DE3713694A1 - Verfahren zur aufbringung einer schicht aus einem ionenaustauschharz auf einem filterelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung einer Schicht aus einem Ionenaustauschharz auf einer tragenden, flüssigkeitsdurchlässigen Matrix eines Filterelementes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In Kernkraftanlagen werden Ionenverunreinigungen aus dem Wasser im Reaktorprimärkreis normalerweise mit Hilfe von Io­ nenaustauschfiltern beseitigt, welche ein Ionenaustauschharz enthalten. Die Verunreinigungen bestehen hauptsächlich aus Korrosionsprodukten des Konstruktionsmaterials für den Pri­ märkreis, wie zum Beispiel Ionen aus Eisen, Mangan und Chrom oder Ionen, die ein solches Element enthalten und die da­ durch radioaktiv geworden sind, daß das Wasser, welches diese Korrosionsprodukte enthält, den Reaktorkern passiert hat. Das Wasser des Primärkreises kann auch Verunreinigungen in Form von Spaltprodukten des Reaktorbrennstoffes enthal­ ten, die durch Undichtigkeiten in das Wasser eingedrungen sind. Selbst Wasser außerhalb des Primärkreises, wie zum Beispiel Wasser aus den Fußbodenrainierrohren und Abführ­ rohren, wird normalerweise in Filtern mit Ionenaustauschharz gereinigt, um radioaktive Verunreinigungen zu beseitigen.

Ein Ionenaustauschfilter der vorgenannten Art enthält häufig eine Kammer, in der eine Vielzahl von Filterelementen unter­ gebracht ist, von denen jedes aus einer wasserdurchlässigen tragenden Matrix und einer Schicht aus kleinen Partikeln ei­ nes Ionenaustauschharzes (Anschwemmschichtfilter) besteht, die auf der tragenden Matrix in der Kammer aufgebracht ist. Die Schicht aus Ionenaustauschharz kann auf der tragenden Matrix dadurch aufgebracht werden, daß das Filter in einem Flüssigkeitszirkulationssystem angeordnet wird, wobei der Flüssigkeit eine Suspension aus Ionenaustauschharz zugeführt wird während die Flüssigkeit in dem Zirkulationssystem zir­ kuliert.

Beim Aufbringen einer Schicht aus Ionenaustauschharz in ei­ nem Ionenaustauschfilter wird gewöhnlich ein Gemisch aus pulverförmigem Kationen-Austauschharz und pulverförmigem Anionen-Austauschharz in Form einer Suspension in Wasser verwendet. Gewöhnlich wird das Mischen des Kationen-Aus­ tauschharzes und des Anionen-Austauschharzes zur gleichen Zeit ausgeführt, zu der die Suspension im Wasser hergestellt wird, und zwar durch Verwendung eines Tanks, der mit einem drehbaren Rührer versehen ist, zum Beispiel einem Turbinen­ rührer. Dieser Prozeß ist zeitraubend, und führt zu einem Resultat, dessen Reproduzierbarkeit schwer oder fast unmög­ lich ist. Der Grund hierfür ist in erster Linie die Neigung zur Entstehung einer Agglomeration der Partikel, die durch die große elektrostatische Ladung der Partikel bedingt ist. Wenn die Suspension dann dem zirkulierenden Wasser im Zirku­ lationssystem, in welchem der Ionenaustauschfilter angeord­ net ist, zugeführt wird, findet eine Verdünnung der Suspen­ sion statt, die zur Folge haben kann, daß die Teilchen des Ionenaustauschharzes nicht homogen in der verdünnten Sub­ stanz verteilt sind. Als Folge davon ergibt sich eine un­ gleichmäßige Überzugsschicht der Partikel auf der tragenden Matrix. Auch wenn die Herstellung der Suspension von einem gemischten Produkt des Ionenaustauschharzes ausgeht, beste­ hen die gleichen Schwierigkeiten, auf der tragenden Matrix Überzugsschichten zu erzeugen, die reproduzierbare Eigen­ schaften haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung eines Ionenaustauschfilters der eingangs genann­ ten Art zu entwickeln bei dem das Filter vorbestimmte und reproduzierbare Eigenschaften hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungs­ gemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Gemäß der Erfindung erfolgt die endgültige Mischung des Ionenaustauschharzes und des Wassers vor Verwendung des Io­ nenaustauschharzes für die Erzeugung einer Überzugsschicht in einem Spezialmischer, welcher zusammen mit dem Filter in dem Flüssigkeitszirkulationssystem angeordnet ist und der als ein Rohr mit stationären Mischelementen ausgebildet ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die Mi­ schelemente des Mischers aus schraubenförmig geformten, bandförmigen Elementen, wobei zwei unmittelbar hintereinan­ der angeordnete Mischelemente um die Achse des Rohres gegen­ einander verdreht sind. Vorzugsweise haben zwei benachbart zueinander angeordnete Mischelemente eine mit entgegenge­ setztem Drehsinn verlaufende schraubenartige Form, das heißt, daß nach einem Mischelement mit einer rechtsläufigen Schraubenform ein Mischelement mit einer linksläufigen Schraubenform folgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden suspendiertes Anionen-Austauschharz und suspendiertes Katio­ nen-Austauschharz dem Eintrittsende des Mischers getrennt zugeführt. Zusammen mit dem Wasser, welches gleichzeitig dem Einlaßende zugeführt wird, erhält man nach dem Passieren des Mischers eine Suspension mit sehr gut reproduzierbaren Ei­ genschaften. Es ist jedoch auch möglich, eine Mischung aus suspendiertem Anionen-Austauschharz und Kationen-Austausch­ harz dem Eintrittsende des Mischers zuzuführen.

Das organische Ionenaustauschharz ist vorzugsweise ein Poly­ mer, wobei der Anionenaustauscher aus einem mit Divinylben­ zol vernetztem Styren mit quaternären Amoniumgruppen beste­ hen kann und der Kationenaustauscher aus einem sulfonierten mit Divinylbenzol vernetztem Polysteren bestehen kann. Die Partikel der Ionenaustauscher haben vorzugsweise eine mitt­ lere Korngröße von 10 bis 100 Mikrometer. Die Ionenaus­ tauschharze werden vorzugsweise in Form einer Suspension in Wasser aufbewahrt mit einem Trockensubstanzgehalt von 5 bis 20 Gewichtsprozent, bevor sie der Vermischung oder Verdun­ nung mit Wasser zugeführt werden, um das Produkt herzustel­ len, welches für die Bildung einer Schicht auf den tragenden Matrizen der Filterelemente verwendet wird und aus diesem Grunde mit diesen in Kontakt gebracht wird. In dem genannten verdünnten Produkt beträgt der Trockensubstanzgehalt vor­ zugsweise 100 bis 500 ppm.

Die wasserdurchlässige Matrix kann rohrförmig ausgebildet sein, sie kann aber auch eine andere Gestalt haben. Sie kann beispielsweise aus einem perforierten Metallrohr, zum Bei­ spiel aus rostfreiem Stahl, oder einem porösen Rohr aus ke­ ramischen Material, wie zum Beispiel Aluminiumoxyd, oder ei­ nem Rohr aus Fasermaterial, wie zum Beispiel einem Rohr aus Papier, bestehen. Die tragende Matrix kann eventuell mit ei­ nem Überzug auf der rohrförmigen oder anders geformten Basis versehen sein, der beispielsweise aus Aktivkohle, Silizium­ oxyd, oder einem Fasermaterial wie einem Polymer, zum Bei­ spiel Polypropylen, oder Zellulose in Form kurzer Fasern oder in Form einer Drahtwicklung bestehen. Die tragende Ma­ trix hat eine solche Porosität, daß sie die Bildung von Schichten aus einem Ionenaustauschharz erlaubt, welche ein vollständig klares Filtrat erzeugen.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen eines Ionenaus­ tauschfilters, das in einem Zirkulationssystem ange­ ordnet ist, welches einen Mischer zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung enthält,

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab eine schematische Darstel­ lung eines Mischers, wie er in der Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 verwendet wird,

Fig. 4 und 5 einen Querschnitt durch den Mischer, gesehen in zwei entgegengesetzten Richtungen A beziehungs­ weise B, wie in Fig. 3 angedeutet.

Das Ionenaustauschfilter 1 der in den Fig. 1 und 2 ge­ zeigten Anordnung besteht aus einem zylindrischen Druckgefäß mit kuppelförmigen Stirnwänden 2 und 3, von denen die Stirn­ wand 2 als abnehmbarer Deckel ausgebildet ist. Das Druckge­ fäß ist in eine obere Kammer 5 und eine untere Kammer 6 un­ terteilt. Das Druckgefäß enthält eine große Anzahl rohrför­ miger flüssigkeitsdurchlässiger Filterelemente 7, von denen in den Figuren nur vier dargestellt sind. Jedes Filterele­ ment 7 besteht im gezeigten Beispiel aus einem perforierten Stahlrohr, dessen Außenseite mit Polypropylenfasern umge­ ben ist. Die Eingangsseite der Filterelemente 7 für das zu filternde Medium ist zur Kammer 5 gerichtet, die ihrerseits mit einem Einlaß 8 für das Medium versehen ist. Die Aus­ trittsseite der Filterelemente 7 steht in Verbindung mit der Kammer 6, die ihrerseits mit einem Auslaß 9 für das Medium versehen ist, welches die Wände der Filterelemente 7 pas­ siert hat. Beim Aufbringen der Schicht aus Ionenaustausch­ harz auf die Filterelemente 7 gemäß Fig. 1 und 2 ist das Filter 1 in einem Zirkulatiossystem 10 angeordnet, welches außerdem einen Mischer 11 in Gestalt eines weiter unten im Detail beschriebenen Rohres mit stationären Mischelementen sowie eine Pumpe 12 enthält, welche für die Flüssigkeitszir­ kulation im System 10 sorgt. Ein Gefäß 13, welches Kationen- Austauschharz 13 a enthält, und ein Gefäß 16, welches Anio­ nen-Austauschharz 16 a enthält, ist über eine Leitung 14 mit einem Ventil 15 beziehungsweise über eine Leitung 17 mit ei­ nem Ventil 18 an das Eintrittsende 11 a des Mischers 11 für die zirkulierende Flüssigkeit angeschlossen. Das Kationen- Austauschharz 13 a besteht aus sulfoniertem Polystyren, ver­ netzt mit 8 Prozent Divinylbenzol, mit der Summenformel

C_8,16H_8,16(SO₃)_0,92

und einem Molgewicht von 180. Die Anionen- Austauschharze 16 b bestehen aus einem mit 8 Prozent Divinylbenzol vernetzten Polystyren mit quaternären Amoniumgruppen mit der Summenformel

C_10,92H_16,44(NO)_0,92

und einem Molgewicht von 175. Die Partikel des Kationen-Austausch­ harzes 13 a sowie die Partikel des Anionen-Austauschharzes 16 a haben eine mittlere Korngröße von 35 Mikrometer. Der trockene Feststoffgehalt in dem suspendierten Kationen-Aus­ tauschharz 13 a im Gefäß 13 beträgt 10 Gewichtsprozent, und der trockene Feststoffgehalt des suspendierten Anionen-Aus­ tauschharzes 16 a im Gefäß 16 beträgt auch 10 Gewichtspro­ zent. Das Kationen-Austauschharz 13 a und das Anionen-Aus­ tauschharz 16 a werden am Eintrittsende 11 a des Mischers 11 im Gewichtsverhältnis 2 : 1 zugeführt und mit dem im System zirkulierenden Wasser vermischt, so daß die Mischung eine Gesamtkonzentration an Kationen- und Anionen-Austauschharz von 400 ppm hat. Der Auftragungsprozeß wird unterbrochen, wenn die Dicke des Überzugs auf den Filterelementen 7 sieben mm erreicht hat.

In der in Fig. 2 gezeigten Art der Herstellung des Überzugs werden das Kationen-Austauschharz 13 a und das Anionen-Aus­ tauschharz 16 a in einem separaten Mischgefäß 19 gemischt, bevor die so gewonnene Mischung über die Leitung 20 mit dem Ventil 21 dem Eintrittsende 11 a des Mischers 11 zugeführt wird. Der Mischer 19 kann von gleicher Art wie der Mischer 11 sein. Er kann aber auch anders ausgebildet sein, bei­ spielsweise als ein Tank mit einem rotierbaren Rührer.

Gemäß den Fig. 3 bis 5 besteht der Mischer 11 aus einem Rohr mit einem Eintrittsende 11 a und einem Austrittsende 11 b. Der Mischer 11 enthält eine Anzahl von Mischelementen 11 c, 11 d, 11 e, 11 f, 11 g und 11 h, die in Längsrichtung des Rohres hintereinander angeordnet sind. Jedes Mischerelement 11 c bis 11 h besteht aus einem schraubenförmig gebogenem bandförmigen Element, welches sich in Längsrichtung des Rohres erstreckt. Die Elemente 11 c, 11 e und 11 g haben eine rechtsgängige Schraubenform und sind untereinander in gleicher Winkellage im Rohr orientiert. Die Elemente 11 d, 11 f und 11 h haben eine linksgängige Schraubenform und sich untereinander in der gleichen Winkellage in dem Rohr orientiert. Die Elemente 11 d, 11 f und 11 h haben also eine spiegelverkehrte Form im Verhältnis zu den Elementen 11 c, 11 e und 11 g. Außerdem sind die Elemente 11 d,11 f und 11 h im Verhälnis zu den Elementen 11 c, 11 e und 11 g um 90 Grad um die Achse des Rohres versetzt angeordnet. Sämtliche Elemente erstrecken sich über den ge­ samten Querschnitt des Rohres. Aneinandergrenzende Seiten benachbarter Elemente sind miteinander verbunden durch Aus­ nehmungen 24 in den Elementen 11 c, 11 e und 11 g, in welche die Kanten 25 der Elemente 11 d, 11 f und 11 h eingreifen. Ein am Eintrittsende 11 a des Rohres eingespeister Materialfluß 22 wird durch das Element 11 c in zwei Teilflüsse 22 a und 22 b unterteilt. Aus diesen Teilflüssen werden neue Teilflüsse 22 c und 22 d durch das Element 11 d gebildet. Aus den Teilflüssen 22 c und 22 d werden zwei neue Teilflüsse 22 e und 22 f durch das Element 11 e gebildet. Aus den Teilflüssen 22 e und 22 f werden zwei neue Teilflüsse 22 g und 22 h durch das Element 11 f gebildet. Aus den Teilflüssen 22 g und 22 h werden zwei neue Teilflüsse 22 i und 22 j durch das Element 11 g ge­ bildet. Aus den Teilflüssen 22 i und 22 j werden zwei neue Teilflüsse 22 k und 22 l durch das Element 11 h gebildet. Diese Teilflüsse werden wieder zu einem Materialfluß 22 m am Aus­ trittsende 11 b des Rohres vereinigt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Aufbringung einer Schicht aus kleinen Par­ tikeln eines organischen Ionenaustauschharzes auf einer tra­ genden, flüssigkeitsdurchlässigen Matrix eines Filterelemen­ tes (7), welches in einer Kammer (5) eines Ionenaustausch­ filters (1) angeordnet ist, zur Filterung von Flüssigkeiten, die radioaktive Bestandteile enthalten, wobei das Filter in einem Zirkulationssystem (10) für Wasser und eine Suspension aus dem Ionenaustauschharz (13 a, 16 a) angeordnet ist und das Ionenaustauschharz dem Wasser zugeführt wird, während das Wasser in dem Zirkulationssystem zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zirkulationssystem (10) ein Mischer (11) angeordnet ist, der aus einem Rohr mit einer Anzahl von hintereinander in Längsrichtung des Rohrs angeordneten stationären Mischelementen (11 c-11 h) besteht, daß ein Materialfluß (22), der am Eintrittsende (11 a) des Rohres zugeführt wird, fortlaufend in eine Anzahl von Teilflüssen (22 a-22 l) unterteilt wird, die unterschiedliche Teile des Ausgansmaterialflusses (22) enthalten, daß die Teilflüsse (22 a-22 l) wieder zu einem Materialfluß (22 m) ver­ einigt werden, bevor sie das Austrittsende (11 b) des Rohres erreichen, und daß das suspendierte Ionenaustauschharz dem Eintrittsende (11 a) des Rohres für das Zirkulationswasser zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mischelemente (11 c-11 h) des Mi­ schers (11) aus schraubenförmig geformten bandartigen Ele­ menten (11 c-11 h) bestehen und daß zwei aufeinander folgende Mischelemente gegeneinander um die Achse des Rohres verdreht sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden aufeinanderfolgend angeord­ neten schraubenförmig geformten bandförmigen Elemente (11 c- 11 d) Schraubenformen mit entgegensetztem Drehsinn haben.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß suspendier­ tes Anionen-Austauschharz (16 a) und suspendiertes Kationen- Austauschharz (13 a) dem Eintrittsende (11 a) des Mischers (11) getrennt zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß eine suspen­ dierte Mischung aus Anionen-Austauschharz (16 a) und Katio­ nen-Austauschharz (13 a) dem Eintrittsende (11 a) des Mischers zugeführt wird.