Ионный обмен широко применяется при обработке природной воды и конденсата на ТЭС и АЭС и подробно описан в соответствующих учебниках. Сущность ионного обмена заключается в извлечении из водных растворов различных ионов посредством обмена их на другие ионы, входящие в состав фильтрующих материалов ионитов.
Обработка воды методом ионообмена заключается в пропуске ее через слой ионитов, загруженных в насыпной фильтр или намытых тонким слоем в намывном фильтре.
Удаление из воды радионуклидов способом ионного обмена основано на том, что многие радионуклиды находятся в воде в виде ионов или коллоидов, которые при соприкосновении с ионитом также сорбируются фильтрующим материалом. Адсорбция радиоколлоидов на ионообменных смолах носит физический характер; емкость смол по отношению к коллоидам намного ниже, чем к ионам.
Па полноту поглощения радионуклидов ионитами большое влияние оказывает содержание в воде макроколичеств неактивных элементов, являющихся химическими аналогами радионуклидов. Такими элементами, например, для цезия являются натрий и калий, для стронция — магний и кальций. При насыщении ионита по неактивному элементу, например по солям жесткости, в фильтрате появляется Sr-90. Поэтому в практике обработки вод АЭС при очистке относительно засоленных потоков и в тех случаях, когда требуется глубокая очистка от радионуклидов, применяется двухступенчатая схема обработки. В табл. 10.2 приведены коэффициенты очистки для некоторых радионуклидов при двухступенчатой обработке [9].
Таблица 10.2. Степень очистки воды от радионуклидов
Из таблицы видно, что радионуклиды, находящиеся в воде в катионной форме (Sr, Cs), сорбируются преимущественно катионитом, а находящиеся в анионной форме (I)—анионитом. Цирконий, образующий в воде коллоид, сорбируется как катионитом, так и анионитом, при этом коэффициент очистки для него намного ниже, чем для остальных радионуклидов.
Катиониты удаляют всего 10—20 % радионуклида Ru-106, находящегося в форме гидрата. Сильноосновные аниониты позволяют удалять до 80—90 % рутения. Радионуклиды, образующие устойчивые коллоиды, например Со-60, практически не извлекаются ионообменными смолами из нейтральных водных растворов, хотя из кислых дезактивационных растворов (см. § 4.2), в которых кобальт находится в форме катионов, он извлекается достаточно полно.
Коэффициент очистки увеличивается примерно в 10 раз при использовании ионитов в смешанном слое (равномерно перемешанные катионит и анионит), поэтому последние ступени установок оборудуются фильтрами со смешанной загрузкой.
Сорбция ионообменными смолами ионов радионуклида зависит от их заряда в растворе и радиуса с учетом гидратированной сферы, так же как и в случае стабильных элементов. Так, двухвалентный радионуклид Sr-90 сорбируется катионитом в 100 раз лучше, чем одновалентный Cs-137. Аналогичная зависимость наблюдается при сорбции катионитов кальция и натрия.
Коэффициент очистки воды от радионуклидов зависит от pH раствора, и, как правило, он выше при приближении к pH = 7.
С повышением pH коэффициент очистки снижается, так как некоторые радионуклиды осколочного происхождения переходят в коллоиды и проскакивают через слой ионитов. Ниже приведены коэффициенты очистки воды от некоторых радионуклидов, полученные на фильтрах со смешанной загрузкой в схеме очистки воды первого контура двухконтурной АЭС с аммиачно-калиевым водным режимом (см. § 5.2):
Как видно, наиболее значительно по сравнению с обработкой воды при pH≈7 (см. табл. 10.2) снижается коэффициент очистки для радионуклидов цезия и натрия из-за присутствия в воде макроколичеств неактивного калия.
Присутствие органических веществ влияет на процесс очистки воды ионообменными смолами. Во-первых, в результате взаимодействия некоторых радионуклидов с органическими веществами (например, комплексообразующими) могут получиться сложные соединения, не поглощаемые смолами; во-вторых, присутствие в водах органических веществ в значительной степени ухудшает фильтрационные и ионообменные свойства ионитов вследствие поглощения ими органических веществ.
Поэтому в тех случаях, когда вода загрязнена этими веществами, перед ионитными фильтрами предусматривается предварительная очистка, например активированным углем.
Обработка радиоактивных вод способом ионного обмена считается экономически выгодной только при солесодержании воды, не превышающем 1 г/л. В противном случае смолы быстро истощаются. Замена фильтрующего материала ввиду большой стоимости ионитов обходится дорого, а регенерация приводит к появлению большого количества высокоактивных жидких отходов, которые необходимо перерабатывать перед захоронением. Поэтому при обработке высокоминерализованных радиоактивных вод предусматривается предварительное обессоливание их методом дистилляции или обратного осмоса.
К недостаткам ионного обмена следует отнести также высокую стоимость ионитов, большой расход реагентов для регенерации и образование значительных количеств ЖРО, низкую термическую и радиационную стойкость ионитов, низкую эффективность при очистке сильно загрязненных высокоминерализованных вод.
Несмотря на это, благодаря простоте и надежности процесса, малым габаритным размерам установок и достаточно высоким коэффициентам очистки ионный обмен находит применение как для удаления неактивных растворимых веществ, включая двуокись углерода, с целью поддержания чистоты воды контуров АЭС в заданных пределах, так и для глубокой очистки вод от радионуклидов, например де- балансных перед сбросом их в водоем.
