Спосіб очищення води від радіонуклідів

Реферат: Винахід належить до очищення води, яка використовується в технологічних системах ядерних реакторів, а також інших водних середовищ, від радіонуклідів. Забруднену радіонуклідами воду пропускають через ємність, в якій розміщена система електродів, на які подається низьковольтна постійна напруга. Під дією поперечного електричного поля іони радіонуклідів концентруються біля катодів і залишаються біля них. До споживача надходить очищена від радіонуклідів вода. Необхідний рівень очищення забезпечується підбором значень параметрів процесу очищення. Очищення води до допустимих рівнів досягається за допомогою простого технічного обладнання при високих техніко-економічних показниках процесу очищення. Запропонований підхід є універсальним і може застосовуватись також для виділення із води металівє, або очищення від них. Технічним результатом винаходу є підвищення ефективності очищення води. UA 113672 C2 (12) UA 113672 C2 UA 113672 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до ядерної енергетики, а саме до способів очищення води, яка використовується в технологічних системах ядерних реакторів, а також інших водних середовищ, від радіонуклідів. На об'єктах ядерної енергетики в процесі їх експлуатації створюються великі об'єми рідких радіоактивних відходів, які скидають в навколишнє середовище. При аваріях на цих об'єктах можуть викидатись радіонукліди, забруднюючи навколишнє середовище, зокрема воду. Радіоактивні речовини, які знаходяться в воді в кількостях, які перевищують допустимі концентрації, є джерелом потенційної небезпеки для біологічних об'єктів. Щоб забруднена вода стала радіоактивно безпечною, її дезактивують. Подальша утилізація сконцентрованих в значно менших об'ємах новоутворених радіоактивних відходів стає більш простою проблемою. Для очищення забрудненої радіонуклідами води можуть застосовуватися методи: фізичні (відстоювання, фільтрування, мембранні, термічні), хімічні (окислення, осадження, реагентні), фізико-хімічні (адсорбція, іонообмін, сорбція, електрохімічні) [1]. Для досягнення потрібного рівня очищення води від радіонуклідів часто вимушені поєднувати перераховані методи. Недоліками цих методів є висока енерговитратність, необхідність проведення складних операцій як при їх підготовці, так і проведенні, а також складність устаткування та використання великої кількості реагентів. Для розробки способу, який пропонується, були досліджені склад і особливості поведінки радіонуклідів в воді. В воді, яка використовується при експлуатації ядерних енергетичних установок, а також в водоймах, які забруднені радіонуклідами в результаті аварій з викидом в навколишнє середовище (Чорнобильська АЕС, АЕС "Фукусіма 1"), в найбільшій кількості знаходяться радіоізотопи цезій-137 та стронцій-90 [2]. Це метали, які знаходяться в воді у вигляді позитивних іонів. В цьому випадку вода стає електропровідником, тобто електролітом, з надзвичайно низькою концентрацією носіїв електричних зарядів. Тому для очищення води від радіонуклідів можуть застосовуватися електрохімічні методи, в основі яких лежить явище електролізу - виділення із води складових частин розчиненої в неї речовини [3]. Це явище виникає при зануренні в електроліти двох електродів, які підключені до джерела струму. Виникає електричне поле, під дією якого іони, які знаходяться в воді, рухаються в напрямах на електроди, нейтралізують на них свої заряди і перетворюються на нейтральні частини. Радіоактивність, яка властива ряду ізотопів хімічних елементів, не впливає на процес електролізу. Це пов'язано з тим, що всі ізотопи одного хімічного елемента як стабільні, і так і нестабільні (радіоактивні), мають однакові хімічні властивості і тільки незначно відрізняються один від одного масами і деякими фізичними характеристиками. Тому в воді поведінка іонів радіонуклідів хімічного елемента нічим не відрізняється від поведінки іонів його стабільних ізотопів. Оскільки електродний потенціал цезію та стронцію дуже низький, на катоді вони осідати не будуть, а будуть концентруватись біля нього. При цьому товщина прикатодного шару -5 іонів не більше ніж 10 м [3]. В [4] описаний спосіб, взятий за аналог, регулювання вмісту іонів алюмінію в питній воді. У відповідності з ним, в воду, після коагуляції з використанням алюмінієвого реагенту, поміщають електроди, які підключають до джерела постійного струму. В процесі електролізу води біля катода створюється білий осадок - гідроксид алюмінію, який відділяють від води фільтруванням. Ефективність очистки води від алюмінію досягає 70 %. Як прототип вибрано спосіб очищення підземних вод від іонів бору [5]. Згідно з даним способом воду, яку потрібно очистити, пропускають через постійне електричне поле між двома інертними електродами, розміщеними в ємності. Позитивні іони бору переносяться до катода і групуються біля нього, оскільки іони бору мають низький електродний потенціал. Довжина електродів повинна бути такою, щоб за час руху води вздовж них всі іони бору змогли підійти до катода. На виході із ємності вода розділяється на два потоки, один із яких, що містить очищену від бору воду, направляється до споживача, а другий, в якому концентрація іонів підвищена в процесі очищення, направляється в стік. Підземні води, як правило, суттєво мінералізовані і на катоді виділяються іони бору і інших металів, а на аноді - інших хімічних речовин. Це веде до великих витрат електроенергії, активному забрудненню поверхні електродів і до виникнення інших процесів в електроліті, які знижують техніко-економічні показники процесу очищення води. До недоліків приведених способів належить також те, що вони не забезпечують високий ступінь очищення води від іонів металу і мають низьку ефективність. 1 UA 113672 C2 5 10 15 Електричне поле діє на іони всіх металів, які знаходяться в розчині, а не тільки на окремі з них. Тому розглянуті способи можуть бути застосовані для очищення води від будь-яких металів, в тому числі і їх радіоактивних ізотопів. Задачею винаходу, що пропонується, є створення ефективного процесу очищення води від забруднюючих її радіонуклідів, насамперед, від цезію-137 та стронцію-90. Поставлена задача реалізується за рахунок того, що воду, яка підлягає очищенню, пропускають через ємність 1, в якій розміщена система електродів 2, виготовлених у вигляді пластин із хімічно нейтрального металу, наприклад, нержавіючої сталі (креслення). Електроди, які мають довжину l і розміщені на відстані d один від одного, підключені до джерела постійного струму 3. Аноди А і, відповідно, катоди К об'єднані між собою паралельно. Вода, яка підлягає очищуванню, подається в ємність 1 із швидкістю VB . Рухаючись із цією швидкістю разом з водою, радіонукліди знаходяться в міжелектродному просторі ti  l / VB часу. Після проходження між електродами 3 очищена від радіонуклідів вода надходить до споживача. Під дією напруженості електричного поля E , яке створене джерелом струму 3, позитивні іони радіонуклідів рухаються в напрямі катода із швидкістю V  a  E , 20 де a  - рухливість іонів в воді, яка береться із таблиць (наприклад, в [6]). Для видалення всіх радіонуклідів, які внесені водою в ємність з електродами, необхідно, щоб вони за час ti встигли сконцентруватись біля катода. Ця вимога буде виконана, якщо мінімальна довжина катода l буде такою, щоб іони, які надійшли в міжелектродний простір біля анода і мають перпендикулярну до напряму руху води складову швидкості іонів V , за час ti подолали відстань d, тобто виконувалось співвідношення 25 d  V  ti . (1) 30 Для забезпечення прийнятних техніко-економічних показників процесу очищення води від радіонуклідів, знайдемо кількісний зв'язок між параметрами цього процесу. Враховуючи, що E  U / d , де U- напруга джерела струму, довжину електродів l можна знайти із виразу l  VB  t i  VB  (d / V )  ( VB  d2 ) /(a   U) . (2) 35 40 45 50 55 На практиці значення параметрів установки для очищення води від радіонуклідів, які входять в вираз (2), а саме - довжина електродів l, відстань між ними d, задаються. Також відома і рухливість іонів радіонуклідів a  , від яких очищується вода. Тому вираз (2) представимо інакше, а саме U / VB  d2 (l  a  ) . (3) Із цього виразу видно, що на практиці процесом очищення води можна керувати шляхом регулювання швидкості руху води VB та напруги U. -5 Ті іони, які скупчились біля катода в шарі товщиною до 10 м, можуть переміщатись вздовж еквіпотенціальної поверхні катода під дією руху води і покинути межі ємності, що може призвести до пониження ступеня очистки води. Для запобігання цьому ефекту пропонується нанести на катод сітку із діелектричного матеріалу товщиною до 0,5 мм, яка буде нездоланною перепоною для іонів. В результаті іони залишаються біля катода в комірках цієї захисної сітки. Такий захисний шар товщиною до 0,5 мм можна зробити з фільтруючих матеріалів, які здатні пропускати через себе іони металів в напрямі до катода і гальмувати їх рух вздовж нього. З цією ж метою також можна заповнювати фільтруючим матеріалом весь міжелектродний простір. При очищуванні води під дією електричного поля можуть утворитись нові речовини, які випадають в осад під дією сил тяжіння. Щоб вони не накопичувались в міжелектродному просторі, пропонується електродні пластини розміщати вертикально. 2 UA 113672 C2 5 10 Очікуваний технічний результат полягає в тому, що за допомогою простого технічного обладнання може бути виконане очищування води від радіонуклідів до допустимих рівнів їх концентрації. Це дозволить при високих техніко-економічних показниках процесу очищення повернути в господарський оборот велику кількість забрудненої радіонуклідами води, яка була джерелом потенційної небезпеки для біологічних об'єктів. Запропонований підхід є універсальним і може застосовуватись для виділення із води домішок різних металів низької концентрації або для очищення від них. Оцінимо можливості практичної реалізації запропонованого способу очищення забрудненої радіонуклідами води. Приймемо, що використовується установка з габаритами системи 3 -2 електродів 1×1×1 м довжиною l=1 м кожний, відстанню між ними d=10 м, і загальним перерізом S  1м2 . На електроди подається напруга U=10 В. Із радіонуклідів цезію-137 і стронцію-90 меншу рухливість мають іони стронцію. Враховуючи сильну залежність рухливості іонів від температури води, виберемо найменше її можливе значення (при 0 °С), яке взяте із [6], 15 a   3,2  10 8 м2 /(В  с ) . Перпендикулярна до напряму руху води складова швидкості іонів V під дією поперечного електричного поля напругою E , в відповідності із [3], 20 V  a   E  (a   U) / d  (3,2  10 8  10 ) / 10 2  3,2  10 6 м / с . 25 Відстань d  10 2 м іони подолають за час t i  d / V  10 2 / 3,2  10 6  3,1 10 3 c . Для того, щоб за цей час всі іони радіонуклідів гарантовано підійшли до катода довжиною l=1 м, вода повинна рухатись із швидкістю VB  1/ t i  1/(3,1 10 3 )  3,2  10 4 м / с . 30 Через переріз системи електродів за одну секунду протікає q    S  VB води [7]. 3 3 Враховуючи, що густина води  = 10 кг/м , отримаємо q  10 3  1 (3,2  10 4 )  0,32кг / с 6 Забруднена вода масою М =10 кг буде очищена за час 35 t i  M / q  10 6 / 3,32  3,1 10 6 c  860год  36 діб. Якщо очищення проводити при температурі води 25 °С, то, згідно з [6], рухливість стронцію 40 45 підвищиться до a   59,2  10 8 м2 /(B  c ) . Як це слідує із виразу (1), забруднена вода масою M може бути очищена майже в два рази швидше. Оцінимо необхідну потужність джерела струму при очищенні від радіонуклідів води, яка використовується, наприклад, в основних технологічних системах АЕС. Ця вода має високу чистоту, тому можна прийняти, що її електропровідність не перевищує значення   5  10 3 Oм1  м1 [3]. При низькій концентрації іонів в воді справедливий закон Ома, тому електричний опір провідника, яким є міжелектродний простір, визначається із формули R    d/ S , 2 50 де S - сумарна площа всіх анодів, м . Розрахунки показують, що при товщині пластини електрода h =0,001 м і відстані між ними d=0.01 м, в ємності шириною b=1 м розміщується b /(d  h)  1/(0,01  0,001) =91 електродів. Із них 1 2 анодів 45, з площею однієї поверхні кожного S =1 м . Враховуючи, що струм протікає через 3 UA 113672 C2 обидві сторони кожного анода, загальна площа поверхні всіх анодів S  2  1 45  90 м2 . Опір струму, що протікає через електроди, дорівнює R  5  10 3  10 2 / 90  0,02 Oм . 5 Потужність електричної енергії, яку споживає дана система очищення води, складає P  U2 / R  10 2 B2 / 0,02 Oм  10  10 3 / 4  5кВт . 10 15 20 25 30 Таким чином, реалізуючи запропонований підхід, можна очистити від радіонуклідів 1000 тонн води за 36 діб. При цьому використовується очисна установка з електродами загальним 3 об'ємом 1 м , зі споживаною потужністю електроенергії 5 кВт. Наведений приклад ілюструє можливість практичного втілення розглянутого способу очищення води від радіонуклідів за допомогою достатньо простого обладнання при високих техніко-економічних показниках процесу очищення. Джерела інформації: 1. Б.Е. Рябчиков Очистка жидких радиоактивных отходов. - М.: ДеЛи принт, 2008. - 516 с. 2. Антонов В.П. Уроки Чернобыля: радиация, жизнь, здоровье. - К.: О-во "Знание", УССР, 1989. - 112 с. 3. Яковлев СВ., Краснобородько И.Г., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды. -Л.: Стройиздат, 1987. - 312 с. 4. Регулирование содержания ионов алюминия в питьевой воде / Паутова Е.Н., Чудновский С.М., Вороной Л.М. // Вологодский ГТУ, Россия. - Режим доступу: http://www.rusnauka.com /22_PNR_2012/Stroitelstvo/7_114799.doc.htm. 5. Патент на изобретение РФ № 2518627. Способ очистки подземных вод от ионов бора и устройство для его осуществления; опубл. 10.06.2014. 6. "Курс физической химии" / под общей редакцией Я.И. Герасимова. - Том П. - Изд-во "Химия", 1973, Москва. - С. 404. 7. Кошкин Н.И. Справочник по элементарной физике / Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. - М.: Наука, 1980. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 1. Спосіб очищення води від радіонуклідів, що включає рух забрудненої радіонуклідами води через ємність в поперечному постійному електричному полі, який відрізняється тим, що в ємності вода, що очищується, протікає між паралельними пластинами системи електродів, на поверхню катодів нанесена сітка із діелектричного матеріалу товщиною до 0,5 мм, а значення параметрів процесу очищення вибираються по формулі: U / VB  d2 (l  a  ) , де: U - напруга на електродах, В; VB - швидкість руху води між електродами, м/с; d - відстань між електродами, м; l - довжина електродів, м; 2 a  - рухливість позитивних іонів радіонуклідів, м /В·с. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що на катоди наноситься шар з фільтруючого матеріалу товщиною до 0,5 мм. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що між електродний простір заповнюється фільтруючим матеріалом; 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що електродні пластини розміщують вертикально. 4 UA 113672 C2 Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5