一种加长流道的分离放射性废水中硼和放射性核素的方法与流程

本发明涉及放射性废水处理领域，尤其是一种采用加长流道来分离放射性废水中硼和放射性核素的方法。
背景技术：
：在传统压水堆核电厂中采用硼进行反应性化学补偿控制，硼浓度的调节是由化学容积控制系统(简称化容系统)完成的。电厂运行期间，由于调硼和化容下泄操作频繁，产生大量含硼废液。排出的硼废液通过硼回收系统浓缩和净化后，在电厂内回用。在美国AP1000核电站的设计中取消了硼回收系统，冷却剂流出液中的硼基本上全部排入厂址环境受纳水体。硼酸具有急性毒性、慢性毒性和生殖毒性，进入水体中会影响生态环境及人类健康。由于内陆电厂的循环冷却水的稀释能力远小于沿海电厂，且受纳水体为宝贵的淡水资源，因此，内陆厂址需严格控制排放废液中硼的含量。目前可采用除硼的工艺主要有蒸发、化学沉淀、离子交换、反渗透等。蒸发为二代加核电站硼回收系统采用的除硼工艺，其优点是工艺成熟，工程运行经验多，缺点是占地面积大、能耗高、浓缩液中放射性核素活度高；离子交换对硼有较高的去污因子，但目前市场上的离子交换树脂对硼的工作交换容量都较低，处理含硼废液会产生大量的废树脂；反渗透法为海水淡化中除硼的主要工艺，为了保证除硼效率，反渗透除硼需调节硼溶液进水pH值，由于硼酸为一元弱酸，调节pH值需加入大量碱，造成二次污染，且反渗透膜会对核素和硼同时截留，同样会在浓水侧造成放射性核素的累积。同时，反渗透对硼酸的截留效果远低于其它离子，在硼的去污因子和浓缩倍数之间构成矛盾。当提高浓缩倍数时，反渗透对硼的去污因子降低。在典型的反渗透系统中，当回收率达到80％以上时，硼的去除率不足30％。在进行含硼放射性废液的处理时，可能会有不同的需求，除了硼的分离需求，还可能有放射性核素的分离要求。本发明所提供的方法可将含硼放射性废水分离为三股液流：低硼含量、低放射性含量的液流；高硼含量、低放射性含量的液流和低硼含量、高放射性含量的液流。除此之外，还可以将上述三种液流中的任意两股液流进行掺混，以满足不同的分离需求。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种加长流道的分离放射性废水中硼的方法，将含硼放射性废水分离为三股液流：低硼含量、低放射性含量的液流；高硼含量、低放射性含量的液流和低硼含量；高放射性含量的液流。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种加长流道的分离放射性废水中硼和放射性核素的方法，该方法包括如下步骤：步骤1)设置膜堆，在该膜堆中交替排布若干个间隔一定距离的阳极和阴极，由相邻的所述阳极和所述阴极构成一电场，在该电场的阳极和阴极之间设置一个垂直于电场方向的阳离子交换膜和阴离子交换膜，所述阳离子交换膜靠近阴极，与该阴极之间构成阴极室，所述阴离子交换膜靠近阳极，与该阳极之间构成阳极室，阳离子交换膜与阴离子交换膜之间构成淡水室；步骤2)在所述阳极室内填充强酸性阳离子交换树脂，在所述阴极室内填充强碱性阴离子交换树脂，在所述淡水室内填充有混合离子交换树脂；步骤3)串联阴极室、串联阳极室、串联淡水室构成三条流道，向这三条流道内通入放射性废水，淡水室中的硼酸根离子在电场的作用下迁移至阳极室，淡水室中的核素离子迁移至阴极室，从而分离淡水室内放射性废水中的硼和放射性核素；在分离过程中，控制处于同一电场的阳极室与淡水室中硼的平均浓度的比值不大于35。进一步，控制处于同一电场的所述阳极室与所述淡水室中硼的平均浓度的比值不大于20。进一步，调节进入所述步骤3)中的放射性废水的pH值至9以上。进一步，所述步骤3)中所述放射性废水在所述淡水室中流向与在所述阳极室和所述阴极室中流向相反，且垂直于所述电场的方向。进一步，串联了所述阳极室的流道和串联了所述阴极室的流道的入水取自串联了所述淡水室的流道的出水。进一步，在经过预定数量的所述阳极室后，向下一阳极室中通入硼浓度低于该阳极室的放射性废水，来控制在同一电场的阳极室与淡水室中硼的平均浓度的比值。本发明分离放射性废水中硼和放射性核素的方法利用了硼酸为一元弱酸，含硼放射性废液首先进入淡水室，在电场的作用下，水中以离子态形式存在的硼酸根离子不断沿阴极至阳极的方向迁移进入阳极室，因此阳极室出水中硼酸 的含量升高。放射性核素大部分以阳离子的形态存在，淡水室中放射性核素沿阳极至阴极的方向迁移进入阴极室，由于阳离子无法透过阴离子交换膜，阴离子无法透过阳离子交换膜，因此阳极室中的阳离子和阴极室中的阴离子均无法进入淡水室。最终的结果是阳极室出水中流出高硼含量、低放射性含量的液流；阴极室出水中流出低硼含量、高放射性含量的液流；淡水室出水中流出低硼含量、低放射性含量的液流。值得注意的是在分离过程中，必须要控制阳极室中硼的平均浓度与淡水室中硼的平均浓度的比值，该比值不应大于35，优选的是不大于20。提升放射性废水的PH值能够提高分离硼的效果。附图说明图1为本发明中加长流道的分离放射性废水中硼和放射性核素中膜堆的示意图；图2为向图1中所示膜堆中通入放射性废水的示意图。具体实施方式下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。如图1和图2所示本发明一种加长流道的分离放射性废水中硼和放射性核素的方法，该方法利用了硼酸为一元弱酸，在水中存在如下的解离平衡：由于绝大多数的放射性核素均以阳离子的形式存在，因此有可能根据离子荷电性质的差异，实现硼和核素离子的分离。如图1和图2所示该方法包括如下步骤：步骤1)设置膜堆，在该膜堆中交替排布有两个阳极1和两个阴极2，阳极1和阴极2之间间隔一定的距离，相邻的阳极1和阴极2构成一电场，在该电场的阳极1和阴极2之间设置一个垂直于电场方向的阳离子交换膜3和阴离子交换膜4，阳离子交换膜3靠近阴极2，且与阴极2之间构成阴极室7，阴离子交换膜4靠近阳极1，且与阳极1之间构成阳极室6，阳离子交换膜3与阴离子交换膜4之间构成淡水室5；步骤2)在阳极室6内填充强酸性阳离子交换树脂，在阴极室7内填充强碱性阴离子交换树脂，在淡水室5内填充有掺杂了强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂的混合离子交换树脂；步骤3)分别串联膜堆内的阴极室7、阳极室6和淡水室5构成三条流道，向这三条流道通入放射性废水，其中，放射性废水从A端通入淡水室5，经过三个淡水室5后从D端流出，取部分从D端流出的水从E端和F端通入阳极室6和阴极室7中，通入阳极室6的水在经过三个阳极室6后从B端流出，通入阴极室7的水再经过三个阴极室7后从C端流出，淡水室5中的硼酸根离子在电场的作用下向阳极1移动，透过阴离子交换膜4后迁移至阳极室6，淡水室5中的核素离子在电场的作用下向阴极2移动，透过阳离子交换膜3迁移至阴极室7，从而分离淡水室5内放射性废水中的硼和放射性核素；在分离过程中，控制处于同一电场的阳极室6与淡水室5中硼的平均浓度的比值不大于35，优选的不大于20。具体的控制方法可以是在经过预定数量的阳极室6后，向下一阳极室6中通入硼浓度低于该阳极室6的放射性废水，来控制同一电场的阳极室6与淡水室5中硼的平均浓度的比值。还可以调节进入所述步骤3)中的放射性废水的pH值至9以上，以增加分离效果。例如：在20℃条件下，500mg/L的硼酸溶液中，不同pH值条件下以离子态形式存在的硼含量占硼总量的百分比如下(表1)：溶液的pH值5.2979.2411B(OH)4-占硼总量的百分比，％0.0110.5725098.3从表1中可以看出，常温下未调节pH值的情况下，硼酸在水中的解离程度很低，因此高浓度硼酸的导电能力不强。通入阴极室和阳极室中的放射性废水的PH值在9以上，可以增加分离效果。下面给出具体实验数据(表2)：*ND表示未检出，利用PlasmaQuad2plus型ICP-MS仪器对Cs+、Co2+和Sr2+进行检测，其检测限分别为1、2、5ng/L。表2给出的试验结果中，所有淡水室出水和阴极室出水中，只有一个水样中检测到了极低浓度的Co2+，其它水样中Cs+、Sr2+、Co2+均未检出，这说明在所发明的装置中进水中低浓度的核素离子可以得到充分的净化。阳极室出水中检测到的Cs+、Sr2+、Co2+的浓度均较低，通过物料衡算可以发现，本试验中的Cs+、Sr2+、Co2+均未达到物料平衡，其原因是大部分的Cs+、Sr2+、Co2+都滞留在了阴极室。由于进水中的Cs+、Sr2+、Co2+浓度低而阴极室中所填充的阳离子交换树脂对核素离子的吸附容量较大，因此阴极室需要很长的时间才能达到稳态(几十到几百个小时)。当前第1页1 2 3