CN104409126A - 一种超声驻波放射性废水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波处理放射性废水装置，利用超声波分离技术，将处于超声驻波场中的悬浮放射性氧化物颗粒聚集后处理。由超声波发生器、超声波换能器、水槽、超声波振板、进出水系统、电源系统、机架组成；超声波换能器呈点阵形固定封装于超声波振板内和水槽底部的下方；水槽左、右两侧面的两块超声波振板相对平行放置，对称分布于水槽内，两块超声波振板浸没于水槽内；进水口、出水口安装在水槽的前、后两侧的后侧，且呈上下排列。本发明的优点在于：避免了技术人员暴露在高危环境下作业，确保了人身安全，可有效去除废水中放射性物质，无二次污染，技术简单，成本低廉，易于操作该放射性废水处理装置将会有更宽广的应用前景。

Description

一种超声驻波放射性废水处理装置

技术领域

本发明属于废水处理领域，涉及一种超声驻波放射性废水处理装置。

背景技术

2011年3月日本福岛核事故的发生，促使国际原子能机构对核能安全提出了更高要求。2011年在日本召开的第十九届国际核工程会议(ICONE 19)上，以美国为首的发达国家提出通过加强放射性废水处理装置的研究，重点是核电站等装置产生的放射性废水引起的世界性污染难题的相关研究。为了使环境的放射性辐射水平低于国家所规定的标准值(≤1Bq/L，即1贝可/升)，必须对装置的贮存间和操作间进行放射性去污，在去污的过程中会产生一定量的放射性废水，这些放射性废水的主要成分是放射性物质的氧化物颗粒，包含放射性氧化物颗粒的废水处理是当前国际公认的难点问题之一。

在本发明以前的现有技术中，放射性废水处理方法按废水处理过程中放射性物质形态改变与否主要可分为化学形态改变法和化学形态不变法两类。化学形态改变法包括化学沉淀法、气浮法、生化法等，化学形态不变法包括蒸发法、离子交换法、吸附法、膜处理法等。化学形态改变法包括化学沉淀法、气浮法、生化法等化学或生物化学方法。上述各种方法对于放射性废水的处理各有千秋，但都存在共同的问题，即处理过程耗时、耗材、耗能、效率不高、处理不彻底，且有二次污染危险。

申请专利前，发明者已检索相关专利，未发现有与本发明用超声波方法处理放射性废水装置相近的公开文献报导。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于，在对核装置放射性废水排放情况和核素属性综合分析的基础上，提供一种利用超声波处理低水平放射性废水的处理装置，尤其是超声驻波放射性废水处理装置。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

本发明的基本构思是，根据超声波分离技术原理，处于超声驻波场中的悬浮放射性氧化物颗粒会在声辐射力、浮力、重力和液体粘滞阻力的共同作用下，朝向驻波场中的波节面处运动、聚集。因此，可以通过精心设计超声驻波放射性废水处理装置的结构和尺寸，在超声驻波放射性废水处理装置底部的废水出口处设计分流出口，通过计算确定分流出口位置和出口宽度，使得聚集在波节面处的悬浮放射性颗粒在重力场的作用下，从波节面附近的高浓度废水出口处流出，从而减少了从低浓度放射性废水出口处流出的放射性废水里放射性物质的含量，达到降低放射性废水的放射性浓度的目的，放射性废水超声波处理的理论依据参见图1、2。此外，根据放射性废水的处理要求，所提供的超声驻波放射性废水处理装置重点应该解决：1.采用传统去污和分离方法难以实现放射性彻底去除的放射性强度较低且呈悬浮颗粒状的放射性废水；2.为后续进一步收集与贮存中低放射性核素颗粒提供基础性工作；3.提供一种针对性强，二次污染小，处理效率高，技术简单，成本低廉，易于操作使用的超声驻波放射性废水装置。

根据上述发明构思及技术要求，本发明一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：由超声波发生器5、6、超声波换能器1、2、水槽3、超声波振板4、进出水系统、机架组成；所述的超声波换能器1呈点阵形固定封装于超声波振板4内，所述的超声波换能器2呈点阵形固定于水槽3底部的下方；所述的水槽3左、右两侧面的两块超声波振板4相对平行放置，对称分布于水槽3内部，两块超声波振板4浸没于水槽3内的放射性废水中；所述的进出水系统的进水口7、出水口8安装在水槽3的前、后两侧的后侧，且呈上下排列；所述的机架由底盘、地脚、万向脚轮、部件支架组成，为设备整机其它零部件安装的基础。

本发明进一步提供一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：在所述的水槽3中使左右两块超声波振板4内的超声波换能器1产生疏密相间的超声波向对称辐射，使液体流动，当满足形成驻波的式(1)条件时，在水槽3里形成超声驻波：

L＝nλ/2    (1)

λ＝v/f     (2)

式中：λ为超声波波长，n为形成的驻波数，L为水槽的长度，v为超声波在水中速度，f为超声波发生器的频率。

本发明进一步提供一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：所述的超声波发生器5和超声波发生器6所发出的的两种不同频率的超音频电能，分别通过超声波换能器1、2转换成高频机械振荡而传入到放射性废液中；两个超声波发生器5、6所发出的不同频率f分别为(25～30)kHz和(35～45)kHz。

本发明进一步提供一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：放射性废水超声波处理效果受到声学参数如超声波频率、能量和时间、结构参数如振板之间形成驻波的尺寸、水槽尺寸的影响，按照超声波在水中速度为v＝1500m/s，当频率f为(25～30)kHz时，则超声驻波的波长λ＝v/f＝(50～60)mm，超声波驻波数n取16，故超声驻波处理放射性废水装置整体尺寸取(400×400×400)mm～(480×400×400)mm。

本发明进一步提供一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：所述的超声驻波处理放射性废水装置的超声波辐射面的设计成由20mm×20mm～100mm×100mm的超换能器组成的阵列2×2～6×6个，辐射面的面积为400mm²～10000mm²。

本发明的优点在于：

(1)、针对核放射性沉积物对操作人员产生辐射危害，影响操作人员的身体健康的问题，避免了技术人员暴露在高危环境下作业，确保了人身安全，为像日本福岛核事故、核电站等放射性废水的排放和处理提供新思路。

(2)、试验表明，浓度为200Bq/L的放射性废水，在频率为28kHz、功率为1kW超声波作用下，经40min时间的处理后浓度达到2.43Bq/L，去污效率为98.79％，处理效率高。

(3)、与现有传统污水处理方法相比，针对性更强，无二次污染，技术简单，成本低廉，易于操作人员掌握使用。即该装置具有操作方便、去污效率高、费用低廉和快速处理等优点。将会有更宽广的应用前景。

附图说明

图1：超声波分离原理示意图

图2：超声驻波放射性废水处理装置设计原理示意图

图3：超声波辐射波节面示意图

图4：超声波辐射面的设计示意图

图5：超声驻波放射性废水处理装置主视图

图6：图5的左视图

其中：1-超声波换能器(28KHz)；2-超声波换能器(40KHz)；3-水槽；4-超声波振板；5-超声波发生器(28KHz)；6-超声波发生器(40KHz)；7-进水管；8-排水管。

具体实施方式

现结合附图对本发明的原理和具体实施方式作进一步说明。

参见图1：超声波分离技术原理。处于超声驻波场中的悬浮放射性氧化物颗粒会在声辐射力、浮力、重力和液体粘滞阻力的共同作用下，朝向驻波场中的波节面处运动、聚集。因此，可以通过精心设计超声驻波放射性废水处理装置的结构和尺寸，在超声驻波放射性废水处理装置底部的废水出口处设计分流出口，通过计算确定分流出口位置和出口宽度，使得聚集在波节面处的悬浮放射性颗粒在重力场的作用下，从波节面附近的高浓度废水出口处流出，从而减少了从低浓度放射性废水出口处流出的放射性废水里放射性物质的含量，达到降低放射性废水的放射性浓度的目的，这就是放射性废水超声波处理的理论依据。对驻波声场中悬浮粒子所受到的作用力分析可知，悬浮颗粒主要受到驻波声场的声辐射力(F_ac)、液体粘滞stokes阻力(F_d)、重力和浮力的合力(F_b)的作用，在这几个力的共同作用下，当颗粒的声比因子G﹥0时，颗粒会向驻波场内的声压波节面运动；当G﹤0时，颗粒向声压波腹面运动。借助超声驻波场，通过设计超声驻波放射性废水处理装置的结构，将悬浮液中的悬浮颗粒富集在波节(腹)面处，然后将波节(腹)面附近的高浓度的悬浮液排出，达到了降低悬浮液中悬浮颗粒浓度的目的。

参见图2：如图2所示超声驻波放射性废水处理装置设计原理示意图，左右两边由超声波辐射面和不锈钢反射面组成，其整体尺寸为：8λ×400×400mm(λ为超声波波长)。水槽侧面左右两块超声波振动板相对平行放置，内部超声波换能器点阵型对称分布，两块振动板浸没于放射性废水中。利用28KHz超音频电能，通过换能器转成高频机械振荡而传入到放射性废液中。超声波在中疏密相间地向前辐射，使液体流动，在水槽里形成超声驻波。处于超声驻波场中的悬浮放射性氧化物颗粒会在声辐射力、浮力、重力和液体粘滞阻力的共同作用下，朝向驻波场中的波节面处运动、聚集，成为高浓度放射性废水集中区。通过精心设计超声驻波放射性废水处理装置的结构和尺寸，在超声驻波放射性废水处理装置底部的废水出口处设计分流出口，通过计算确定分流出口位置和出口宽度，使得聚集在波节面处的悬浮放射性颗粒在重力场的作用下，从波节面附近的高浓度废水出口处流出，从而减少了从低浓度放射性废水出口处流出的放射性废水里放射性物质的含量，达到降低放射性废水的放射性浓度的目的，达到放射性废水超声波处理的目的。放射性废水超声波处理效果受到声学参数(如超声波频率、能量和时间)、结构参数(如振板之间形成驻波的尺寸、水槽尺寸等)的影响，必须通道大量计算和实验，得出参数配置规律。放射性废水处理装置通过两套超声波发生器单元、三套超声波换能器、水槽、进出水系统、电源系统、机架、外门板组成。各组成部分功能如下：

超声波发生器：产生28KHz和40KHz超音频电信号，以供给换能器。

超声波换能器：将超声波发生器产生的超音频电能转换成高频机械振荡而传入到放射性废水中，形成超声驻波，从而达到放射性核素颗粒收集的目的。

超声水槽：盛载放射性废液，在此槽进行超声驻波放射性废水处理测试。

机架与整机外罩：由底盘、地脚、万向脚轮、部件支架、门板组成。机架为设备整机其它零部件安装的基础，整机采用进口#304不锈钢制成。

参见图3：超声驻波放射性废水处理装置的波节面示意图。超声驻波放射性废水处理装置的下方特别设计了放射性废水的出口，在距离超声波辐射面距离为x＝Nλ/4(N＝2n+1，n＝0…16)的各波节面附近处为宽度dL₂＝0.5cm的高放射性浓度废水出口，富集在波节面上的放射性氧化物颗粒从这些出口流出超声驻波放射性废水处理装置；位于波腹面附近的是出口宽度dL₁＝λ/2－dL₂的低放射性浓度废水出口。高浓度废水出口宽度的设计依据为：在该宽度下，放射性废水能顺利通过该出口；同时，为了达到使放射性废水的浓缩系数增大，出口宽度也不能太大。

参见图4：超声波辐射面的设计。因为当超声波射向水和不锈钢界面时，可近似认为发生了全反射，为了较少所需换能器的数量，超声驻波放射性废水处理装置中所形成的驻波场的方式是由超声波辐射面产生的超声波和不锈钢反射面所反射的超声波相叠加而形成的。同时，为了使所设计的超声驻波放射性废水处理装置符合实际生产的需要，即换能器的生产价格、功率要求等，将超声波辐射面设计成由20×20mm的换能器组成的阵列，辐射面的面积为400mcm×400mm。

参见图5和图6：放射性废水超声波处理装置整体设计。设计图如图5、6所示，结构组成、功能和技术指标如下。

(1)结构组成：根据理论分析，设计放射性废水超声波处理装置，整个装置由两台超声波控制发生器、右侧超声波振板、左侧超声波振板、底部超声波振板、槽体、机架、外门板等组成，整机采用进口304#不锈钢制成。

(2)各组成部分功能：

①超声波发生器：超声波发生器产生28KH_Z或40KH_Z超音频电信号，以供给换能器。控制箱采用微电脑控制下的它激式线路，频率自动跟踪及扫频工作方式等先进技术。与传统控制箱相比，具有工作稳定可靠、超声功率连续可调，能最大限度地发挥换能器的潜能。工作频率自动跟踪，使输出匹配更佳，功率更加强劲，效率更高。独特的扫频工作方式，使处理液在扫频的作用下形成一股细小的回流，从而达到更快速、更彻底的处理效果，超声处理效率更高。同时，具有完善的保护功能：过热保护和过流保护，工作更加可靠。还设有四位定时器，使时间控制精确到秒。配合数码功率调整可适应各种不同的清洗要求。开机工作状态随意更改，使用更自由。整机采用模块化设计，配合电脑故障定位及显示系统，使其使用与维护变得更加方便。主要技术指标为：

工作电压：220V±10％

工作电流：1～1.5A

环境温度：0～40C°

相对湿度：40％～90％

工作频率：28KHz(40、68、80、100、120、135KHz等)±5％

最大功率：300W

时间控制：0～59：59分

功率控制范围：0～100％ 32级数控调节

机内过热保护：65C°

外型尺寸：L×W×H＝400×360×160mm

②换能器：将超声波发生器产生的超音频电能转换成高频机械振荡而传入到清洗液中，从而达到超声处理放射核素颗粒的目的。

③超声处理槽：盛载液体水，在此槽进行超声波测试。

④机架与整机外罩：由底盘、地脚、万向脚轮、部件支架、门板等组成。机架为设备整机其它零部件安装的基础。放射性废水超声波处理装置如图5所示。

(3)技术指标

放射性废水超声波处理装置主要技术参数如表1所示。

表1 技术参数

Claims (5)

1.一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：由超声波发生器(5)、(6)、超声波换能器(1)、(2)、水槽(3)、超声波振板(4)、进出水系统、机架组成；所述的超声波换能器(1)呈点阵形固定封装于超声波振板(4)内，所述的超声波换能器(2)呈点阵形固定于水槽(3)底部的下方；所述的水槽(3)左、右两侧面的两块超声波振板(4)相对平行放置，对称分布于水槽(3)内部，两块超声波振板(4)浸没于水槽(3)内的放射性废水中；所述的进出水系统的进水口(7)、出水口(8)安装在水槽(3)的前、后两侧的后侧，且呈上下排列；所述的机架由底盘、地脚、万向脚轮、部件支架组成，为设备整机其它零部件安装的基础。

2.根据权利要求1所述的一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：在所述的水槽(3)中使左右两块超声波振板(4)内的超声波换能器(1)产生疏密相间的超声波向对称辐射，使液体流动，当满足形成驻波的式(1)条件时，在水槽(3)里形成超声驻波：

L＝nλ/2   (1)

λ＝v/f   (2)

式中：λ为超声波波长，n为形成的驻波数，L为水槽的长度，v为超声波在水中速度，f为超声波发生器的频率。

3.根据权利要求2所述的一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：所述的超声波发生器(5)和超声波发生器(6)所发出的的两种不同频率的超音频电能，分别通过超声波换能器(1)、(2)转换成高频机械振荡而传入到放射性废液中；两个超声波发生器(5)、(6)所发出的不同频率f分别为(25～30)kHz和(35～45)kHz。

4.根据权利要求3所述的一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：放射性废水超声波处理效果受到声学参数如超声波频率、能量和时间、结构参数如振板之间形成驻波的尺寸、水槽尺寸的影响，按照超声波在水中速度为v＝1500m/s，当频率f为(25～30)kHz时，则超声驻波的波长λ＝v/f＝(50～60)mm，超声波驻波数n取16，故超声驻波处理放射性废水装置整体尺寸取(400×400×400)mm～(480×400×400)mm。

5.根据权利要求4所述的一种超声驻波放射性废水处理装置，其特征在于：所述的超声驻波处理放射性废水装置的超声波辐射面的设计成由20mm×20mm～100mm×100mm的超换能器组成的阵列2×2～6×6个，辐射面的面积为400mm²～10000mm²。