PL179430B1

PL179430B1 - Sposób oczyszczania ścieków radioaktywnych

Info

Publication number: PL179430B1
Application number: PL31086595A
Authority: PL
Inventors: Andrzej G Chmielewski; Grazyna Zakrzewska-Trznadel; Marian Harasimowicz; Hook Alexander Van
Original assignee: Inst Fiziki Jadrowej
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 2000-09-29
Also published as: PL310865A1

Abstract

1. Sposób oczyszczania ścieków radioaktywnych za pomocą permeacji membranowej w układzie przeciwprądowym, znamienny tym, że oczyszczanie prowadzi się z wykorzystaniem destylacji membranowej, utrzymując różnicę temperatur po obu stronach hydrofobowej membrany porowatej (12) umieszczonej w komorze permeacyjnej (1) i oddzielającej obieg ciepłego strumienia S surówki, stanowiący ścieki promieniotwórcze w obiegu (A) o temperaturze T od obiegu zimnego strumienia W destylatu stanowiącego wodę w obiegu (B) o temperaturze t< T.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób oczyszczania ścieków radioaktywnych za pomocą destylacji membranowej.

Ciekłe odpady radioaktywne, produkowane przez reaktory jądrowe, laboratoria izotopowe oraz medyczne stanowią poważne niebezpieczeństwo dla człowieka i dla środowiska naturalnego.

Unieszkodliwianie ciekłych odpadów promieniotwórczych realizuje się różnymi metodami, takimi jak współstrącanie, sedymentacja, odparowanie, a także metody permeacji membranowej. Całkowite unieszkodliwienie polega na zatężeniu rozpuszczonych substancji do możliwie · małej objętości, a następnie związanie koncentratu z asfaltem lub cementem, umieszczeniu w pojemnikach stalowych, które zawozi się do miejsca składowania.

Najprostszym sposobem redukcji objętości roztworów radioaktywnych jest odparowanie. Jest to metoda bardzo energochłonna, ajej zastosowanie ogranicza się do zawiesin i roztworów nie ulegających rozkładowi lub przemianom chemicznym w podwyższonej temperaturze. W innych przypadkach sięga się po metody niekonwencjonalne, np. permeacyjne w których wykorzystuje się różną zdolność przenikania wody i substancji w niej rozpuszczonych przez membrany półprzepuszczalne. Sąto głównie metody filtracji ciśnieniowej: ultrafiltracja (UF), nanofiltracja (NF) oraz hiperfiltracja (HF), zwana również odwróconąosmozą(RO). Metody te różnią się mechanizmem, rozmiarami rozdzielanych molekuł lub jonów, wielkością ciśnienia, będącego siłą napędową oraz właściwościami stosowanych membran.

Znany jest sposób oczyszczania ścieków radioaktywnych przy pomocy permeacji membranowej zastosowany w Ginna (USA). Sposób ten polegał na tym, że ciekłe odpady promieniotwórcze zatężane były w 3-stopniowym układzie odwróconej osmozy do 40-krotnej redukcji objętości, z odprowadzeniem permeatu o aktywności właściwej 100-krotnie mniejszej w porównaniu z surówką (0,55 MBq/m³ i 52 MBq/m³). Moduły RO połączono szeregowo w baterię umieszczoną pomiędzy filtrem mechanicznym i kolumnąjonowymienną, usuwającąjony promieniotwórcze ¹³⁴Cs⁺ i ¹³⁷Cs⁺ (membrany RO stosowane w tej instalacji zatrzymywały tylko około 60% jonów cezu). Dalszego zatężania retentatu dokonywano w wyparce {Minnard R, Stana R. R. de Meritt E.: Proc., 2nd National Conf.: Complete Water Reuse, Chicago, 8 May 1975, 936-941, 1975].

Innym przykładem zastosowania metod membranowych do oczyszczania ciekłych odpadów promieniotwórczych jest instalacja przeróbki mieszaniny ścieków radioaktywnych zbudowana w Chalk River Laboratory w Kanadzie [Buckley, L.P., Demonstration of Spiral Wound Reverse Osmosis for Liquid Waste Processing. Rep. AeCl Research Pub. RC-796, COG-92-52

179 430 (1992)]. Ścieki o objętości całkowitej 80 m³ zbierano przez okres ok. 1 tygodnia w specjalnym zbiorniku wstępnym. Zawierały one głównie beta-aktywne substancje o aktywności właściwej 10 000-30 000 Bq/cm3. Cząstki o średnicach większych niż 0,2 pm zatrzymywano w module mikrofiltracji. Retentat z układu mikrofiltracji zatężano w wyparce cienkowarstwowej, a filtrat był surówką dla układu modułów spiralnych do odwróconej osmozy. Czysta woda otrzymywana w modułach spiralnychjako permeat nie stwarzała zagrożenia i mogła być spuszczona do kanalizacji bądź zużyta. Część koncentratu zawracano do zbiornika wstępnego surówki, resztę poddawano dalszej redukcji objętości w systemie rurowym do odwróconej osmozy. Retentat z rurowego RO zatężano w wyparce cienkowarstwowej, a permeat zawracano do modułu spiralnego.

Oczyszczanie ścieków radioaktywnych za pomocą ciśnieniowych metod membranowych (odwróconej osmozy, ultrafiltracji, mikrofiltracji) ma wiele zalet, a w niektórych wypadkach może byćjednym możliwym do zastosowania, np. wprzypadku zatężania substancji ulegających rozkładowi w wysokich temperaturach. Majednak również wiele ograniczeń, do których należą:

® Konieczność przerywania procesu powodowana przez zjawisko powstawania narostów, tzw. fouling, i konieczność czyszczenia membran. Jest to zjawisko nieodłącznie towarzyszące takim procesom jak mikrofiltracja, ultrafiltracja czy odwrócona osmoza. Ocenia się, że ok. 1% ścieków wtórnych jest produkowanych przez mycie membran, • Instalacjado całkowitego oczyszczeniajest dość skomplikowana, składa się z wielu stopni pracujących przy wzrastającym ciśnieniu, angażujących pompy wysokociśnieniowe. Nie możliwe jest otrzymanie w procesie RO permeatu o czystości wystarczającej do bezpośredniego odprowadzenia do środowiska, zwykle membranowy proces ciśnieniowy łączony jest z innym, powodującym zwiększenie współczynnika dekontaminacji, β Obecność środków kompleksujących, które często są stosowane do wiązania radionuklidów, w celu zwiększenia stopnia dekontaminacji pociąga za sobą konieczność zastosowania stopnia oczyszczania wstępnego przed mikrofiltracją czy ultrafiltracją.

Ograniczenia te w znacznym stopniu mogą być pokonane w proponowanej w zgłoszeniu metodzie destylacji membranowej. Nieoczekiwanie, okazało się bowiem, że prowadząc proces destylacji membranowej w stosunkowo prostym urządzeniu jednostopniowym, można uzyskać destylat o czystości radiochemicznej, mogący być bezpośrednio odprowadzony do środowiska, bądź użyty ponownie w procesie technologicznym jako czysta woda; jednocześnie otrzymany w procesie retentat był koncentratem substancji radioaktywnych o stężeniu wystarczającym dla następnego etapu przerobu odpadów promieniotwórczych, tzn. zestalania przy pomocy cementowania.

Destylacja membranowa jest procesem prowadzonym w łagodnych warunkach, przy niedużych ciśnieniach i stosunkowo niewysokich temperaturach, co w przypadku mediów niebezpiecznych, takich jak roztwory radioaktywne, ma niebagatelne znaczenie. Siłą napędową w tym procesie jest różnica prężności par pomiędzy dwoma roztworami oddzielonymi membraną.

Sposób według wynalazku oczyszczania ścieków radioaktywnych za pomocą destylacji membranowej w układzie przeciwprądowym, polega na tym, że utrzymuje się różnicę temperatur po obu stronach hydrofobowej membrany porowatej 12 umieszczonej w komorze permeacyj nej 1 i oddzielającej obieg ciepłego strumienia S surówki, stanowiący ścieki promieniotwórcze w obiegu A o temperaturze T, od obiegu zimnego strumienia W destylatu stanowiącego wodę w obiegu B o temperaturze t <T.

W trakcie procesu wskutek różnicy temperatur pomiędzy strumieniami przepływającymi przeciwprądowo, następuje preferencyjny transport substancji o wyższej prężności par, w tym wypadku wody zawartej w ścieku promieniotwórczym, utrzymywanym w temperaturze wyższej, przez membranę, do strumienia o temperaturze niższej, tzn. do wody o temperaturze t. W ten sposób uzyskuje się po jednej stronie membrany retentat będący koncentratem substancji mało lotnych (radionuklidów), po drugiej zaś, destylat wzbogacony w substancję o wyższej prężności par (wodę). Otrzymana w destylacie woda ma radiochemiczną czystość, tzn. może być bezpośrednio odprowadzona do ścieków komunalych. Proponowana metoda jest procesem

179 430 bezciśnieniowym. Jako membrany mogą być użyte porowate przegrody z policzterofluoroetylenu, polipropylenu i polifluorku winylidenu - foliowe lub kapilarne.

Oczyszczanie ścieków radioaktywnych za pomocą destylacji membranowej sposobem według wynalazku prowadzi się w stosunkowo prostej aparaturze przedstawionej schematycznie na rysunku, na której fig. 1 przedstawia ogólny schemat aparatury, fig. 2 - przekrój pionowy komory permeacyjnej z pojedyncząmembraną foliową, a fig. 3 - zdjęcie modułu kapilarnego z membranami w postaci kapilar z polimeru hydrofobowego.

Aparatura na fig. 1 składa się z dwóch układów: ciepłego obiegu surówki A, którą stanowi ściek radioaktywny i zimnego obiegu destylatu B. Głównym elementem łączącym te układy jest komora permeacyjna 1, wyposażona w szeroko porowatą membranę hydrofobową foliową 12, bądź kapilarną. Układ A posiada termostatowany zbiornik 2, utrzymywany w temperaturze T, wypełniony ściekami promieniotwórczymi, które za pomocą pompy 3 przepompowywane sądo komory permeacyjnej 1 poprzez wymiennik ciepła 4 dodatkowo ogrzewający ścieki radioaktywne cyrkulujące w układzie zamkniętym. Układ B posiada termostatowany zbiornik 5, utrzymywany w temperaturze t <T, wypełniony wodą, która za pomocąpompy 6 przepompowywanajest do komory permeacyjnej 1 poprzez chłodnicę 7. Woda cyrkuluje w układzie zamkniętym. Temperatura w obu układach: ciepłym obiegu ścieków radioaktywnych A i zimnym obiegu wody B kontrolowanajestzapomocątermometrów 8 i 9. Strumienie ciepły S i zimny W wprowadzane są do komory permeacyjnej przeciwprądowo i każdy z nich kontaktuje się z jedną z powierzchni membrany 12, opartej na plastikowej siatce 11. Komora permeacyjna ze stali kwasoodpomej składa się z dwóch korpusów górnego 10 i dolnego 15, uszczelnionych uszczelkami typu o-ring 13. Wewnątrz komory permeacyjnej 1 znajduje się komora destylacyjna 14, z której kondensujący w niej destylat odbierany jest przez strumień zimny.

Zamiast komory permeacyjnej 1 aparaturę można wyposażyć w moduł z membranami polimerowymi w formie kapilar przedstawiony na fig. 3.

Zastosowanie destylacji membranowej do oczyszczania ścieków radioaktywnych według wynalazku ma szereg zalet. Do nich należą:

o łagodne warunku procesowe: wyeliminowanie konieczności stosowania wysokich ciśnień, umiarkowane temperatury, bliskie temperaturom otoczenia, co pozwala na wykorzystanie tanich źródeł ciepła, takich jak ciepło odpadowe pochodzące z układu chłodzenia reaktora jądrowego, © łagodne warunku procesowe pozwalają na stosowanie tworzyw sztucznych jako materiałów konstrukcyjnych, zamiast stali nierdzewnych, co minimalizuje koszty budowy instalacji oraz zjawisko korozji, niedopuszczalne w urządzeniach przemysłu jądrowego, o duża selektywność metody, wysoki współczynnik dekontaminacji gwarantujący uzyskanie destylatu w postaci czystej wody i retentatu będącego zatężonym roztworem radionuklidów, © duża czystość destylatu, większa niż uzyskiwana w klasycznych wyparkach cienkowarstwowych, © w odróżnieniu do odwróconej osmozy, możliwość prowadzenia procesu do wysokich stężeń składnika rozpuszczonego, bliskiego nasycenia, pozwalającego na dużą redukcję objętości i bezpośrednie cementowanie koncentratu, © brak porywania kropli wraz z destylatem, które występuje w wyparkach powodując zanieczyszczenie destylatu, © niewielka odległość pomiędzy powierzchnią odparowania i kondensacji powoduje większą zwartość apratury, © niskie koszty operacyjne, szczególnie w przypadku oczyszczania względnie niedużych objętości roztworów z jakimi mamy do czynienia w omawianym zastosowaniu i przy zastosowaniu ciepła odpadowego.

Przykład I: W aparaturze przedstawionej schematycznie na fig. 1, wktórej komora permeacyjna wyposażonajest membranę hydro fobowąz policzterofluoroetylenu, zbiornik 2 w ciepłym obiegu A wypełniono ściekiem radioaktywnym o aktywności właściwej 1,42 x 10⁴ Bq/dm³,

179 430 natomiast zbiornik 5 zimnego obiegu B wypełniono wodą destylowaną. W układzie ciepłego obiegu A utrzymywano stałą temperaturę T = 60°C, a w układzie obiegu zimnego B t = 23 °C. Natężenie przepływu obu cieczy doprowadzanych przeciwprądowo do membrany wynosiło 4 x 10'³ m^?’/h. Okresowo pbbierano prbyy destylatu (obie g zmnny ) i retentatu (obieg ciepły). Mierzono aktywność właściwą pobranych prób oraz przewodnictwo właściwe epztoΌeóo. Podczas wielu godzin prowadzenia procesu aktywność właściwa destylatu utrzymywała się na stałym poziomie, charakterystycznym dla wody destylowanej - 32 mBq/dm³, przewodnictwo właściwe również było stałe, ok. 1,6 - 2,1 μ/cm. Nie następowało przechodzenie radionuklidów oraz innych zanieczyszczeń nieaktywnych do destylatu, natomiast następowało zatężenie substancji radioaktywnych w eetentacie, z jednoczesną redukcją objętości wprowadzonych do procesu ścieków radioaktywnych. Taki sam przekład wykonano dla membran z polipropylenu i eolifluoeku winylidenu.

Przykład II. Opisywany układ do destylacji membranowej wyposażono w moduł kapilarny z membranami z polimeru hydrofobowego, przedstawiony na fig. 3. Ciecz ciepła (ścieki radioaktywne) wprowadzana byłą do wnętrza kapite, natomiast ciecz zimna (woda) cyrklowała w module na zewnątrz kapilae. W zbiorniku cieczy ciepłej 2, umieszczano ścieki radioaktywne o początkowych aktywnościach właściwych A Bq/dm3, przedstawionych w tabeli. Do zbiornika cieczy zimnej 5, wlano wodę destylowaną. W układzie prowadzono proces destylacji membranowej . Ciecz ciepła (ścieki radioaktywne) i ciecz zimna (woda) przepływały w eezrciwprądzie. Temperatury obu cieczy były stałe i wynosiły odpowiednio: strumienia ciepłego średnio 50°C, a zimnego 40°C. Natężenia przepływu strumieni wynosiły odpowiednio: ciepłego - 8,3 x 10)- m³/h. a zimnego -12,4 x 10^ m³/h. OPresw^oo pobietane ył^yy próyy destyratu i rerentatu. Mieroano aktywność właściwą pobranych prób oraz przewodnictwo właściwe roztworów. Podczas wielu godzin prowadzenia procesu aktywność właściwa destylatu utrzymywała się na stałym poziomie, naturalnego tła - 32 mBq/dm3, przewodnictwo właściwe również było stałe i wynosiło ok. 1,6 - 2,1 μ/cm, tak jak dla wody destylowanej. Proces prowadzoap przez wiele godzin, uzyskując w końcowym efekcie wielokrotne zatężenie ścieków radioaktywnych. Przykład powtórzono dla ścieków promieniotwórczych, o różnej aktywności początkowej. Zestawienie wyników zatężania metodą destylacji membranowej przedstawiono w tabeli.

Tabela

Zmiana właściwości ścieków radioaktywnych zatężanych metodą destylacji membranowej (wyniki do przykładu II)

Nr kolejnej próbki	Czas trwania zatężania [h]	Współczynnik redukcji objętości VRC	Przewodnictwo właściwe początkowe [mS/cm]	Przewodnictwo właściwe końcowe [mS/cm]	Aktywność właściwa początkowa [Bq/dm³]	Aktywność właściwa końcowa [Bq/dm³]	Współczynnik wzrostu aktywności
1	14	1,64	12,4	19,9	1,42 x 10⁴	2,27 x 104	1,6
2	11,5	9,3	1,35	8,89	1,14 x 10⁴	1,05 x 10⁵	9,2
3	12	10,15	1,26	8,62	1,03 x 104	9,91 x 104	9,6
4	13	9,66	1,83	9,41	1,77 x 104	1,66 x 105	9,4
5	12	8,6	1,72	9,02	1,38 x 104	1,17 x 105	8,5
6	11,5	10,15	0,43	4,33	1,8 x 10³	1,78 x 104	9,9
7	12	9,76	2,03	10,4	4,3 x 104	4,02 x 105	9,3

179 430

Fig. 2

179 430

Fig. 3

179 430

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób oczyszczania ścieków radioaktywnych za pomocą permeacji membranowej w układzie przeciwprądowym, znamienny tym, że oczyszczanie prowadzi się z wykorzystaniem destylacji membranowej, utrzymując różnicę temperatur po obu stronach hydrofobowej membrany porowatej (12) umieszczonej w komorze permeacyjnej (1) i oddzielającej obieg ciepłego strumienia S surówki, stanowiący ścieki promieniotwórcze w obiegu (A) o temperaturze T od obiegu zimnego strumienia W destylatu stanowiącego wodę w obiegu (B) o temperaturze t <T.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się porowate membrany hydrofobowe z policzterofluoroetylenu, polipropylenu lub polifluorku winylidenu.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosowane membrany mogą być foliowe lub kapilarne, pracujące w systemie modułowym.