В последние годы изучается возможность использования для обработки радиоактивных вод нетрадиционных методов очистки воды, таких как обратный осмос, электродиализ, флотация, вымораживание и т. д.
Обратный осмос.
Если чистый раствор и растворитель разделены полупроницаемой мембраной, то происходит переход молекул растворителя в раствор с постепенным увеличением объема последнего и уменьшением концентрации. Это явление получило название осмоса, а разность давлений насыщенного пара над чистым растворителем и раствором — осмотического давления, которое прямо пропорционально концентрации растворенного вещества.
Чтобы осуществить обратный переход растворителя из раствора через полупроницаемую мембрану, другими словами, отделить воду от растворенных в ней веществ, необходимо создать перед мембраной давление выше осмотического, чтобы заставить молекулы воды двигаться в направлении, противоположном направлению прямого осмоса (рис. 10.3). Указанный метод очистки воды получил название гиперфильтрации или обратного осмоса.
Рис. 10.3. Принципиальная схема прямого и обратного осмоса:
а — начало осмотического переноса; б — равновесное состояние; в — гиперфильтрация под внешним давлением; 1 — обессоленная вода; 2 — мембрана; 3 — соленая вода
Преимуществами обратного осмоса являются простота, малый расход электроэнергии, независимость от исходной загрязненности воды. Значительной трудностью при осуществлении процесса является подбор мембран, обладающих хорошей однородностью пор с размером 0,35—0,5 мкм и обеспечивающих высокую скорость воды. Наиболее пригодными для практического применения оказались мембраны из ацетилцеллюлозы. Эти мембраны толщиной 0,1—0,25 мм имеют водопроницаемость 5—10 г/(м2-с) при давлении 10— 14 МПа. Стойкость мембран из ацетилцеллюлозы повышается при работе в нейтральной среде и с уменьшением солесодержания обрабатываемой воды. Недостатком ацетилцеллюлозы является постепенная ее деформация под высоким давлением воды.
Эксплуатация промышленных установок на некоторых зарубежных АЭС при обработке радиоактивных вод с солесодержанием до 2 г/л, концентрацией детергентов до 0,3 г/л и активностью до 106 Бк/л показала, что коэффициент дезактивации может составлять 100—500 при общей степени очистки 85—98 %.
При таких показателях обратный осмос становится конкурентоспособным для очистки жидких радиоактивных отходов АЭС. Наибольшее применение он находит при очистке дезактивационных, регенерационных и обмывочных вод, а также вод спецпрачечных и душевых, содержащих большое количество растворенных солей и примесей в коллоидной 1 форме.
1 Потребуется предварительная обработка вод, так как мембраны "отравляются" коллоидными примесями. (Прим. ред.)
Электродиализ.
При пропускании постоянного электрического тока через раствор электролитов катионы и анионы движутся к катоду и аноду и разряжаются на них. Если на пути движения ионов установить полупроницаемые мембраны, селективно пропускающие катионы (одна) и анионы (другая), то можно разделить исходный раствор на чистую воду и концентрированные растворы (рис. 10.4).
Рис. 10.4. Принципиальная схема электродиализатора
В крайних камерах происходит выделение газообразного водорода (катод) и кислорода (анод), т. е. обычный электролиз воды. Этот способ очистки воды от растворенных солей получил название электродиализа. Мембраны в условиях процесса служат только для селективного пропуска катионов и анионов и не требуют регенерации.
При электродиализном способе обработки воды все растворенные ионы удаляются примерно в одинаковой степени. Наиболее легко удаляются одновалентные ионы, наиболее трудно — силикаты.
Мембраны для электродиализа должны обладать высокой селективностью, малой проницаемостью для воды, хорошей электропроводностью, высокой механической и химической стойкостью. Мембраны изготовляются смешиванием тонко измельченных ионитных смол со связующими веществами, в качестве которых используются некоторые виды пластмасс. Полученная смесь отливается на армированную ткань (нейлоновую сетку) и высушивается. Содержание ионитных смол в мембранах составляет 60—80 % их массы, толщина мембран 0,3—0,7 мм.
Пенная флотация
Другой разновидностью метода флотации является пенная флотация. Метод основан на сорбции пеной поверхностно-активных веществ радиоактивных примесей с последующим отделением пены от жидкости. Для обработки воды в нее непрерывно дозируются ПАВ, обладающие хорошими пенообразующими свойствами (алкиламины, сульфонаты и др.), и вдувается мелкими пузырьками воздух. Образующаяся пена захватывает радиоактивные загрязнения, ее снимают с поверхности обрабатываемой воды и разрушают на центрифуге. Получающийся жидкий радиоактивный концентрат может быть подвергнут дальнейшей переработке с целью еще большего концентрирования (§ 15.2) или отправлен на захоронение. Объем концентрата составляет 0,1—1 % объема исходного раствора, а коэффициент очистки, по мнению иностранных специалистов, при обработке воды на четырех — пяти последовательно соединенных установках может быть доведен до 100—1010.
Метод пенной флотации пока не нашел широкого применения, но наличие в радиоактивных сточных водах большого количества ПАВ создает предпосылки для его использования в качестве предварительной ступени очистки радиоактивных вод.
Концентрирование радиоактивных отходов методом вымораживания основано на уменьшении объема осадка при медленном охлаждении пульпы до —10 °C с последующим размораживанием. Считается, что образующиеся при вымораживании кристаллы льда оказывают большое давление на твердые частицы суспензии (примеси, находящиеся в воде во взвешенном состоянии), что приводит к их агломерации и коагуляции. Плотность осадка увеличивается примерно в 10 раз.
В другом варианте очистка радиоактивной воды методом вымораживания заключается в возгонке, т. е. в переводе в газообразное состояние, минуя жидкое, замерзшего при —40°C льда под вакуумом. При этом загрязнения остаются в виде сухого активного порошка. Достоинством этого метода является уменьшение перехода летучих радионуклидов, например Ru-106, из осадка в пар вследствие низкой температуры. При использовании этого метода Коч≈105.
Несмотря на то что вымораживание предположительно будет раз в пять дороже осадительного способа, оно дает возможность получать высокие коэффициенты очистки.
