Сорбционная установка для очистки вод от радионуклидов

Пористость природных сорбентов в некоторой степени характеризует их качество, так как она связана с величиной статической сорбции я является фактором, играющим роль в кинетике сорбции: известно, что скорость сорбции прямо пропорциональна пористости. Вследствие малой точности определения величины кажущегося удельного веса и влияния примеси тяжелых минералов на значение величины истинного удельного веса суммарная пористость может служить только ориентировочным показателем качества природных сорбентов.

Малый объемный вес и большая пористость природных сорбентов, обусловливающая развитую удельную поверхность и высокие адсорбционные свойства, являются важными характеристиками природных сорбентов, применяющихся в промышленности.

Исследование природных сорбентов — более трудная задача, чем исследование искусственных сорбентов определенной природы, например саж, углей, силикагелей или алюмогелей. Природные сорбенты большей частью являются сложными полиминеральными телами с разнообразной структурой частиц и различной природой поверхности. Поэтому всестороннее исследование минералогического состава и свойств глинистых минералов, образующих исследуемый природный сорбент, является первоочередной задачей.[6]

 

  1.8 Регенерация ионообменных смол

Процессом регенерации ионообменных смол называется стадия цикла сорбция-регенерация, состоящая из последовательных операций, приводящих к восстановлению первоначальной емкости и формы ионита.

Регенерация включает в себя следующие операции:

1.промывка ионита после завершения  сорбционного цикла;

2.взрыхление слоёв ионита;

3.собственно регенерация ионита;

4.отмывка ионита от регенеранта.

Число регенераций в год определяется фильтроциклом сорбента и объёмом колонны.

Регенерационные растворы (десорбаты), содержащие до 3 моль/л HNO3, с  концентрацией α-нуклидов не менее 1,4 *10-3 г/л, в объёме не менее          60 м3/год, направляют порциями по 100÷200 л. Емкости для приготовления регенерационного раствора в количестве трех штук опорожняются и заполняются последовательно, причем емкость №1 – вторым объемом регенерата, а емкости №2 и №3 – водными промывками. Затем растворы доукрепляют концентрированной HNO3 до 10-15% концентрации.  Водную промывку можно вести в динамическом режиме при времени контакта      3-5 к.о./час, направление – снизу вверх.

Полнота извлечения α-нуклидов находится в зависимости от скорости подачи раствора (времени контакта раствора со смолой), от объема раствора, прошедшего через единицу объема смолы, содержания комплексообразующих анионов и других факторов.

В процессе катионного обмена, осуществляемого при взаимодействии зерен смолы с поступающими фильтратами, происходит образование нейтральных комплексных ионов.

Процесс десорбции основан на том, что комплексные соединения урана со смолой в слабокислых средах являются неустойчивыми и распадаются с переходом иона уранила в раствор.

В процессе пропускания через фильтры больших объемов раствора возможно слеживание сорбента. Для взрыхления слоя сорбента используют водную промывку в направлении снизу вверх; при этом на линиях выдачи раствора сверху фильтров должны быть установлены фильтры- ловушки.

Водные растворы после каждой промывки направляются в сборник для проведения операции нейтрализации, далее, в «голову» процесса.[3]

 

1.9 Отбор проб очищенной воды

Очистка воды до уровня содержания радионуклидов не более 2÷3х уровней вмешательства гарантируется технологией, тем не менее, периодически производится контрольный отбор проб для подтверждения результативности технологического процесса.[8]

 

1.10 Основные требования к анионитам, используемым для очистки сточных вод

-высокая обменная ёмкость;

-хорошие кинетические свойства (высокая скорость ионного обмена);

-достаточная устойчивость по  отношению к кислотам, щелочам, окислителям  и восстановителям;

-нерастворимость в воде, органических  растворителях и растворах электролитов;

-ограниченная набухаемость.

Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, которая характеризуется обменной ёмкостью и определяется количеством грамм-эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объёма ионита. Различат полную, статическую,  и динамическую обменные ёмкости. Полная ёмкость – это количество поглощаемого вещества.[3]

 Высокоосновные гелиевые аниониты:

- АВ-17 Анионит полимеризационного  типа, содержит один вид ионогенных  групп - бензилтриметиламмониевую. Применяется  в водоподготовке для удаления слабодиссоциирующих кислот (угольной, кремниевой), очистки возвратных и сточных вод, в химической и фармацевтической промышленности для разделения и очистки различных веществ. Внешний вид- сферические зерна светло-желтого - желтого цвета.[5]

 

Из ряда различных видов установок, мы выбрали схему ионообменной установки вертикального типа (Рис.3). В нашей сорбционной колонне используется динамическая сорбция. Смола типа АВ-17 ГОСТ 20301-74.

 

2. Описание установки

Принципиальная схема сорбционной установки представлена в графической части рис. 1.

В представленном варианте исходный раствор из емкости Е1 подается в сорбционную колонку К1 насосом Н2. Очищенный от радионуклидов раствор направляется в емкость Е2 насосом Н6.  Далее очищенный раствор подается в сорбционную колонну К2 насосом Н4. Отработанный ионит с помощью насоса Н1через приемную емкость Е3 подается в регенерационную колонну РК, питаемую регенерирующим раствором из емкости Е4.

Регенерирующий раствор подается насосом Н3. Отрегенерированный ионит насосом Н5 вновь подается из приемника Е5в сорбционные колонны К1 и К2.

Подача растворов осуществляется насосами Н1, Н2, Н3-Н6. Исходный раствор в колонну подается сверху вниз. Отработанный раствор (после регенерации) попадает в специальный канал.

Прием и подача должны осуществляться одновременно во избежание нежелательных частых остановок (для приема исходного раствора) процесса сорбции. Желательный рабочий объем аппарата - не менее 30000 л. Подача воды из колонны может осуществляться либо самотеком, либо принудительно с задействованием насоса.

Колонна представляет собой цилиндрический сварной вертикальный сосуд, сверху ограниченный плоской крышкой, а снизу коническим днищем. В крышке размещены штуцера выдачи раствора. В днище корпуса имеется штуцер приема раствора. Штуцер приема раствора обеспечивает подачу растворов снизу вверх колонны.

Внутри корпуса в его верхней и нижней части устанавливаются решетки или перфорированные пластины (по две штуки) с зажатыми между ними сетками № 020×0,13 12Х18Н10Т ТУ 14-4-507-99.

Крышка колонны и верхняя сетка съемные. В этом случае появляется возможность отбора пробы твердой фазы от верхних слоев сорбента после насыщения его ураном и освидетельствования состояния (заиливания) сорбента после длительного фильтроцикла.

Ионит после подготовки загружается в межсеточное пространство колонны в виде пульпы вручную, непосредственно в колонну после снятия крышки.

Предлагаемый объем загрузки сорбента составляет 2м3, соотношение высоты слоя сорбента к диаметру колонны Н: D = 3,5. Сверху над межсеточным пространством колонны должен быть свободный объем, составляющий приблизительно половину от объема сорбента, для обеспечения эффективной статической десорбции. В указанных условиях сорбционная колонна будет иметь следующие геометрические размеры: внутренний диаметр – 900 мм, высота межсеточного пространства (сорбента) – 3150 мм для обеспечения дыхания сорбента при рабочей загрузке.

Подача воды из сборников производится поочередно до осушения сборника.

Сорбционные колонны работают поочередно, т.е когда одна из колонн выводится на десорбцию, раствор воду начинают подавать на вторую.

После исчерпания ресурса работы смолы в колонне проводится десорбция сорбированных компонентов раствором азотной кислоты. Десорбирующий раствор заливается в емкость через приемную воронку и вентиль для перемешивания раствора и выдачи его на колонну необходимо предусмотреть подачу давления (через вентиль). Процесс десорбции может быть реализован в направлении снизу- вверх.

Отработанная смола выгружается из межсеточного пространства колонны вручную через съемную крышку в днище сорбционной колонны.

Давление в системе контролируется по манометру.

Пожаровзрывобезопасность процесса сорбции обеспечивается:

1. Проведением процесса при комнатной температуре
2. Проведением регенерации смолы раствором азотной кислоты с концентрацией 12моль/литр при комнатной температуре
3. Неработающая колонна должна быть залита водой
 

3. Контроль и управление процессом

 Адсорбционный метод является хорошо управляемым процессом. Он позволяет удалять загрязнения различного характера практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости. При этом отсутствуют вторичные загрязнения. Отсюда перспективной является тенденция развития фильтрующе-сорбирующих устройств, предназначенных для локальной доочистки питьевой воды, и этот вопрос является весьма актуальным.

Высокая эффективность метода ионного обмена, полная возможность использования его при любом объеме вод, позволяют его считать одним из наиболее перспективных для очистки воды от радионуклидов.

Сильноосновные аниониты в форме хлорида удаляют более чем 95% урана независимо от качества сырой воды. Эффективность удаления радия в системах, содержащих сильнокислые катиониты в форме натрия, составляет 90 - 95%.

Механизм удаления этих нуклидов - только частично ионный обмен. Большая часть этих нуклидов в естественных водах находится в виде коллоидных частиц и их уменьшение связывают с адсорбцией на ионообменных смолах.

Вместе с тем все системы на основе ионного обмена имеют и ряд общих недостатков:

 Процессы ионного обмена  не являются специфическими для  радиоактивных веществ и наряду  с радиоактивными на ионообменных  материалах задерживаются стабильные  нуклиды. Это обстоятельство существенно  влияет на эффективность очистки, которая в значительной степени зависит от присутствия в водах стабильных форм химических элементов, от нуклидов которых надо освободиться.

 В процессе эксплуатации  ионообменные фильтры накапливают  радиоактивные вещества. В результате  содержание природных радионуклидов в отработавших свой ресурс патронах может достигать     10 Бк/г. При регенерации фиксированные ионообменным фильтром радионуклиды переходят в растворы, активность которых превышает активность необработанных вод в 10 – 30 раз. Образование отходов с повышенным содержанием природных радионуклидов может ограничить применимость этой технологии для частных домов.

Именно применение ионообменных смол представляется наиболее перспективным направлением в деле борьбы с радионуклидами в воде. Задача заключается в том, чтобы подобрать такую комбинацию ионообменных смол (подчас весьма сложную и многокомпонентную), которая была бы эффективна в достаточно широких пределах параметров качества воды.

 

3.1 Производственный контроль

Контроль осуществляется путем измерения параметров технологического процесса контрольно–измерительными приборами и путем анализа отбираемых проб технологических растворов.

Параметрами технологического процесса, которые измеряют приборами, являются:

–уровень раствора,

–расход раствора,

–давление в колонне,

–объём и плотность сорбента раствора.

Параметры измеряются первичными преобразователями различного типа, установленными в аппаратах или на коммуникациях. Сигналы от первичных преобразователей поступают на измерительные приборы, расположенные в операторской зоне щитовых помещений или выведены на ПЭВМ.

 

4. Технологический расчет

Дано:

V = 20 м3/ч

ν = 10 КО/ч

H : D = 3,5

1. Расчет габаритов сорбционной колонны

Находим объём сорбента в колонне N: [1]

Объем сорбента 2м3. Для смолы АВ-17 эффективный фильтроцикл составляет 10000к.о при расходе 10к.о./ч и соотношение высоты слоя сорбента к его диаметру H : D = 3,5 (по условию). Для расчета объемов колонны, незаполненной смолой, примем коэффициент, равный к=10% от общего объема колонны (к – коэффициент запаса, учитывающий необходимость увеличения поверхности сектора промывки по сравнению с теоретическим значением). [1]

Тогда объем колонны (V) будет равен 1,1 . 2 = 2,2 м3

 

2. Расчет внутреннего диаметра колонны[1, стр.28 ]

, где