Водный режим АЭС - Способы обработки радиоактивных вод

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ВОД

§ 10.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При выборе способов обработки радиоактивных вод АЭС необходимо учитывать фазово-дисперсное состояние загрязняющих веществ. Все примеси воды можно разделить на четыре группы. В первую группу входят нерастворимые в воде взвеси, т. е. частички глины, мелкого песка, продукты коррозии в виде нерастворимых окислов и гидроокисей, некоторые органические вещества, например измельченные ионообменные смолы, а также сорбированные на взвеси радионуклиды.
Для удаления этих примесей используют физико-химические процессы, основанные на адгезии — прилипании примесей к поверхности фильтрующих материалов, коагуляции— укрупнении частиц за счет слипания их друг с другом, а также флотации — всплывании частиц на поверхность воды в результате образования насыщенных газами сгустков. Завершают эти процессы механические способы — отстаивание, фильтрация и т. д.
Вторая группа объединяет примеси, находящиеся в коллоидном состоянии (тонкодисперсные образования), и высокомолекулярные вещества. К примесям этой группы относятся минеральные масла, различные моющие препараты, некоторые органические вещества, используемые для дезактивации, радиоколлоиды, а также органо-минеральные частицы почв и грунтов, поступающих с присосами охлаждающей воды (см. § 1.1).

Основным способом очистки воды от этих примесей является соосаждение с коагулянтами. В последнее время находит применение обратный осмос.
Третья группа веществ включает молекулярно-растворимые соединения — растворенные газы и некоторые органические соединения.
Наиболее эффективными процессами удаления из воды веществ этой группы являются дегазация и адсорбция на высокоразвитой поверхности некоторых твердых материалов, например активированных углей.
Четвертая группа включает электролиты — вещества (активные и неактивные), диссоциирующие в воде на ионы. Очистка воды от этих веществ основана на связывании ионов в малорастворимые соединения (соосаждение), удалении из раствора растворителя (воды) и концентрировании примесей в кубовом остатке (дистилляция), наконец на применении ионообменных реакций, протекающих на поверхности твердых ионообменных материалов.
В последнее время для обессоливания воды находят применение такие способы, как обратный осмос, электродиализ.
В табл. 10.1 приведены возможные способы очистки воды как от неактивных примесей, так и от содержащихся в водах АЭС радионуклидов.

Таблица 10.1 Способы очистки вод различных групп

§ 10.2. СООСАЖДЕНИЕ

Соосаждением называется захват примесей (микрокомпонентов) осадком макрокомпонентов. Соосаждение как способ обработки радиоактивных вод находит применение в ядерной энергетике в виде двух методов — объемной коагуляции и соосаждения с кристаллическими осадками.

Объемная коагуляция.

Коагуляцией называют укрупнение коллоидных или грубодисперсных частиц в результате их слияния под действием молекулярных сил сцепления. При обработке воды методом коагуляции радионуклиды осаждаются совместно с осадками гидроокисей алюминия или железа.
Гидроокиси алюминия и железа образуются в результате гидролиза солей этих металлов. В качестве коагулянтов обычно используют сульфаты алюминия и железа, иногда применяют их хлориды. Коагуляцию широко используют при обработке природной воды на ТЭС и АЭС; этот процесс подробно описан в других учебниках.
Так как в результате гидролиза выделяется свободная кислота, то для ее нейтрализации необходимо добавлять щелочь или кальцинированную соду (Na2CO3). Использование соды предпочтительнее, так как карбонаты ряда радионуклидов менее растворимы, чем их гидроокиси. Двуокись марганца получается при восстановлении перманганата калия, например, гидразином:
(10.1)
Кроме растворимых радиоактивных загрязнений коагулянты обеспечивают более полное осаждение взвешенных и коллоидных частиц, содержащихся в воде.
Хлопья гидроокиси железа крупнее и тяжелее хлопьев гидроокиси алюминия, поэтому использование в качестве коагулянта солей железа более удобно. К тому же коагуляция гидроокиси железа удовлетворительно протекает при значениях pH=10-ll, получающихся, например, при известковании, при котором степень очистки от радионуклидов Sr-90 и Cs-137 составляет соответственно 97 и 27 %.
Применение для коагуляции солей алюминия при высоких значениях pH невозможно вследствие образования растворимых алюминатов. Степень очистки от радионуклидов стронция и цезия при рН=7,5-8,5 не превышает 15%. Почти все радионуклиды гидроокисью железа удаляются лучше, чем гидроокисью алюминия.
Двуокись марганца обладает более сильными сорбционными свойствами и образует более плотный осадок. Однако вследствие более высокой стоимости исходных реагентов коагуляция двуокисью марганца применяется в установках небольшой производительности, где к тому же требуется
более высокая очистка, например в схемах регенерации борной кислоты (см. § 13.9).
Степень соосаждения радионуклидов с коагулянтами определяется в первую очередь состоянием их в воде (взвесь, коллоид, ионная форма и др.). Так, радионуклиды Zn, Sr, Zr, Nb, Се, находящиеся в воде в гидролизованной форме, почти полностью извлекаются МnО2. Коэффициент очистки
(10.2)
где Анач и Акон — активность воды до очистки и после составляет 100, в то время как радионуклиды Cs, присутствующие в воде в виде акваионов, двуокисью марганца почти не сорбируются. При pH=3-4 удовлетворительно сорбируется Ru-106, находящийся в этих условиях в коллоидной форме. При изменении pH-сорбция рутения резко снижается.
Гидроокись алюминия удовлетворительно очищает воду от радионуклидов Zr, Nb, Ru, Се (Коч=5-10). Практически не удаляются находящиеся в ионной форме Sr, I, Cs (Коч=1,1-1,2). Несколько увеличивается степень очистки при подщелачивании воды кальцинированной содой вместо щелочи (коэффициент очистки для йода возрастает примерно до 1,35).
При использовании гидроокиси железа удаление радионуклидов происходит лучше, чем при использовании гидроокиси алюминия. Коэффициент очистки для радионуклидов Zr, Nb, Се возрастает до 10—100, для рутения — до 5— 25, для йода — примерно до 1,5.
С целью увеличения степени очистки воды от радионуклидов методом объемной коагуляции процесс интенсифицируют добавлением в обрабатываемую воду сорбентов и реагентов, образующих с радионуклидами труднорастворимые соединения. Например, добавление размолотого (крупность частиц 0,1—0,5 мм) активированного угля увеличивает коэффициент очистки от йода до 3—8, от рутения до 5—8, от циркония до 50, от церия до 100. Добавление нитрата серебра, с которым йод образует труднорастворимое соединение, увеличивает коэффициент очистки для радионуклидов йода до 10—12.

Соосаждение с кристаллическими осадками.

Если радионуклид присутствует в растворе в ионном или молекулярно-дисперсном состоянии, то он может соосаждаться с определенными кристаллическими осадками при их образовании в растворе. При этом соосаждение радионуклидов происходит тем полнее, чем менее растворимо образующееся соединение. Например, при содово-известковом умягче нии происходит осаждение ионов Са2+ и Mg2+ в виде СаСО3 и Mg(OH)2. Способ содово-известкового умягчения широко применяется на установках очистки природной воды на ТЭС и АЭС и подробно описан в соответствующих учебниках.

Обработка воды методом соосаждения является достаточно эффективным способом удаления радионуклидов. Из приведенных приемов наиболее целесообразными являются фосфатная коагуляция и сорбция па двуокиси марганца.
К недостаткам метода следует отнести: большой расход реагентов; сложность процесса, связанную с точной дозировкой реагентов; необходимостью поддержания определенных значений температуры обрабатываемой воды и pH и образование большого количества радиоактивных отходов в виде трудноотстаиваемой пульпы, захоронение которой представляет некоторые трудности.
Поэтому обработка радиоактивных вод методом соосаждения находит применение на АЭС только в качестве предварительной очистки стоков перед термической дистилляцией. Этим способом обрабатывают также концентраты выпарных, аппаратов перед регенерацией борной кислоты.