Для очистки воды от взвешенных частиц наряду с соосаждением используется фильтрация воды через слой зернистого материала. Очистка воды фильтрацией обусловлена, с одной стороны, адгезией взвешенных частиц на поверхности материала зернистого слоя, а с другой — механическим задержанием взвеси в порах, образованных зернами фильтрующего материала.
Чтобы произошла адгезия, необходимо сближение частиц. В сближении частиц взвеси с зернами фильтрующего материала участвуют гравитационные силы и силы инерции. При малой скорости фильтрации наибольшую роль играют силы тяжести. При увеличении скорости движения жидкости по каналам между зернами частицы взвеси, двигаясь по инерции, отклоняются от направления движения жидкости и подходят к поверхности зерен фильтрующего материала. Если взвешенные частицы и фильтрующий материал имеют разные знаки заряда, то в процессе сближения участвуют и электрические силы.
Различают два режима фильтрации через слой зернистого материала — медленный и быстрый.
Для медленной фильтрации характерны низкие скорости и, следовательно, очень большие площади фильтрующей поверхности, измеряемые несколькими тысячами квадратных метров. В практике обработки радиоактивных вод такой способ применялся в виде фильтрации радиоактивных водг содержащих большое количество моющих веществ (воды спецдушевых), через песчаный грунт, так называемые поля фильтрации. При медленном просачивании воды через песок в самом верхнем его слое толщиной в несколько сантиметров на поверхности песчинок образуется тонкая илистая пленка, состоящая из биологической массы — продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Эта пленка выполняет основную функцию по очистке воды от органических и радиоактивных загрязнений. Очистка осуществляется как простым фильтрованием взвешенных радиоактивных частиц, так и сорбцией и биологическим поглощением растворенных и коллоидных радионуклидов.
В самом верхнем слое песка толщиной около 8 см сосредоточено 90 % всех радиоактивных продуктов; в следующем слое (толщиной около 20 см) — 8, а в остальном материале (толщиной примерно 170 см) — только 2%. Наиболее полно удаляются при этом радионуклиды Zr-95, Y-91, Се-144, по которым Коч=5-30. Хуже удаляются Sr-90, Ru-106, 1-131 (Коч<2).
Недостатком медленной фильтрации является наличие большого количества радиоактивного песка (верхний слой), сбор и удаление которого на захоронение представляют серьезные технические трудности. Промывка песка нерациональна, так как образуется большое количество жидких радиоактивных отходов, требующих дальнейшей переработки.
Очистка методом быстрой фильтрации осуществляется посредством пропуска воды под напором, создаваемым насосом, через слой крупнозернистого (насыпные фильтры) либо порошкообразного (намывные фильтры) фильтрующего материала. Выпускаемые промышленностью крупнозернистые фильтрующие материалы имеют размер частиц от 0,3 до 1,5—2, порошкообразные от 0,04 до 0,08 мм.
При быстрой фильтрации хорошо удаляются только радионуклиды, предварительно связанные с хлопьями коагулянта или сорбированные на продуктах коррозии, например окислах железа. Поэтому быстрая фильтрация используется чаще всего совместно с объемной коагуляцией в качестве предварительной ступени очистки. Хорошо сорбируются радионуклиды коррозионного и осколочного происхождения, находящиеся в дисперсном состоянии: Сг-51, Мn-54, Fe-59, Cu-64, Zr-95, La-140, Се-144, для них Коч=15-20. Хуже удаляются радионуклиды, находящиеся в ионном состоянии: Na-24, Co-60, Sr-90, Ru-106, 1-131, Cs-137, Ba-140. При использовании в качестве фильтрующего материала активированного угля степень очистки от радионуклидов Ru и I повышается и составляет соответственно около 95 и 83% (Коч= 20 и 6). Коэффициент очистки при быстрой фильтрации зависит от активности исходной воды и возрастает с ее увеличением.
Для более эффективной очистки воды фильтрующий материал должен иметь максимально высокое сродство к продуктам коррозии и высокую пористость. Этим условиям удовлетворяют используемые в ядерной энергетике перлит, диатомит, активированный уголь и искусственные высокотемпературные сорбенты (см. § 11.1).
Эффективно удаляют взвешенные вещества материалы, вблизи поверхности которых частицы взвеси теряют свой электрический заряд, в результате чего улучшаются условия слипания и образования более крупных агрегатов. Примером таких материалов являются иониты, вблизи поверхности которых имеется диффузионный слой противоионов. Так как частицы продуктов коррозии имеют, как правило, отрицательный заряд, в качестве загрузки механических фильтров должны использоваться катиониты, причем предпочтение должно быть отдано материалам с развитой поверхностью, например сульфоуглю.
Использование анионитов менее эффективно, так как в их диффузионном слое отрицательно заряженные частицы получают дополнительный заряд, что приводит к их взаимному отталкиванию и проскоку через фильтрующий материал. Хорошим фильтрующим материалом для механических фильтров в условиях ЛЭС является смешанная загрузка (катионит плюс анионит), хорошо задерживающая частицы продуктов коррозии, имеющих как отрицательный, так и положительный заряды.
В процессе улавливания взвешенных частиц фильтрующий материал загрязняется, в результате чего возрастает его гидравлическое сопротивление или наблюдается проскок взвешенных частиц в фильтрат. Последнее характерно для активированного угля и искусственных высокотемпературных сорбентов.
Для удаления загрязнений фильтрующий материал промывают током воды снизу вверх с расходом, обеспечивающим расширение загрузки примерно в 1,5 раза, что позволяет зернам фильтрующего материала свободно перемещаться в потоке воды. Отрывающиеся с поверхности зерен частицы загрязнений и измельченные частицы фильтрующего материала удаляются вместе с водой. Для повышения эффективности промывки 1 и снижения расхода промывочной воды производится взрыхление фильтрующего материала сжатым воздухом.
Загрязненный фильтрующий материал намывных фильтров (см. § 12.3) не промывается, а совместно с радиоактивными загрязнениями удаляется на захоронение. Высокотемпературные сорбенты помимо водной промывки подвергаются химической регенерации растворами кислот. Периодической регенерации подвергаются также катиониты в механических фильтрах.*
*Значительное повышение эффективности очистки фильтрующего материала достигается применением ультразвука. Описание устройств для этого приведено в книге Л. М. Блянкмена «Очистка фильтрующих материалов», Энергоиздат, 1981, 104 с.
