CN115472324A - 一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置、方法及应用，该装置包括精馏单元、电解单元和气体吸附分离单元，精馏单元与电解单元相连通再连通气体吸附分离单元。本发明中，首先利用精馏高处理量的优势将低放含氚废水进行分离浓集处置，使剥淡端的废水中氚浓度达到排放要求，满足废水处理的要求，而提浓端的浓集氚水经电解转成为氢同位素气体，再利用吸附分离方法对氚气进行分离和纯化，在实现含氚废水减容的同时获得纯氚资源，实现资源的有效利用，精馏流程操作条件温和，负压操作，无氚泄露风险，而电解和吸附操作流程简单，易操作，安全可靠，几种分离技术的有机集成可满足大容量含氚废水的处置要求，同时获得高纯氚产品。

Description

一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置、方法及应用

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置、方法及应用。

背景技术

核电作为一种重要的化石能源的替代选项，越来越受到关注和重视，全球核电机组装机容量持续提高。核电反应堆运行过程中会产生一定的含氚废水，在乏燃料后处理过程中也会产生一定的低放含氚废水，含氚废水体量大，氚比活度不高。随着人们的生态环境保护意识的提高，国家也制定了更趋严格的排放标准，原有的高架排放或排海方式已被禁止，这些不断产生的含氚废水对核电运行和乏燃料处后处理都产生极大的影响，亟需一种有效的方法来处置这些含氚废水，使其中的氚含量降到环保排放标准。

氚是一种非常重要的放射性核素，不仅是可控核聚变反应堆的重要原料，也是一种重要的示踪剂，在医药、生化、石油、环保和水文等领域有着重要应用。因此，合理处置含氚废水将不仅能够解决氚污染排放问题，同时也能实现资源的回收再利用。

目前，氚分离浓集的方法主要有低温蒸馏法、水精馏法、电解法、热扩散法、溶剂萃取法、分子激光法、催化交换法、色谱法，以及将两种或多种方法结合起来的工艺及衍生工艺。其中，低温蒸馏法、热扩散法和催化交换法等大部分方法都是需要将原料转换成氢气再进行分离，对于比活度低、体量大的含氚废水，直接进行转换是非常不经济的，也是不现实的。电解法同样也存在处理通量小、不能满足体量大的含氚废水的处理需求的问题。色谱法是氢同位素气体富集分离一种可行方法，但该方法不能用于从含氚废水中直接富集氚。因此，需要开发一种既具有处理大容量低放含氚废水的能力，又具备氚浓集和纯化的方法，使其在解决氚污染排放问题的同时，亦实现氚资源的回收再利用。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置、方法及应用。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，包括精馏单元、电解单元和气体吸附分离单元，所述精馏单元与电解单元相连通再连通气体吸附分离单元，经精馏单元精馏后的塔底液相进入电解单元进行电解，电解单元在阴极产生的气体进入气体吸附分离单元进行气体吸附分离。

进一步的，所述精馏单元包括纯化原水罐、冷凝器、回流中间罐、再沸器、冷却器、浓氚水罐和精馏塔单元，所述纯化原水罐通过进料泵与精馏塔单元的进料入口相连，所述精馏塔单元包括N级精馏塔，第一级精馏塔塔底液相出口分别与再沸器和冷却器相连，所述冷却器与浓氚水罐相连，最后一级精馏塔塔顶依次连通有冷凝器和回流中间罐，所述回流中间罐还与最后一级精馏塔上部回流口相连。

进一步的，N为1～20中的任一个整数，所述精馏塔的塔高为1m～50m，塔径为0.01m～ 10m。

进一步的，第N-1级的精馏塔塔顶出口与第N级的精馏塔塔底入口相连通，第N级的精馏塔塔底出口与第N-1级的精馏塔塔顶入口相连通。

进一步的，所述精馏单元与真空系统相通，工作压力为绝压300mmHg～650mmHg。

进一步的，所述电解单元包括电解池和第一气体收集罐，所述精馏单元的浓氚水罐与电解池相连通，所述电解池和第一气体收集罐相连通。

进一步的，所述气体吸附分离单元包括载气罐、氢同位素吸附分离装置、检测装置、载气分离装置、第二气体收集罐和气体氧化装置，所述载气罐与氢同位素吸附分离装置的进料口相连通，所述电解单元的第一气体收集罐通过氢气泵与氢同位素吸附分离装置的进料口相连通，所述氢同位素吸附分离装置的出料口处设置有检测装置，所述氢同位素吸附分离装置的出料口与载气分离装置相连，所述载气分离装置的出气口与第二气体收集罐和气体暂存罐相连通，所述气体暂存罐连通有电解单元的第一气体收集罐和气体氧化装置，所述气体氧化装置与精馏单元的纯化原水罐相连通。

进一步的，所述氢同位素吸附分离装置的出料口通过三通与气分阀相连，所述气分阀与载气分离装置的进气口相连，所述气体暂存罐通过气泵分别连通至第一气体收集罐和气体氧化装置。

本发明还公开了一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的方法，包括以下步骤：

纯化原水罐中的原水进入精馏单元，最后一级精馏塔的处理通量最大，通过最后一级精馏塔的气液传质和传热交换，原水中的氚富集在最后一级精馏塔底部液相中，最后一级精馏塔塔顶气相通过冷凝器冷凝后进入回流中间罐内，此时冷凝液中氚的浓度已达到排放标准，回流中间罐中的冷凝液一部分返回本级精馏塔，另一部分则作为达标物料从达标水出口流出，最后一级精馏塔底部液相进入前一级精馏塔，逐级提浓，直到进入第一级精馏塔内后，在第一级精馏塔塔底得到浓度5-10％的浓氚水，第一级精馏塔塔底流出的液体中，氚被浓集，一部分液体流入再沸器，受热气化，蒸汽返回本级塔底，向上流动，另一部分液体则经冷却器降温后进入浓氚水罐中收集起来；

浓氚水罐内的液体进入电解池内进行电解，在阳极产生的氧气排掉，阴极产生的氢气被收集到第一气体收集罐中；

第一气体收集罐中的氢气在氢气泵作用下进入氢同位素吸附分离装置内，载气罐中的载气同样进入氢同位素吸附分离装置内，氢气在氢同位素吸附分离装置内完成吸附分离，将不同氢同位素气体分开，根据不同氢同位素气体的解吸时间，气分阀进行切换，分时输出的气体进入载气分离装置内，得到纯氚气、混合气Ⅰ和氢气载气混合气Ⅱ三股气体，纯氚气收集到第二气体收集罐中，混合气Ⅰ收集到气体暂存罐中，氢气载气混合气Ⅱ排掉；待气体暂存罐中的混合气Ⅰ重新平衡后，经由气泵打入第一气体收集罐，重新进行进入氢同位素吸附分离装置和载气分离装置进行分离，循环若干个周期后，气体暂存罐中的气体进入气体氧化装置中，与进入气体氧化装置内的氧气反应变成氢同位素水后重新返回纯化原水罐中。

本发明还公开了一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置在放射性废水处理中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开了一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置、方法及应用，该装置主要包括以下部件：精馏单元、电解单元和气体吸附分离单元，精馏单元与电解单元相连通再连通气体吸附分离单元，经精馏单元精馏后的塔底液相进入电解单元进行电解，电解单元在阳极产生的氧气排掉，在阴极产生的氢气进入气体吸附分离单元进行气体吸附分离，将不同氢同位素气体分开，既具有处理大容量低放含氚废水的能力，又具备氚浓集和纯化的能力，在解决氚污染排放问题的同时，实现氚资源的回收利用。本发明中，首先利用精馏高处理量的优势将低放含氚废水进行分离浓集处置，使剥淡端的废水中氚浓度达到排放要求，满足废水处理的要求，而提浓端的浓集氚水经电解转成为氢同位素气体，再利用吸附分离方法对氚气进行分离和纯化，在实现含氚废水减容的同时获得纯氚资源，实现资源的有效利用，精馏流程操作条件温和，负压操作，无氚泄露风险，而电解和吸附操作流程简单，易操作，安全可靠，几种分离技术的有机集成可满足大容量含氚废水的处置要求，同时获得高纯氚产品。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。

一方面，本发明提供了一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，如图1所示，该装置将精馏、电解和氢吸附分离三种技术相结合，在进行含氚废水减容处理的同时，将废水中的氚进行浓集、纯化，最终能够得到可以利用的氚资源。具体的，本发明提供的含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，主要包括以下部件：精馏单元、电解单元和气体吸附分离单元，精馏单元与电解单元相连通再连通气体吸附分离单元，经精馏单元精馏后的塔底液相进入电解单元进行电解，电解单元在阳极产生的氧气排掉，在阴极产生的氢气进入气体吸附分离单元进行气体吸附分离，将不同氢同位素气体分开。

精馏单元包括纯化原水罐1、冷凝器4、回流中间罐5、再沸器6、冷却器7、浓氚水罐8和精馏塔单元，精馏塔单元包括N级精馏塔3，N为1～20中的任一个整数，纯化原水罐1通过进料泵2与精馏塔单元的进料入口相连，精馏塔单元的进料入口设置于精馏塔单元中最后一级精馏塔3上；第一级精馏塔3塔底液相出口分别与再沸器6和浓氚水罐8 相连，第一级精馏塔3塔底流出的液体中，氚被浓集，一部分液体流入再沸器6，受热气化，蒸汽返回本级塔底，向上流动，另一部分液体则经冷却器7降温后进入浓氚水罐8中收集起来；最后一级精馏塔3塔顶依次连通有冷凝器4和回流中间罐5，回流中间罐5下部出口通过回流泵分别与该级精馏塔3上部回流口及达标水出口相连，最后一级精馏塔3 塔顶气相通过冷凝器4冷凝后进入回流中间罐5内，此时冷凝液中氚的浓度已达到排放标准，因此回流中间罐5中的冷凝液一部分返回本级精馏塔3上部回流口，向下回流，另一部分则作为达标物料从达标水出口流出。

第一级精馏塔3塔顶出口与第二级的精馏塔3塔底入口相连通，第二级精馏塔3塔顶出口与第三级的精馏塔3塔底入口相连通，依次类推，也即第N-1级的精馏塔3塔顶出口与第N级的精馏塔3塔底入口相连通；第二级精馏塔3塔底出口与第一级精馏塔3塔顶入口相连通，第三级精馏塔3塔底出口与第二级精馏塔3塔顶入口相连通，依次类推，也即第N级的精馏塔3塔底出口与第N-1级的精馏塔3塔顶入口相连通。

精馏单元与真空系统相通，工作压力为绝压300mmHg～650mmHg。精馏塔3的塔高为1m～50m，塔径为0.01m～10m。

电解单元包括电解池9和第一气体收集罐10，浓氚水罐8与电解池9相连通，电解池9和第一气体收集罐10相连通，浓氚水罐8内的液体由浓氚泵21送入电解池9内进行电解，在阳极产生的氧气排掉，阴极产生的氢气被收集到第一气体收集罐10中，便于后期进入气体吸附分离单元的氢同位素吸附分离装置13进行氢同位素吸附分离。

气体吸附分离单元包括载气罐12、氢同位素吸附分离装置13、检测装置14、气分阀15、载气分离装置16、第二气体收集罐17和气体氧化装置20，载气罐12与氢同位素吸附分离装置13的进料口相连通，第一气体收集罐10通过氢气泵11与氢同位素吸附分离装置13的进料口相连通，氢同位素吸附分离装置13的出料口处设置有检测装置14，氢同位素吸附分离装置13的出料口通过三通与气分阀15相连，气分阀15与载气分离装置16的进气口相连，载气分离装置16的出气口分别与第二气体收集罐17和气体暂存罐18相连，气体暂存罐18通过气泵19分别连通至第一气体收集罐10和气体氧化装置20，气体氧化装置20与纯化原水罐1相连通。

另一方面，本发明还公开了一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的方法，包括以下步骤：

纯化原水罐1中的原水由进料泵2送入精馏单元的进料口，最后一级精馏塔3的处理通量最大，主要是起到剥淡作用，通过最后一级精馏塔3的气液传质和传热交换，让原水中的氚主要富集在最后一级精馏塔3底部液相中，从最后一级精馏塔3顶部出来的气相中氚含量能满足排放要求，最后一级精馏塔3塔顶气相通过冷凝器4冷凝后进入回流中间罐 5内，此时冷凝液中氚的浓度已达到排放标准，因此回流中间罐5中的冷凝液一部分返回本级精馏塔3上部回流口，向下回流，另一部分则作为达标物料从达标水出口流出，最后一级精馏塔3底部液相进入前一级精馏塔3，继续进行提浓，再进入前前一级精馏塔 3，……，逐级提浓，直到进入第一级精馏塔3内后，达到设计要求的浓度。此处，在利用精馏单元进行精馏分离时，第N级精馏塔3塔底液相从第N-1级精馏塔3塔顶进入第 N-1级精馏塔3内，第N-1级精馏塔3塔顶气相从第N级精馏塔3塔底进入第N级精馏塔 3内。在第一级精馏塔3塔底得到浓度5-10％的浓氚水，第一级精馏塔3塔底流出的液体中，氚被浓集，一部分液体流入再沸器6，受热气化，蒸汽返回本级塔底，向上流动，另一部分液体则经冷却器7降温后进入浓氚水罐8中收集起来，便于后期送入电解池9进行电解；

浓氚水罐8内的液体由浓氚泵21送入电解池9内进行电解，在阳极产生的氧气排掉，阴极产生的氢气被收集到第一气体收集罐10中，便于后期进入气体吸附分离单元的氢同位素吸附分离装置13进行氢同位素吸附分离；

第一气体收集罐10中的氢气在氢气泵11作用下通过氢同位素吸附分离装置13的进料口进入氢同位素吸附分离装置13内，载气罐12中的载气同样通过氢同位素吸附分离装置 13的进料口进入氢同位素吸附分离装置13内，氢气在氢同位素吸附分离装置13内完成吸附分离，将不同氢同位素气体分开，根据检测装置14的检测，气分阀15进行切换，分时输出的气体进入载气分离装置16内，得到纯氚气T2(浓度达到99.5％以上)、混合气Ⅰ(T2、 DT、D2、HT、HD)和氢气载气混合气Ⅱ三股气体，纯氚气T2收集到第二气体收集罐 17中，混合气Ⅰ收集到气体暂存罐18中，氢气载气混合气Ⅱ排掉；待气体暂存罐18中的混合气Ⅰ重新平衡后，经由气泵19打入第一气体收集罐10，重新进行进入氢同位素吸附分离装置13和载气分离装置16进行分离，循环若干个周期后，气体暂存罐18中的气体由气泵19送入气体氧化装置20中，与进入气体氧化装置20内的氧气反应变成氢同位素水后重新返回纯化原水罐1中。

氢同位素吸附分离装置13采用低温洗提柱或常温置换柱等进行分离操作。

同时，本发明还公开了一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置在放射性废水处理尤其在含氚废水处理中的应用。

实施例1

低放废水中氚浓度为1.5×10⁹Bq/L，精馏单元包括四级精馏塔3，四塔液相级联，第一级精馏塔3塔顶出口与第二级的精馏塔3塔底入口相连通，第二级精馏塔3塔顶出口与第三级的精馏塔3塔底入口相连通，依次类推；第二级精馏塔3塔底出口与第一级精馏塔3塔顶入口相连通，第三级精馏塔3塔底出口与第二级精馏塔3塔顶入口相连通，依次类推,处理量为500kg/h，操作压强500mmHg；系统平衡后，从第四级精馏塔3(即最后一级精馏塔3)塔顶采出的物料中氚浓度为95.8Bq/L，第一级精馏塔3塔底出料的物料中氚的浓度为10％，为浓氚水，浓氚水经电解和吸附分离后，收集得到浓度为99.5％以上的纯氚气T2，收集到第二气体收集罐17中，混合气Ⅰ收集到气体暂存罐18中，氢气载气混合气Ⅱ排掉；待气体暂存罐18中的混合气Ⅰ重新平衡后，经由气泵19打入第一气体收集罐10，重新进入氢同位素吸附分离装置13和载气分离装置16进行分离，循环两个周期后，气体暂存罐18中的气体由气泵19送入气体氧化装置20中，与进入气体氧化装置20内的氧气反应变成氢同位素水后重新返回纯化原水罐1中。

本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，其特征在于，包括精馏单元、电解单元和气体吸附分离单元，所述精馏单元与电解单元相连通再连通气体吸附分离单元，经精馏单元精馏后的塔底液相进入电解单元进行电解，电解单元在阴极产生的气体进入气体吸附分离单元进行气体吸附分离。

2.根据权利要求1所述的一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，其特征在于，所述精馏单元包括纯化原水罐、冷凝器、回流中间罐、再沸器、冷却器、浓氚水罐和精馏塔单元，所述纯化原水罐通过进料泵与精馏塔单元的进料入口相连，所述精馏塔单元包括N级精馏塔，第一级精馏塔塔底液相出口分别与再沸器和冷却器相连，所述冷却器与浓氚水罐相连，最后一级精馏塔塔顶依次连通有冷凝器和回流中间罐，所述回流中间罐还与最后一级精馏塔上部回流口相连。

3.根据权利要求2所述的一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，其特征在于，N为1～20中的任一个整数，所述精馏塔的塔高为1m～50m，塔径为0.01m～10m。

4.根据权利要求2所述的一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，其特征在于，第N-1级的精馏塔塔顶出口与第N级的精馏塔塔底入口相连通，第N级的精馏塔塔底出口与第N-1级的精馏塔塔顶入口相连通。

5.根据权利要求2所述的一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，其特征在于，所述精馏单元与真空系统相通，工作压力为绝压300mmHg～650mmHg。

6.根据权利要求1所述的一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，其特征在于，所述电解单元包括电解池和第一气体收集罐，所述精馏单元的浓氚水罐与电解池相连通，所述电解池和第一气体收集罐相连通。

7.根据权利要求1所述的一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，其特征在于，所述气体吸附分离单元包括载气罐、氢同位素吸附分离装置、检测装置、载气分离装置、第二气体收集罐和气体氧化装置，所述载气罐与氢同位素吸附分离装置的进料口相连通，所述电解单元的第一气体收集罐通过氢气泵与氢同位素吸附分离装置的进料口相连通，所述氢同位素吸附分离装置的出料口处设置有检测装置，所述氢同位素吸附分离装置的出料口与载气分离装置相连，所述载气分离装置的出气口与第二气体收集罐和气体暂存罐相连通，所述气体暂存罐连通有电解单元的第一气体收集罐和气体氧化装置，所述气体氧化装置与精馏单元的纯化原水罐相连通。

8.根据权利要求7所述的一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置，其特征在于，所述氢同位素吸附分离装置的出料口通过三通与气分阀相连，所述气分阀与载气分离装置的进气口相连，所述气体暂存罐通过气泵分别连通至第一气体收集罐和气体氧化装置。

9.一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

纯化原水罐中的原水进入精馏单元，最后一级精馏塔的处理通理最大，通过最后一级精馏塔的气液传质和传热交换，原水中的氚富集在最后一级精馏塔底部液相中，最后一级精馏塔塔顶气相通过冷凝器冷凝后进入回流中间罐内，此时冷凝液中氚的浓度已达到排放标准，回流中间罐中的冷凝液一部分返回本级精馏塔，另一部分则作为达标物料从达标水出口流出，最后一级精馏塔底部液相进入前一级精馏塔，逐级提浓，直到进入第一级精馏塔内后，在第一级精馏塔塔底得到浓度5-10％的浓氚水，第一级精馏塔塔底流出的液体中，氚被浓集，一部分液体流入再沸器，受热气化，蒸汽返回本级塔底，向上流动，另一部分液体则经冷却器降温后进入浓氚水罐中收集起来；

浓氚水罐内的液体进入电解池内进行电解，在阳极产生的氧气排掉，阴极产生的氢气被收集到第一气体收集罐中；

第一气体收集罐中的氢气在氢气泵作用下进入氢同位素吸附分离装置内，载气罐中的载气同样进入氢同位素吸附分离装置内，氢气在氢同位素吸附分离装置内完成吸附分离，将不同氢同位素气体分开，根据不同氢同位素气体的解吸时间，气分阀进行切换，分时输出的气体进入载气分离装置内，得到纯氚气、混合气Ⅰ和氢气载气混合气Ⅱ三股气体，纯氚气收集到第二气体收集罐中，混合气Ⅰ收集到气体暂存罐中，氢气载气混合气Ⅱ排掉；待气体暂存罐中的混合气Ⅰ重新平衡后，经由气泵打入第一气体收集罐，重新进行进入氢同位素吸附分离装置和载气分离装置进行分离，循环若干个周期后，气体暂存罐中的气体进入气体氧化装置中，与进入气体氧化装置内的氧气反应变成氢同位素水后重新返回纯化原水罐中。

10.根据权利要求1-8任一所述的一种含氚废水减容处理和氚浓集纯化的装置在放射性废水处理中的应用。

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