 концентрацию трития в тритийсодержащем газообразном водороде, при этом может быть снижен объем сырой воды, содержащей тритиевую воду. Изобретение позволяет произвести прямое разложение дистиллированной воды, а также позволяет проводить электролиз при высоких значениях электрического тока, что позволит сократить время проведения электролиза. 10 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, отличающийся тем, что сырую воду, содержащую тритиевую воду, подвергают обработке на первом этапе электролиза щелочной воды, включающем следующие этапы:

(1) подачу части сырой воды, содержащей тритиевую воду, и щелочной воды в циркуляционный резервуар;

(2) смешивание сырой воды со щелочной водой в циркуляционном резервуаре с образованием электролита, имеющего требуемую концентрацию щелочи, подачу электролита в устройство для электролиза щелочной воды и проведение электролитической обработки;

(3) непрерывную подачу сырой воды в циркуляционный резервуар в количестве, соответствующем объему сырой воды, израсходованной при проведении электролитической обработки, для сохранения установленной изначально концентрации щелочи, и продолжение электролитической обработки при циркуляции электролита для проведения непрерывного электролиза щелочной воды;

(4) превращение сырой воды в тритийсодержащий газообразный водород и газообразный кислород, в результате чего концентрация трития снижается до 1/1244 от концентрации трития в сырой воде; и

(5) снижение объема сырой воды.

2. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по п. 1, в котором тритийсодержащий газообразный водород, образующийся в первом этапе электролиза щелочной воды, выводят в атмосферный воздух.

3. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по п. 1, в котором тритийсодержащий газообразный водород, образующийся в первом этапе электролиза щелочной воды, направляют в колонну, содержащую катализатор, где тритийсодержащий газообразный водород реагирует с водяным паром на катализаторе, которым заполнена колонна, и тритий извлекают в виде водного концентрата, содержащего тритиевую воду.

4. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по п. 1, включающий:

первый этап электролиза щелочной воды, предназначенный для проведения непрерывного электролиза щелочной воды;

второй этап дистилляции, в котором после завершения первого этапа электролиза щелочной воды все количество электролита, оставшееся после выполнения первого этапа электролиза щелочной воды, направляют в испаритель, находящийся в электролите щелочной компонент извлекают в виде щелочной солевой суспензии, и одновременно получают воду, содержащую тритиевую воду, отогнанную в испарителе; и

второй этап электролиза щелочной воды, в котором в циркуляционный резервуар направляют воду, содержащую тритиевую воду, полученную во втором этапе дистилляции, и свежую щелочную воду; воду, содержащую тритиевую воду, смешивают в циркуляционном резервуаре со свежей щелочной водой с образованием раствора электролита, имеющего требуемую концентрацию щелочи; электролитическую емкость устройства для электролиза щелочной воды устанавливают равной величине, подходящей для обработки заданного количества электролита; выполняют электролиз щелочной воды и последующую обработку в периодическом режиме; воду, содержащую тритиевую воду, превращают в газ, состоящий из тритийсодержащего газообразного водорода и газообразного кислорода, так, что концентрация трития снижается до 1/1244 от концентрации трития в воде, содержащей тритиевую воду, и уменьшается объем сырой воды;

при необходимости способ дополнительно включает этап многократного повторения второго этапа дистилляции и второго этапа электролиза щелочной воды до завершения обработки в периодическом режиме, причем во время многократного повторения емкость устройства для электролиза щелочной воды, применяемого для проведения второго этапа электролиза щелочной воды, постепенно понижают, и обработку повторяют.

5. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по п 1, в котором, если в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, которая содержит загрязняющие примеси, включающие большое количество хлорид-ионов, то в первый этап электролиза щелочной воды дополнительно включают предварительный этап, а именно первый этап дистилляции для удаления загрязняющих примесей, и при проведении первого этапа дистилляции сырую воду, которая содержит загрязняющие примеси, включающие хлорид-ионы, направляют в испаритель, и загрязняющие примеси удаляют в виде солевой суспензии, и при этом одновременно отводят сырую воду, содержащую тритиевую воду, полученную после удаления загрязняющих примесей, которую непрерывно направляют на обработку в первый этап электролиза щелочной воды.

6. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по п. 4, в котором, если в качестве сырой воды, содержащей тритиевую воду, используют сырую воду, которая содержит загрязняющие примеси, включающие большое количество хлорид-ионов, то в первый этап электролиза щелочной воды включают предварительный этап, а именно первый этап дистилляции для удаления загрязняющих примесей, и при проведении первого этапа дистилляции сырую воду, которая содержит загрязняющие примеси, включающие хлорид-ионы, направляют в испаритель, и загрязняющие примеси удаляют в виде солевой суспензии, и при этом одновременно отводят сырую воду, содержащую тритиевую воду, полученную после удаления загрязняющих примесей, которую непрерывно направляют на обработку в первый этап электролиза щелочной воды.

7. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по п. 5 или 6, в котором при проведении первого этапа дистилляции производят концентрирование солевой суспензии, которую затем отделяют и извлекают в виде твердого вещества.

8. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по пункту 4, в котором при проведении второго этапа дистилляции производят концентрирование щелочной солевой суспензии, которую затем отделяют и извлекают в виде твердого вещества.

9. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по п. 4, в котором при проведении первого этапа электролиза щелочной воды в качестве щелочной воды используют воду с относительно высокой концентрацией щелочи, и электролитическую обработку проводят при относительно высокой плотности тока, а при проведении второго этапа электролиза щелочной воды в качестве щелочной воды используют воду с относительно низкой концентрацией щелочи, и электролитическую обработку проводят при относительно низкой плотности тока.

10. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по п 1, в котором при проведении первого этапа электролиза щелочной воды в качестве щелочной воды используют щелочную воду с концентрацией щелочи 15 мас.% или более, и электролитическую обработку проводят при плотности тока, составляющей 15 А/дм² или более.

11. Способ обработки сырой воды, содержащей тритиевую воду, по пункту 4, в котором при проведении второго этапа электролиза щелочной воды в качестве щелочной воды используют щелочную воду с концентрацией щелочи от 2 до 10 мас.% или более, и электролитическую обработку проводят при плотности тока, составляющей от 5 до 20 А/дм².