CN107705868A

CN107705868A - 一种海洋中放射性核素收集装置

Info

Publication number: CN107705868A
Application number: CN201710828335.6A
Authority: CN
Inventors: 周涛; 田晓瑞; 李子超; 张晗
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2037-09-14
Also published as: CN107705868B

Abstract

本发明公开了一种放射性核素收集装置，该装置包括：浮体部件(1)，其在水中时为装置提供浮力，使装置浮于水面；吸附部件(2)，其固定连接于浮体部件(1)下方，并吸附水中的放射性核素；利用吸附部件(2)中的吸附材料对海洋中的放射性核素有针对性的吸收；通过多点投放实现收集和追踪污染海域中的放射性核素装置能够漂浮在海洋中。

Description

一种海洋中放射性核素收集装置

技术领域

本发明涉及核能安全领域、环境保护领域和能源领域，具体涉及了一种能够用于海洋中放射性核素收集的装置。

背景技术

随着核动力和核电技术的不断发展，核电泄漏事故不断发生。2011年3月11日日本福岛发生九级地震同时引发海啸，福岛核电站一号发电站发生氢气爆炸，进而造成核反应堆堆芯及安全壳破损。大量放射性核素发生外泄，数天内对全球海域造成了一定的污染。

沿海核电站发生泄漏事故时，大量放射性核素例如I、C_S、Sr等通过废水被直接排入海水，或者废气中含有的放射性气溶胶在海面沉积进入海洋中。

截止2017年4月，我国国内有35台在运核电机组、21台在建核电机组，值得注意的是，我国现有核电站均是建设在中国沿海地区。

海洋面积广阔，具有独特的波浪、潮汐和洋流运动，因此，放射性核素一旦进入海洋，其污染面积会随着海洋的运动大范围扩散和转移，而现有的放射性核素收集方法主要集中在特定的污水处理系统中，仅适用于一定量的污水处理，难以实现对污染海域中放射性核素的收集，更无法对污染海域中放射性核素的扩散和转移进行及时监测和追踪。

ZL201220144406.3公开了一种放射性废水吸附过滤器，该吸附过滤器操作快捷方便，但功能单一，吸附效率不高，对放射性核素没有针对性，无法实现对海洋中放射性核素的追踪和收集；CN104860439A公开了一种移动式放射性废液处理装置及处理方法，该装置结构复杂，不具有便携性，同样无法实现对污染海域中放射性核素的收集。

海洋成分复杂，生物繁多，对长期置于海洋中的仪器和设备具有严重的腐蚀性；同时，海面波浪的拍打，海洋中恶劣的天气，以及海洋杂质的碰撞都会影响仪器或设备的牢固性，缩短使用寿命；而海洋洋流运动对其定位亦带来了困难。

如何实现和保证对海洋中放射性核素进行及时监测和收集，尤其是对沿海核电站及核潜艇正常运行工况下对海洋中放射性核素进行监测，以及对核事故中放射性核素的追踪监测与收集，对我国乃至全球的环境安全和人身安全具有重要的意义。

因此，亟待开发一种结构简单、模块化设计、针对性强的，能够用于海洋中放射性核素的监测，以及在事故后能够对大多数放射性核素进行有效吸附的收集装置。

由于上述原因，本发明人对现有的技术进行改造，设计出了一种能够用于海洋中放射性核素收集的装置。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种放射性核素收集装置，该装置包括：浮体部件，其在水中时为装置提供浮力，使装置浮于水面；吸附部件，其固定连接于浮体部件下方，并吸附水中的放射性核素；利用吸附部件中的吸附材料对海洋中的放射性核素有针对性的吸收；通过多点投放实现收集和追踪污染海域中的放射性核素，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种放射性核素收集装置，所述装置包括：

浮体部件1，其在水中时为装置提供浮力，使装置浮于水面；

吸附部件2，其固定连接于浮体部件1下方，并吸附水中的放射性核素；

所述吸附部件2包括安装支架21，以及两端分别与其连接并设置于其内的安装管套22，在安装管套22内填充有吸附放射性核素的材料；

所述安装管套22包括固定在安装支架21上的连接接口221，

与连接接口221可拆卸连接的中部管套222；

在中部管套222的管壁设有开孔，通过该开孔使放射性核素吸附材料与水域中的放射性核素充分接触。

所述连接接口221可拆卸安装于安装支架21；和/或

中部管套222通过螺纹与连接接口221连接。

所述吸附部件2由防腐蚀金属制成；

所述安装管套22内填充有沸石、碳酸钙、氢氧化钙、膨润土、氧化铝、石墨烯、活性炭、活性炭掺杂氧化亚铜改性中的一种或几种；

所述安装支架21内任选地设置有增加吸附部件2稳定性的安装柱211，其两端分别与安装支架21固定连接；

所述浮体部件1由轻质材料制成，其外部还包覆有金属材料的结构外壳，其与吸附部件2的安装支架21固定连接；

所述吸附部件2下方任选地设置有防止装置漂移的配重部件3；

所述装置用于海洋中放射性核素的收集。

本发明还提供了一种采用如上所述装置收集海洋中放射性核素的方法，将所述装置多点投放在海洋中，优选投放在近海区域，对海洋中放射性核素进行吸附收集和追踪。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的装置能够漂浮在海洋中，对海洋中放射性核素进行吸附收集和追踪；

(2)本发明提供的装置可以根据实际需求填充有不同种类和比例的吸附材料，能够适应不同的水体污染情况；

(3)本发明提供的装置拆卸方便，其中的吸附材料能够在吸附饱和后进行更换，提高吸附效率和装置的使用时间；

(4)本发明还任选地设置有配重部件，当安装有配重部件时，装置能够固定于目标区域进行收集，增加了对海洋气候的适用性；当没有配重部件时，大大降低了整个装置的重量，能够更为方便地在需要时进行投放，该装置适用于近海区域等较为平缓水域使用；

(5)本发明提供的装置中，各个部分采用功能分类设计，且可以进行替换，这种模块化结构的设计有利于装置的维修和更换，维护成本低。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的放射性核素收集装置结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的吸附部件的结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的安装管套的结构示意图。

附图标号说明：

1-浮体部件

2-吸附部件

21-安装支架

211-安装柱

22-安装管套

221-连接接口

222-中部管套

3-配重部件

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

根据本发明提供的一种放射性核素收集装置，所述装置包括提供浮力的浮体部件1和用于吸附放射性核素的吸附部件2，吸附部件2固定连接于浮体部件1下方，所述装置能够漂浮于水面上并吸附收集水中，尤其是海洋中的放射性核素，优选所述装置用于海洋中放射性核素的收集。

所述浮体部件1为整个装置在水时中提供浮力，能够保证装置浮于水面，便于人们在海洋中寻找和航行避让。浮体部件1可以根据具体情况设置为不同大小和形状，以适应不同水域中的漂浮要求；优选采用轻质材料制成圆筒形，可以最大程度的提高有效浮力和减小波浪的拍打应力，例如浮体部件1可以为泡沫塑料圆筒、空心塑料圆筒、轻质钢材空心圆筒等。

在一种优选的实施方式中，如图1所示，所述浮体部件1为泡沫塑料圆筒，其中，所述圆筒的直径为600-1400mm，高度为200-600mm，其能够提供约600-9300N的浮力。浮体部件1的整体尺寸较小，但具有较大的水平面积和浮力，因而能够承受吸附部件2中加入较多的吸附材料。

为了提高浮体部件1的牢固性，防止碰撞造成损坏，在浮体部件1的外部还包覆有金属材料的结构外壳，既可以保护浮体部件1的完整性，也可以确保整个装置的稳定性。优选采用耐腐蚀的金属材料制备，例如不锈钢，哈氏合金，锆合金以及钛合金等。

结构外壳可以完全包覆浮体部件1，也可以部分包覆浮体部件1；只要二者能够牢固结合不分离即可。

在一种优选的实施方式中，所述结构外壳由不锈钢制成的与吸附部件1适配的网状外壳，结构外壳的上表面可以打开和关闭，便于安装和更换吸附部件1；结构外壳的下表面为网状或板状，其与吸附部件2固定连接。

所述吸附部件2用于吸附水中的放射性核素，在使用时一般完全浸没在水中，使吸附效果最优。如图1所示，其包括安装支架21和安装管套22。其中，安装管套22设置于安装支架21的内部，其两端分别与安装支架21固定，在安装管套22内填充有吸附放射性核素的材料。

安装支架21包括上下两个安装板，其间安装有多个安装管套22。安装支架21通过上安装板与浮体部件1固定，可以采用多种方式进行连接，只要满足二者牢固固定即可，并不做更多限制。

安装板的厚度为5-10mm，直径为500-1200mm，因而重量更轻，强度更好，也更适用于海洋环境。

任选地，在安装支架21内设置有安装柱211，其两端分别与安装支架21固定连接，可以增加吸附部件2的稳定性。

优选所述安装柱211能够穿过安装支架21的上下安装板，并在两端通过螺栓固定。

当安装管套22安装完成后，安装和固定安装柱211，能够增加吸附部件2的整体稳定性和牢固性；当更换吸附材料时，拆卸安装柱211后有利于操作。

在一种优选的实施方式中，如图2所示，所述安装管套22包括连接接口221和中部管套222，其中，连接接口221固定连接于安装支架21上，中部管套222与连接接口221可拆卸连接；

连接接口221和安装支架21可以一体成型或焊接；在更优选的实施方式中，连接接口221可拆卸安装于安装支架21上，例如可以为螺栓连接。

在更优选的实施方式中，中部管套222与连接接口221通过螺纹连接。

如图3所示，在中部管套222的两端外侧分别设置螺纹，相应地，在连接接口221内侧设置与之适配的螺纹；另一种实施方式中，中部管套222的两端内侧分别设置螺纹，相应地，在连接接口221外侧设置与之适配的螺纹。

所述安装管套22可以采用防腐蚀金属或硬质塑料制成，优选使用防腐蚀金属。

优选所述安装管套22的半径为30-80mm，优选为30-60mm；高度为300-700mm。

这样，不仅能够为中部管套222提供较好的支撑力和牢固性，使其能够承受水域中波浪的拍打；还有利于安装管套22内吸附材料的更换。

由于安装管套22内填充有吸附放射性核素的吸附材料，有必要使吸附材料和水域中放射性核素充分接触。

所述中部管套222在侧壁还开设有开孔，所述开孔小于中部管套222高度，优选在侧壁上开设2-4个开孔，更优选在侧壁中心对称开设3个开孔，使得中部管套222内的吸附材料在水中时与周围环境具有较大的接触面积，同时能够保证吸附材料对不同水流方向都能进行有效的吸附。

所述开孔的上下端距离中部管套222端部的距离为10-20mm；所述开孔的宽度为20-40mm；这样能够与安装管套22适配，并使吸附材料与放射性核素充分接触。

在一种优选的实施方式中，所述开孔还设置有滤网，能够有效防止周围环境中细小的杂质阻塞吸附柱表面引起的吸附效率降低。

安装管套22内的吸附材料，优选将吸附材料填装于与中部管套222适配的吸附柱内，再将吸附柱填装于中部管套222内，这样便于吸附材料的取出和替换，使本装置在使用和维护时更为便利。

所述吸附柱并不做特别限制，只要能够实现其内的吸附材料与环境中的水能够充分接触即可。

所述吸附柱中的吸附材料能够吸附放射性核素，吸附材料可以为沸石、活性炭、膨润土、石墨烯或石墨烯气凝胶、碳酸钙、氧化铝、氢氧化钙或活性炭掺杂氧化亚铜改性材料，为广谱吸附材料，能够吸附水中的锰(Mn)，钴(Co)、钍(Th)、铅(Pb)、锌(Zn)、碘(I)、铀(U)、镎(Np)、镅(Am)、铯(Cs)等多种放射性核素。

由于吸附材料对不同种类的放射性核素吸附性能存在差异，优选采用多种吸附材料进行组合，以实现对不同种类放射性核素的吸附和收集。

其中，沸石、膨润土、活性炭等天然材料自身具有很高可孔隙率，受污染的海水通过侧开孔与吸附柱接触后，放射性核素以直接吸附和化学吸附的方式滞留在吸附柱内，起到了较好的吸附作用；

碳酸钙和氢氧化钙作为化学絮凝吸附的吸附剂，在多孔结构下，受污染的海水中放射性核素能絮凝成不易溶解的物质从而在吸附柱内部沉淀下来；

石墨烯气凝胶作为新兴材料，具有极高的孔隙率，而且相较于上述其它材料，气凝胶材料能够吸附更小的放射性核素分子，直接滞留其于多孔结构中。

另外，沸石，尤其是以高岭土为原料制备的4A沸石，对钴(Co)、锶(Sr)和铯(Cs)离子具有较快的吸附能力，其离子吸附效能高达138mmol/100g。

活性炭掺杂氧化亚铜改性材料，还可以对碘(I)进行吸附，主要利用的是化学反应与吸附作用，亚铜离子会使碘离子交换而沉淀在吸附柱中，采用活性炭掺杂氧化亚铜改性吸附柱可以加大吸附面积，增强吸附效果，也可以在需要时将I元素脱离用于实施测量。

膨润土，一种广泛使用的核素吸附材料；将膨润土与碳纳米管材料混合制成的吸附柱，还能够通过碳纳米管材料的络合反应特定吸附镅(Am)元素，而Am元素正是放射性事故的主要示踪物和污染物；

膨润土与氧化石墨烯混合制成的吸附柱材料，对于铀(U)元素也具有较强的吸附能力，吸附能力高达145mg/g。

碳酸钙类材料对锰(Mn)、钴(Co)、钍(Th)、铅(Pb)元素有比较好的去除效果；氢氧化钙则对锰(Mn)、钴(Co)、钍(Th)、铀(U)的吸附效果明显。

氧化铝，可以从海水中快速浓集锌(Zn)、钴(Co)、锰(Mn)、钌(Ru)、碘(I)、钍(Th)、铀(U)、镎(Np)、镅(Am)的多种放射性核素，能够减少环境危害，还可以用于检测该海域放射性核素水平。

放射性核事故后，碘(I)、铯(Cs)、镅(Am)和锶(Sr)是专业领域的主要检查核素，这是因为他们的产生量巨大且半衰期较长，不像其它核素可以在较短时间内衰变减少。因而对这些元素的收集非常重要。

因此，对于安装管套22内的吸附材料，优选使用广谱的吸附柱为主要吸附材料，其比例在一半以上；对碘(I)、铯(Cs)、镅(Am)和锶(Sr)特定吸附的材料优选使用膨润土、沸石、活性炭掺杂氧化亚铜改性材料、碳纳米管等材料，能够充分和有针对性的对水域中的放射性核素进行吸附和收集。

采用多种吸附材料进行放射性核素的吸附还有利于对投放区域的检测，能够充分了解放射性核素的水平。

在本发明中，还可以根据环境中的不同放射性核素的种类和含量的不同，有针对性的调整吸附材料的种类和比例，更好地适应不同的水域环境。

本装置在核素吸附柱的吸附能力达到饱和以后，更换吸附柱，并对取出的吸附柱进行封存处理或核素分析研究。

本发明中，吸附部件2优选使用防腐蚀金属材料制备，例如不锈钢、哈氏合金、锆合金以及钛合金，能够提高吸附部件的抗腐蚀性，提高吸附效率和使用寿命。

所述安装支架21的外周或下方，任选的均匀设置有若干呈向下弯曲的弧形挂件，所述挂件用于钩挂配重部件3。根据目标水域环境和实际需求的不同，选择性地钩挂配重部件3。

如图2所示，本发明提供的放射性核素收集装置设置有配重部件3时，所述配重部件3钩挂于安装支架21的下安装板上。此时，所述放射性核素收集装置被固定于设定位置，能够在特定水域中，尤其是海洋特定水域中，实现放射性核素的吸附和收集；提高了对海洋气候和洋流的适应性。

如图1所示，本发明提供的放射性核素收集装置不安装配重部件3时，所述放射性核素收集装置能够自由漂浮在水面，并随着水流，尤其是受污染的水流流动，动态的变化位置，始终保持对放射性核素的吸附和收集作用。此时，装置的重量大大降低，能够方便地在需要时进行投放；但由于具有较强的流动能力，只适用于在近海区域等较为平缓水域使用。

本发明提供的放射性核素收集装置并不限于上述提到的尺寸，还可以根据实际情况进行放大或缩小后使用，例如放大100倍后投放相应海域中使用；例如缩小0.5倍后在小面积的水域中使用。

本发明的另一个目的是提供了一种以上所述装置的应用，所述装置适用于海洋中，优选适用于近海的海洋区域中，通过将所述装置多点投放在海洋中，实现对放射性核素的收集和追踪。

实施例1

一种放射性核素收集装置，其浮体部件1为圆筒状，直径为1400mm，高度为600mm，由泡沫塑料制成；

吸附部件2的安装支架由不锈钢材料制成，其中，安装板的直径为1200mm，厚度为5mm；并且，安装管套22的直径为80mm，高度为500mm，共设置有30根；其中，填充有活性炭颗粒，设置有5根；填充有沸石颗粒，设置有5根；填充有碳酸钙颗粒材料，设置有5根；填充有活性炭掺杂氧化亚铜改性材料、膨润土碳纳米管材料、石墨烯气凝胶材料各5根。

将其投放在设定水域中对放射性核素进行收集。

其中，该水域为不流动的水体，水体的体积为100m³，其中放射性核素污染以锰(Mn)，钴(Co)、钍(Th)、铅(Pb)、锌(Zn)、碘(I)、铀(U)、镎(Np)、镅(Am)、铯(Cs)为主，其浓度均为100mg/L。

利用放射性核素收集装置对其中的放射性核素进行吸附和收集，将其置于设定水域中放置10h后发现，处理后的水域达到了以下效果：

锰(Mn)吸附率大于85％，钴(Co)吸附率大于70％、钍(Th)吸附率大于90％、铅(Pb)吸附率大于90％、锌(Zn)吸附率大于90％、碘(I)吸附率大于99％、铀(U)吸附率大于95％、镎(Np)吸附率大于90％、镅(Am)吸附率大于95％、铯(Cs)吸附率大于99％。

这表明，本发明的放射性核素收集装置能够充分吸附和收集水体中的放射性核素，并且，对各元素都有良好的吸附性能。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种放射性核素收集装置，其特征在于，该装置包括：

浮体部件(1)，其在水中时为装置提供浮力，使装置浮于水面；

吸附部件(2)，其固定连接于浮体部件(1)下方，并吸附水中的放射性核素。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸附部件(2)包括安装支架(21)，以及两端分别与安装支架(21)连接并设置于其内的安装管套(22)，在安装管套(22)内填充有吸附放射性核素的材料。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述安装管套(22)包括固定在安装支架(21)上的连接接口(221)，和

与连接接口(221)可拆卸连接的中部管套(222)；

在中部管套(222)的管壁设有开孔，通过该开孔使放射性核素吸附材料与水域中的放射性核素充分接触。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述连接接口(221)可拆卸安装于安装支架(21)；和/或

中部管套(222)通过螺纹与连接接口(221)连接。

5.根据权利要求2-4之一所述的装置，其特征在于，所述安装管套(22)内填充有沸石、碳酸钙、氢氧化钙、膨润土、氧化铝、石墨烯、活性炭、活性炭掺杂氧化亚铜改性材料中的一种或几种。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述安装支架(21)内任选地设置有增加吸附部件(2)稳定性的安装柱(211)，其两端分别与安装支架(21)固定连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述浮体部件(1)由轻质材料制成，其外部还包覆有金属材料的结构外壳，其与吸附部件(2)的安装支架(21)固定连接。

8.根据权利要求1-7之一所述的装置，其特征在于，所述吸附部件(2)下方任选地设置有防止装置漂移的配重部件(3)。

9.根据权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于，所述装置用于海洋中放射性核素的收集。

10.一种采用权利要求1-9之一所述装置收集海洋中放射性核素的方法，其特征在于，将所述装置多点投放在海洋中，优选投放在近海区域，对海洋中放射性核素进行吸附收集和追踪。