ФИЛЬТРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ РАДИОАКТИВНЫХ ВОД
§ 11.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОРБЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
В технологии очистки радиоактивных вод используется сорбция, т. е. поглощение твердым телом или жидкостью газов, паров и растворенных веществ. Поглощающее тело называют сорбентом, поглощаемое — сорбатом. На АЭС находят применение только твердые сорбенты, поглощающие вещества своей сильно развитой поверхностью; жидкости применяются в технологии регенерации ядерного топлива.
Сорбенты применяются в основном для очистки воды от дисперсных (продукты коррозии) и коллоидных (масла и т. д.) веществ. Некоторые сорбенты обладают ионообменными свойствами и способны поглощать из воды катионы и анионы, т. е. очищать воду от растворимых солей. К ним относятся природные и синтетические алюмосиликаты (например, цеолиты), гидроокиси и соли тяжелых металлов (например, гидроокись и фосфат циркония), окись титана и др.
В практике обработки радиоактивных вод АЭС нашли применение сорбенты, очищающие воду только от механических и коллоидных примесей. К ним относятся перлит, диатомит (фильтрующие порошки) и активированный уголь.
Перлит — вулканическое стекло с мелкой концентрически-скорлуповатой структурой, раскалывающееся на шарики различного размера. Основными компонентами перлита являются окись кремния и окислы ряда металлов; он содержит до 6 % связанной воды. При быстром нагревании дробленого перлита содержащаяся в нем вода испаряется и вспучивает размельченную породу. При этом объем перлита увеличивается в 10—20 раз, а удельная площадь поверхности достигает 5-105 м2/кг (0,5 квадратных километра!).
Применяемый в ядерной энергетике фильтроперлит представляет собой порошок желто-серого или кремового цвета с размером частиц около 80 мкм. Насыпная масса перлита не более 150 кг/м3. Химический состав фильтрующего порошка по основным компонентам: SiO2>75 %; А12О3<17 %; Na2O + K2O<9%. Материал химически стоек в воде высокой чистоты до температуры 45°C. Фильтроперлит практически не ухудшает качество фильтруемой воды по растворимым примесям: значение pH остается неизменным, а выщелачивание таких загрязнений, как жесткость, железо, кремниевая кислота, находится на уровне 10 мкг в 1 л фильтруемой воды. Сорбционная емкость фильтроперлита по нефтепродуктам (маслам) составляет 0,1 — 0,2 кг/кг.
Фильтроперлит является лучшим сорбционным материалом, применяемым в настоящее время в схемах обработки воды АЭС. Это связано не только с большой химической стойкостью и низкой стоимостью материала (75 руб/м3), но и его способностью образовывать устойчивый фильтрующий слой в намывных фильтрах и легко удаляться гидротранспортом на захоронение, что очень важно для ядерной энергетики. К недостаткам перлита относится его низкая термическая стойкость.
Диатомит — осадочная горная порода, состоящая преимущественно из раковинок диатомовых водорослей, рыхлая или слабосцементированная масса светло-серого или желтого цвета. Химически диатомит на 96% состоит из иодного кремнезема (SiO2·nH2О). Диатомит обладает большой пористостью и способностью к сорбции. Высушенный и размолотый до порошкообразного состояния диатомит используется и качестве сорбционного материала аналогично перлиту, но уступает ему по механической и химической стойкости.
Активированный уголь получают из ископаемых и древесных углей удалением смолистых веществ и созданием разветвленной сети пор, благодаря чему уголь приобретает сильноразвитую поверхность и сорбирует многие вещества, особенно хорошо — углеводороды (масла).
Весьма тонкодисперсные активированные угли получают термическим разложением без доступа воздуха некоторых полимеров, при этом может быть создан фильтрующий материал с удельной площадью поверхности до 100 м2/кг.
В ядерной энергетике для обработки воды нашли применение активированные угли марки ДАК и БАУ-МФ, которые получают при обработке древесного угля водяным паром при температуре 800°C. БАУ получают пиролизом древесины, т. с. нагреванием ее без доступа воздуха при 400—1200 °C.
Активированный уголь представляет собой зерна черною инета размером 1—4 мм; насыпная масса угля равна 200 250 кг/м3. Суммарный объем пор составляет не менее 1,4 м3/кг; удельная площадь поверхности порядка 103 м2/кг. Важной характеристикой угля является зольность, так как зола содержит до 20—30 % солей Са и Mg. Зольность активированных углей марки ДАК и БАУ-МФ составляет 6— 10 %. С целью предотвращения загрязнения воды уголь перед загрузкой в фильтры рекомендуется промывать 5 %-ным раствором соляной или серной кислоты.
В последнее время для очистки циркулирующей воды без снижения температуры разрабатываются высокотемпературные сорбенты на основе магнетита, пористой нержавеющей стали, гранулированного графита, гранулированных окислов тяжелых металлов и их солей. Гранулированные неорганические сорбенты получают на основе окислов тантала, ниобия, циркония, олова, титаиа и некоторых других элементов. В кислых средах эти сорбенты обладают преимущественно анионообменной способностью, в щелочных и нейтральных — катионообменной. Обменная емкость сорбентов по катионам довольно высока и составляет, например, для двуокиси олова около 1 кг-экв/м3.
Неорганические сорбенты обладают высокой механической прочностью и сохраняют свои физико-химические свойства (удельную поверхность, механическую прочность, обменную способность и т. д.) при температуре обрабатываемой воды до 350 °C в течение длительного срока эксплуатации. Под действием ионизирующего излучения [плотность потока быстрых нейтронов до 5-Ю24 нейтр/(м2-с)] практически не происходит изменения свойств этих сорбентов.
Гидравлическое сопротивление гранулированных неорганических сорбентов мало и для загрузки высотой 1 м при скорости фильтрования 2,8 см/с составляет 0,01—0,03 МПа. Такие сорбенты могут применяться для очистки радиоактивных вод при температуре до 350°C и давлении до 12 МПа при рН теплоносителя от 5 до 9,5. При фильтровании воды через слой сорбентов происходит очистка от грубодисперсных, коллоидных и истинно-растворимых веществ, т. е. от веществ, находящихся в любом состоянии.
При насыщении сорбента примесями его подвергают водной промывке и регенерации кислотами. Если активность сорбента высока (более 1013 Бк/кг), выгоднее удалять его на захоронение, а не подвергать регенерации, при которой образуется большое количество высокосолевых жидких отходов.
Помимо гранулированных неорганических сорбентов разрабатываются порошкообразные неорганические сорбенты для намывных фильтров (см. § 12.3), которые позволяют очищать воду при температуре до 350°C и, следовательно, будут иметь значительное преимущество перед порошкообразными ионообменными смолами (см. § 13.3). Порошкообразные сорбенты не подвергают регенерации, а после насыщения направляют на захоронение.
