CN113707354B - 含239Pu、90Sr和137Cs的大体积放射性废液电化学分离固定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定方法，包括以下步骤：S1：在电场作用下使¹³⁷Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs进入第一粘土柱；本发明利用离子的电迁移加速作用和核素在粘土中的吸附性差异，将放射性废液中的长寿命核素²³⁹Pu、短寿命⁹⁰Sr与¹³⁷Cs快速吸附并分离；利用²³⁹Pu在粘土中的强吸附性同步实现其在第一粘土柱中的固定；采用⁹⁰Sr与碳酸钠溶液反应生成SrCO₃沉淀，将⁹⁰Sr与¹³⁷Cs再分开，并将¹³⁷Cs吸附固定在第二粘土柱中。可实现大体积废液中三种核素的快速分离与固定，处理流程简单高效、成本低廉，可实现放射性废液的解控。

Description

含239Pu、90Sr和137Cs的大体积放射性废液电化学分离固定方法

技术领域

本发明涉及放射性废液处理处置技术研究领域，具体是含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定方法。

背景技术

核燃料循环过程、反应堆运行、核技术应用和核研究活动会产生大量的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs放射性废液，对其进行安全高效的处理处置是放射性废物处置领域研究的重要课题之一。放射性废液类型多种多样，所含核素的种类、数量、形态，常量盐分和酸碱度差别很大，要优选适当的工艺进行处理与处置。按照国际原子能机构制定的废物处置规范，放射性废液通常先经处理，后经固化，最后进行近地表或者中等深度地质处置。对于短寿命核素，通常选择近地表处置，其屏障结构主要为水泥浇筑层；而对于长寿命核素，通常选择一定深度的地质处置，其屏障结构主要为双重屏障层，即水泥浇筑层和粘土层。

放射性废液处理主要目的一般包括两方面：将大体积废液通过浓缩等方法实现减容；通过吸附、离子交换、沉淀法等将废液中的污染核素去除，以降低废液的放射性水平。目前，对放射性废水的处理方法主要包括蒸发浓缩法、化学沉淀法、离子交换法、膜技术、吸附法等。

蒸发浓缩法具有很高的去污系数，技术成熟、安全可靠等特点；同时，可以处理高、中、低放废水，具有很高的灵活性。但是，它存在着运行成本高、设备腐蚀、结垢、爆炸等潜在威胁，也不适合容易起泡与含有较多挥发性核素的情况。

化学沉淀法是最常使用的放射性废水处理方式之一，较多用于处理组分复杂的低、中水平放射性废水，其方法简便，成本低廉，在去除放射性物质的同时，还能去除悬浮物、胶体、盐分、有机物和微生物等，一般与其他方法联用时作为预处理方法。但是沉淀法的缺点是放射性去除效率较低，一般为50％～70％。产生的污泥量较多，需要进一步处理。

离子交换法选择性地去除溶液中以离子态存在的放射性核素，使废液得到净化的方法，适用于溶解性无机物，也具有很高的去除率；但是在面对悬浮物较多、含盐量较高的情况下，会使树脂很快达到饱和，大大缩短了使用周期，并且失效的树脂在更换后必须永久封闭处理，给后续的放射性物品存储也带来一定的问题。

膜分离技术就是利用材料膜，作为两相间的选择性屏障，在驱动力的作用下，对特定的颗粒、分子或物质具有选择透过性。一些组件可以通过膜渗透流，而另一些保留它在滞留物流积累。在这种作用下使得放射性废水中的核元素能够得到分离处理。然而，膜分离技术尚不成熟，膜分离技术中反渗透法与超滤或微滤法组合工艺依旧在研究阶段。

吸附法处理废液是利用多孔性固体物质吸收分离废液中污染物的处理过程。吸附法可分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是最常用的吸附法。国际上普遍认为，对于有机放射性废液，物理吸附法是最简单的现场处理方法。常用的物理吸附剂有蛭石、活性炭、沸石、黏土、硅藻土等天然材料不仅来源广泛、成本低廉而且对放射性核素在环境中的迁移行为具有关键性的影响。然而，物理吸附通常会增大废物量，且吸附时间较长，产生的废物泥浆仍需进一步处理。

化学吸附则主要是合成的聚合物材料通过化学反应将废液吸附到到基体材料内。其中，以美国Nochar公司合成的N系列聚合物为代表。美国能源部、法国、俄罗斯、加拿大以及我国原子能科学研究院都已经尝试采用Nochar公司的N系列产品吸收处理放射性废液。但是N系列产品吸收剂普遍价格较高，处理废液成本大。

同时，放射性废液中存在多种核素，其物理化学行为存在较大差异，处置要求也不同。如⁹⁰Sr和¹³⁷Cs属于短寿命核素，半衰期约为30年，而²³⁹Pu属于长寿命核素，半衰期约为24110年。上述放射性废液处理方法实现废液中多核素的分离难度较大、流程较为复杂，尤其是针对大体积(大于5L)放射性废液，实现多核素分离困难更为突出。因此，在实际中，上述放射废液处理方法通常是一次性吸附或者沉淀多种核素，因而对处理后废物无法进行针对性处置。

另一方面，放射性废液经蒸发浓缩法、化学沉淀法、离子交换法、膜技术和吸附法处理后，会产生泥浆、蒸发残渣、废吸附剂和废离子交换树脂，需对其进行固化。固化的方法有水泥固化、沥青固化、塑料固化、玻璃固化、陶瓷固化(人造岩石固化)等。目前应用最多的是水泥固化。然而，由于泥浆依然是流动相，对其固化前，需在泥浆中添加吸附剂，以便增加其粘稠度，甚至变成固相。蒸发残渣、废吸附剂和废离子交换树脂等为固相，在固化前，还需经压实整备流程，减小其体积。因此，放射性废液处理后，其废物仍需进一步固定整备处理，才能进行固化。

综上所述，传统的放射性废液处理方法很难高效实现大体积放射性废物中多种核素的分类吸附处理，且处理时间长(如物理吸附)、成本高(如化学吸附、离子交换法)、废物量大(如沉淀法)，同时，废液处理后的废物仍需进一步固定整备后才能对其进行处置。

为此，需对上述方法或工艺进行改进，以提高放射性废液处理能力，尤其是实现废液中多核素的分离，同步实现其固定，简化处置流程。

发明内容

本发明目的在于将大体积放射性废液中的长寿命核素²³⁹Pu、短寿命核素⁹⁰Sr与¹³⁷Cs快速吸附并分离，同步实现长寿命核素²³⁹Pu和短寿命核素¹³⁷Cs在压实粘土土中的固定，以及短寿命核素⁹⁰Sr的沉淀固定，简化放射性废液核素分离固定流程、减低处置成本，实现放射性废液解控，以及对长寿命核素²³⁹Pu、短寿命核素⁹⁰Sr与¹³⁷Cs针对性安全处置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定方法，包括以下步骤：

S1：在电场作用下使²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs进入第一粘土柱；

S2：控制电场作用时间，使⁹⁰Sr和¹³⁷Cs穿出第一粘土柱并进入饱和碳酸钠溶液中、²³⁹Pu保留在第一粘土柱内；

S3：⁹⁰Sr与碳酸根离子反应生成碳酸锶沉淀，¹³⁷Cs继续在电场作用下进入第二粘土柱；

S4：控制电场作用时间，将¹³⁷Cs保留在第二粘土柱内；

电场由电解池提供，电场由直流稳压电源供电。

作为本发明进一步的方案：对饱和碳酸钠溶液进行循环过滤，以收集碳酸锶沉淀。

作为本发明进一步的方案：当碳酸溶液池中出现碳酸锶的白色沉淀之后，计算⁹⁰Sr穿透时间和迁移速度V_Sr；按照V_Sr≈10V_Cs≈100V_Pu，计算出²³⁹Pu的迁移速度V_Pu；考虑第一粘土柱和第二粘土柱的柱长关系，假设第一粘土柱的柱长为L且第二粘土柱的柱长为1/2L，并且假定某一时间将¹³⁷Cs最终固定于第二粘土柱左侧末端，确定此时²³⁹Pu将固定第一粘土柱右端3/20柱长处，则通过T＝3L/20V_Pu，计算出相应的通电时间。

另一方面，本发明提供了一种用于上述方法的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置，包括水槽和供电系统，所述水槽的内部由右向左依次设置有一价阴离子交换膜、第一粘土柱、阳离子交换膜、第二粘土柱、一价阳离子交换膜，所述水槽的内部由右向左被一价阴离子交换膜、第一粘土柱、第二粘土柱分隔为阳极电解池、废液池、碳酸溶液池、阴极电解池，所述供电系统包括直流稳压电源，所述直流稳压电源的正负极均电连接有铂电极，两个所述铂电极对应放置在阳极电解池和阴极电解池内。

作为本发明进一步的方案：所述第一粘土柱的两侧对称设置有两个第一多孔透水板，所述第一多孔透水板的外壁与第一粘土柱的外壁贴合，所述阳离子交换膜与对应的第一多孔透水板贴合，所述第二粘土柱的两侧分别设置有第二多孔透水板和第三多孔透水板，所述第二多孔透水板、第三多孔透水板均与第二粘土柱的外壁贴合，所述第三多孔透水板位于第二粘土柱和一价阳离子交换膜之间，所述一价阳离子交换膜的外壁与第三多孔透水板的外壁贴合。

作为本发明进一步的方案：所述阳极电解池内设置有第一进液管和第一出液管，所述第一进液管、第一出液管上共同设置有第一循环泵，所述第一进液管的进液端位于阴极电解池内，所述第一出液管的出液端位于阴极电解池内。

作为本发明进一步的方案：所述废液池的外壁贯穿设置有第二进液管和第二出液管，所述第二出液管、第二出液管上共同设置有第二循环泵，所述第二进液管的进液端连通有废液容器，所述第二出液管的出液端位于废液容器内。

作为本发明进一步的方案：所述废液容器上设置有用于搅拌其内部液体的搅拌器。

作为本发明进一步的方案：所述碳酸溶液池的外壁贯穿设置有第三进液管和第三出液管，所述第三进液管、第三出液管上共同设置有第三循环泵，所述第三进液管的进液端连通有溶液容器，所述第三出液管的出液端位于溶液容器内。

作为本发明再进一步的方案：所述溶液容器的内壁设置有第四多孔透水板，所述第三出液管的出液端贯穿第四多孔透水板的顶面后位于第四多孔透水板的下方。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用离子的电迁移加速作用和核素在粘土中的吸附性差异，将放射性废液中的长寿命核素²³⁹Pu、短寿命⁹⁰Sr与¹³⁷Cs快速吸附并分离；利用²³⁹Pu在粘土中的强吸附性同步实现其在第一粘土柱中的固定；采用⁹⁰Sr与碳酸钠溶液反应生成SrCO₃沉淀，将⁹⁰Sr与¹³⁷Cs再分开，并将¹³⁷Cs吸附固定在第二粘土柱中。可实现大体积废液中三种核素的快速分离(分离效率大于90％)与固定，且固定后废物可直接进行固化处置，处理流程简单高效(废液中核素去除率大于95％)、成本低廉，可实现放射性废液的解控。

附图说明

图1为含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置的结构示意图。

其中，水槽1、一价阴离子交换膜2、第一粘土柱3、阳离子交换膜4、第二粘土柱5、一价阳离子交换膜6、第一多孔透水板7、第二多孔透水板8、第三多孔透水板9、阳极电解池10、废液池11、碳酸溶液池12、阴极电解池13、直流稳压电源14、铂电极15、第一循环泵16、第一进液管17、第一出液管18、第二循环泵19、第二进液管20、第二出液管21、废液容器22、搅拌器23、第三循环泵24、第三进液管25、第三出液管26、溶液容器27、第四多孔透水板28。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一方面，本发明提供了含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定方法，包括以下步骤：

S1：在电场作用下使²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs进入第一粘土柱3；

S2：控制电场作用时间，使⁹⁰Sr和¹³⁷Cs穿出第一粘土柱3并进入饱和碳酸钠溶液中、²³⁹Pu保留在第一粘土柱3内；

S3：⁹⁰Sr与碳酸根离子反应生成碳酸锶沉淀，¹³⁷Cs继续在电场作用下进入第二粘土柱5；

S4：控制电场作用时间，将¹³⁷Cs保留在第二粘土柱5内。

电场由电解池提供，电场由直流稳压电源14供电。

对饱和碳酸钠溶液进行循环过滤，以收集碳酸锶沉淀。

具体的，

(1)本发明包括电化学分离、粘土吸附固定及锶沉淀等三个主要过程：

①电化学分离过程

在电场作用下核素离子发生加速定向移动，即电迁移过程。对于⁹⁰Sr、¹³⁷Cs和¹³⁷Pu，在放射性废液中均以阳离子形式存在，电场作用下核素阳离子将由阳极向阴极定向移动。由于离子的带电荷数、水合离子半径的不同，其迁移速率Vi则不相同，对于⁹⁰Sr、¹³⁷Cs和²³⁹Pu，Vi_Sr>Vi_Cs>Vi_Pu。同时，在粘土介质中，⁹⁰Sr、¹³⁷Cs和²³⁹Pu在粘土表面的吸附量不同，根据已报道的三种核素在粘土类材料表面的吸附实验数据，其吸附分配系数Kd为：Kd_Pu≥100Kd_Cs，Kd_Cs≥10Kd_Sr。因此，在电场作用下，⁹⁰Sr、¹³⁷Cs和¹³⁷Pu在粘土中的迁移速度有较大差异，实验研究表明：在电压为40V时，三种核素在压实干密度为1.5g/cm³的粘土土柱中的迁移速度大小为：V_Sr≈10V_Cs≈100V_Pu。因此，根据三种核素在粘土土柱中的迁移速度差异，控制电场作用时间，实现长寿命核素(¹³⁷Pu)和短寿命核素(⁹⁰Sr、¹³⁷Cs)的分离。

②粘土吸附固定过程

粘土类材料为天然吸附材料，容易获取且稳定好。此类材料对⁹⁰Sr、¹³⁷Cs和²³⁹Pu有较强的吸附能力，根据静态吸附实验，当粘土量与废液量比为1:30时，可在2小时内实现⁹⁰％以上核素的吸附(废液中核素的去除率大于95％)。一方面，由于粘土对上述核素的吸附能力不同，核素在粘土类材料的电迁移速率产生显著差异，因而能够实现放射性废液中多核素的去除与分离。另一方面，通过控制核素在粘土土柱中的电迁移时间，可将长寿命核素(²³⁹Pu)和短寿命核素(⁹⁰Sr、¹³⁷Cs)分别固定在不同粘土土柱中。

③锶沉淀过程

由于¹³⁷Cs的γ辐射水平强于⁹⁰Sr，因此¹³⁷Cs的放射性危害大于⁹⁰Sr。为了将两种核素分开，利用碳酸钠(Na₂CO₃)溶液中CO₃ ^2-与⁹⁰Sr离子反应生成SrCO₃沉淀，而¹³⁷Cs并不生成沉淀，可将两种核素分开。

(2)本发明的基本流程如下：放射性废液中的核素在电场和粘土介质吸附作用下，首先进入一定厚度的第一粘土柱3中；由于核素吸附作用不同及电迁移率不同，在一定时间内，⁹⁰Sr和¹³⁷Cs先后分别穿出第一粘土柱3；然后⁹⁰Sr和¹³⁷Cs进入饱和碳酸钠(Na₂CO₃)溶液池，⁹⁰Sr被沉淀下来，而¹³⁷Cs在电场作用下继续进入一定厚度的第二粘土柱5中。通过控制电场作用时间，可将²³⁹Pu固定在第一粘土柱3中，⁹⁰Sr以SrCO₃形式沉淀下来，而¹³⁷C则固定在第二粘土柱5中。通过上述过程，即可实现三种核素的分离与固定。由于粘土土柱形状较为规则，SrCO₃沉淀通过风干即可成为干燥固体。相比于传统方法产生的泥浆、废渣及废吸附树脂等废物还需二次处理固定的复杂流程，粘土土柱和SrCO₃沉淀更易于进行水泥固化。

另一方面，请观察图1，本发明提供了用于上述方法的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置，包括水槽1和供电系统，所述水槽1的内部由右向左依次设置有一价阴离子交换膜2、第一粘土柱3、阳离子交换膜4、第二粘土柱5、一价阳离子交换膜6，所述水槽1的内部由右向左被一价阴离子交换膜2、第一粘土柱3、第二粘土柱5分隔为阳极电解池10、废液池11、碳酸溶液池12、阴极电解池13，所述供电系统包括直流稳压电源14，所述直流稳压电源14的正负极均电连接有铂电极15，两个所述铂电极15对应放置在阳极电解池10和阴极电解池13内。

所述第一粘土柱3的两侧对称设置有两个第一多孔透水板7，所述第一多孔透水板7的外壁与第一粘土柱3的外壁贴合，所述阳离子交换膜4与对应的第一多孔透水板7贴合，所述第二粘土柱5的两侧分别设置有第二多孔透水板8和第三多孔透水板9，所述第二多孔透水板8、第三多孔透水板9均与第二粘土柱5的外壁贴合，所述第三多孔透水板9位于第二粘土柱5和一价阳离子交换膜6之间，所述一价阳离子交换膜6的外壁与第三多孔透水板9的外壁贴合。

结合图1可知，一价阴离子交换膜2位于废液池11与阳极电解池10之间，其作用是防止废液池11中的污染核素进入阳极电解池10中污染电解液，同时不影响体系的导电性；

第一粘土柱3主要用于对废液中⁹⁰Sr、¹³⁷Cs和¹³⁷Pu的吸附分离及对¹³⁷Pu的固定；在第一粘土柱3朝向废液池11的一侧设置有一个200目的第一多孔透水板7，且该第一多孔透水板7紧贴第一粘土柱3的右端，以避免土体在液体冲刷下的破坏变形；在第一粘土柱3与碳酸溶液池12依次放置有第二个200目的第一多孔透水板7及阳离子交换膜4，该第一多孔透水板7紧贴第一粘土柱3左端，以避免土体在液体冲刷下的破坏变形；阳离子交换膜4紧贴该第一多孔透水板7，阳离子交换膜4主要用于通过穿透第一粘土柱3的⁹⁰Sr、¹³⁷Cs离子，而阻止碳酸溶液池12中的碳酸根阴离子进入第一粘土柱3；

第二粘土柱5长度为第一粘土柱3的二分之一，其主要用于固定¹³⁷Cs离子；第二粘土柱5与碳酸溶液池12之间放置有一个300目的第二多孔透水板8，且紧贴于第二粘土柱5右端，以避免土体在液体冲刷下的破坏变形及大颗粒碳酸锶沉淀沉积在第二粘土柱5右端；第二粘土柱5左端依次设置有200目的第三多孔透水板9和一价阳离子交换膜6；200目的第三多孔透水板9紧贴第二粘土柱5左端，以避免土体在液体冲刷下的破坏变形；一价阳离子交换膜6紧贴第三多孔透水板9左侧，以阻止阴极电解池13中的阴离子进入第二粘土柱5，从而影响核素离子的迁移与固定。

所述阳极电解池10内设置有第一进液管17和第一出液管18，所述第一进液管17、第一出液管18上共同设置有第一循环泵16，所述第一进液管17的进液端位于阴极电解池13内，所述第一出液管18的出液端位于阴极电解池13内。

第一循环泵16通过第一进液管17与第一出液管18，能够分别快速抽取阳极电解池10、阴极电解池13中电解液进行双向混合，从而保持阳极电解池10与阴极电解池13中的电解液pH值为中性。

所述废液池11的外壁贯穿设置有第二进液管20和第二出液管21，所述第二出液管21、第二出液管21上共同设置有第二循环泵19，所述第二进液管20的进液端连通有废液容器22，所述第二出液管21的出液端位于废液容器22内。

所述废液容器22上设置有用于搅拌其内部液体的搅拌器23。

废液容器22内的放射性废液通过第二循环泵19的抽取从第二进液管20进入废液池11，经电迁移与粘土吸附作用后又通过第二循环泵19的抽取从第二出液管21重新回到废液容器22中，如此不断循环；同时废液容器22中的废液不断用搅拌器23进行搅拌；废液容器22中第二进液管20插入放射性废液底部，而第二出液管21置于放射性废液的液面上方。

所述碳酸溶液池12的外壁贯穿设置有第三进液管25和第三出液管26，所述第三进液管25、第三出液管26上共同设置有第三循环泵24，所述第三进液管25的进液端连通有溶液容器27，所述第三出液管26的出液端位于溶液容器27内。

所述溶液容器27的内壁设置有第四多孔透水板28，所述第三出液管26的出液端贯穿第四多孔透水板28的顶面后位于第四多孔透水板28的下方。

第三循环泵24经第三进液管25不断的将溶液容器27内的碳酸钠溶液泵入碳酸溶液池12中，且第三进液管的进液端位于溶液容器27内碳酸钠溶液的上部；穿透第一粘土柱3的⁹⁰Sr离子将与碳酸根离子反应生成碳酸锶沉淀，并通过第三循环泵24从第三出液管26泵入溶液容器27内的碳酸钠溶液中；为避免大颗粒碳酸锶沉淀重新进入碳酸溶液池12，在溶液容器27的内壁底部置入300目的第四多孔透水板28，且第三出液管26的出液端贯穿第四多孔透水板28的顶面。

具体的，第一多孔透水板7、第二多孔透水板8、第三多孔透水板9、第四多孔透水板28均采用聚乙烯材质制成。

具体实施例一：

本实施例中，电化学分离固定装置采用由上述水槽1、一价阴离子交换膜2、第一粘土柱3、阳离子交换膜4、第二粘土柱5、一价阳离子交换膜6、第一多孔透水板7、第二多孔透水板8、第三多孔透水板9、阳极电解池10、废液池11、碳酸溶液池12、阴极电解池13、直流稳压电源14、铂电极15、第一循环泵16、第一进液管17、第一出液管18、第二循环泵19、第二进液管20、第二出液管21、废液容器22、搅拌器23、第三循环泵24、第三进液管25、第三出液管26、溶液容器27、第四多孔透水板28所组成的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置。

进一步的，

①第一粘土柱3和第二粘土柱5的压实与饱和

第一粘土柱3和第二粘土柱5的压实干密度设定为1.5g/cm³，利于导水，从而利于导电；按照固液比(第一粘土柱3中的粘土量与废液量之比)1:30，计算第一粘土柱3中的粘土用量，在压实干密度确定的情况下，可计算出第一粘土柱3的长度和直径；第二粘土柱5的长度为第一粘土柱3的二分之一；第一粘土柱3和第二粘土柱5的粘土压实后，整体放入真空饱和装置中用纯净水进行饱和。

②电解液与碳酸钠溶液配制

为保证整个体系pH值的稳定性，电解液选择磷酸二氢钠和磷酸氢二钠体系；磷酸二氢钠和磷酸氢二钠体系浓度相同均为1mol/L，并按照体积比为1:1.6进行混合，之后将其注入阳极电解池10和阴极电解池13内；

根据碳酸钠在水中的溶解度，按照室温条件下100g水中可溶解20g碳酸钠相应比例进行饱和碳酸钠溶液配制，之后将其通过第三循环泵24泵入碳酸溶液池12内。

③放射性废液处理与放射性核素固定

启动第一循环泵16、第二循环泵19、第三循环泵24，将直流稳压电源14的输出电压设定为40V(此电压下体系电流较大，离子电迁移速度较快，且体系电解液能够通过快速循环保持pH值稳定)，开始含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs放射性废液的处理；当碳酸溶液池12中出现碳酸锶的白色沉淀之后，计算⁹⁰Sr穿透时间和迁移速度V_Sr；按照V_Sr≈10V_Cs≈100V_Pu，可计算出²³⁹Pu的迁移速度V_Pu；考虑第一粘土柱3(假设其柱长为L)和第二粘土柱5(假设其柱长为1/2L)的柱长关系，并且假定某一时间将¹³⁷Cs最终固定于第二粘土柱5左侧末端，速度、柱长关系，确定此时²³⁹Pu将固定在第一粘土柱3右端3/20柱长处，则可通过T＝3L/20V_Pu，计算出相应的通电时间，此时⁹⁰Sr和¹³⁷Cs均已穿透第一粘土柱3，并且⁹⁰Sr形成沉淀、¹³⁷Cs被固定在第二粘土柱5中，即可完成放射性废液中三种核素的去除与固定。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在电场作用下使²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs进入第一粘土柱(3)；

S2：控制电场作用时间，使⁹⁰Sr和¹³⁷Cs穿出第一粘土柱(3)并进入饱和碳酸钠溶液中、¹³⁷Pu保留在第一粘土柱(3)内；

S3：⁹⁰Sr与碳酸根离子反应生成碳酸锶沉淀，¹³⁷Cs继续在电场作用下进入第二粘土柱(5)；

S4：控制电场作用时间，将¹³⁷Cs保留在第二粘土柱(5)内；

电场由电解池提供，电场由直流稳压电源(14)供电。

2.根据权利要求1所述的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定方法，其特征在于：对饱和碳酸钠溶液进行循环过滤，以收集碳酸锶沉淀。

3.根据权利要求1所述的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定方法，其特征在于：当碳酸溶液池(12)中出现碳酸锶的白色沉淀之后，计算⁹⁰Sr穿透时间和迁移速度V_Sr；按照V_Sr≈10V_Cs≈100V_Pu，计算出²³⁹Pu的迁移速度V_Pu；考虑第一粘土柱(3)和第二粘土柱(5)的柱长关系，假设第一粘土柱(3)的柱长为L且第二粘土柱(5)的柱长为1/2L，并且假定某一时间将¹³⁷Cs最终固定于第二粘土柱(5)左侧末端，确定此时²³⁹Pu将固定第一粘土柱(3)右端3/20柱长处，则通过T＝3L/20V_Pu，计算出相应的通电时间。

4.一种含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置，其特征在于：包括水槽(1)和供电系统，所述水槽(1)的内部由右向左依次设置有一价阴离子交换膜(2)、第一粘土柱(3)、阳离子交换膜(4)、第二粘土柱(5)、一价阳离子交换膜(6)，所述水槽(1)的内部由右向左被一价阴离子交换膜(2)、第一粘土柱(3)、第二粘土柱(5)分隔为阳极电解池(10)、废液池(11)、碳酸溶液池(12)、阴极电解池(13)，所述供电系统包括直流稳压电源(14)，所述直流稳压电源(14)的正负极均电连接有铂电极(15)，两个所述铂电极(15)对应放置在阳极电解池(10)和阴极电解池(13)内。

5.根据权利要求4所述的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置，其特征在于：所述第一粘土柱(3)的两侧对称设置有两个第一多孔透水板(7)，所述第一多孔透水板(7)的外壁与第一粘土柱(3)的外壁贴合，所述阳离子交换膜(4)与对应的第一多孔透水板(7)贴合，所述第二粘土柱(5)的两侧分别设置有第二多孔透水板(8)和第三多孔透水板(9)，所述第二多孔透水板(8)、第三多孔透水板(9)均与第二粘土柱(5)的外壁贴合，所述第三多孔透水板(9)位于第二粘土柱(5)和一价阳离子交换膜(6)之间，所述一价阳离子交换膜(6)的外壁与第三多孔透水板(9)的外壁贴合。

6.根据权利要求4所述的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置，其特征在于：所述阳极电解池(10)内设置有第一进液管(17)和第一出液管(18)，所述第一进液管(17)、第一出液管(18)上共同设置有第一循环泵(16)，所述第一进液管(17)的进液端位于阴极电解池(13)内，所述第一出液管(18)的出液端位于阴极电解池(13)内。

7.根据权利要求4所述的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置，其特征在于：所述废液池(11)的外壁贯穿设置有第二进液管(20)和第二出液管(21)，所述第二出液管(21)、第二出液管(21)上共同设置有第二循环泵(19)，所述第二进液管(20)的进液端连通有废液容器(22)，所述第二出液管(21)的出液端位于废液容器(22)内。

8.根据权利要求7所述的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置，其特征在于：所述废液容器(22)上设置有用于搅拌其内部液体的搅拌器(23)。

9.根据权利要求4所述的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置，其特征在于：所述碳酸溶液池(12)的外壁贯穿设置有第三进液管(25)和第三出液管(26)，所述第三进液管(25)、第三出液管(26)上共同设置有第三循环泵(24)，所述第三进液管(25)的进液端连通有溶液容器(27)，所述第三出液管(26)的出液端位于溶液容器(27)内。

10.根据权利要求9所述的含²³⁹Pu、⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的大体积放射性废液电化学分离固定装置，其特征在于：所述溶液容器(27)的内壁设置有第四多孔透水板(28)，所述第三出液管(26)的出液端贯穿第四多孔透水板(28)的顶面后位于第四多孔透水板(28)的下方。