Способ радиационно-химической обработки жидкости

 

(19)SU(11)1146968(13)A1(51)  МПК ⁵    _C02F1/30(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 17.01.2013 - прекратил действиеПошлина:

(54) СПОСОБ РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к способам радиационной обработки жидкофазных систем ускоренными электронами и может быть использовано для радиационно-химической очистки сточных вод (СВ) на установках с ускорителями электронов. Радиационно-химическая технология очистки СВ, основанная на снижении концентрации вредных компонентов под действием ионизирующего излучения, является наиболее экологически совершенной, а в некоторых случаях единственно приемлемой. В качестве источников ионизирующего излучения наиболее перспективно использование ускорителей электронов. Применение ускорителей полностью исключает возможность радиоактивного загрязнения обрабатываемых материалов и окружающей среды, в то время как указанные причины являются сдерживающим психологическим фактором при создании установок с радиационными контурами, отработавшими твэлами и изотопными источниками ⁶⁰ Со и ¹³⁷ Сs. Кроме того, стоимость электронного излучения современных мощных ускорителей значительно ниже, чем других источников радиации. Известен способ обработки ускоренными электронами тонкого слоя жидкости, протекающего на поверхности полого тела непрерывным потоком. Основными недостатками этого способа являются: неравномерность скорости и толщины слоя облучаемой жидкости по площади поперечного сечения, что приводит к значительной неоднородности поля поглощенных доз и, как следствие, к снижению коэффициента использования энергии излучения; контакт с твердой поверхностью, как правило, химически активной жидкости, что вызывает коррозию и зарастание подложки; небольшая площадь контакта (только с одной стороны) облучаемой жидкости с окружающей газовой фазой, в то время как окислительные процессы, играющие основную роль в очистке СВ, требуют насыщения облучаемой жидкости кислородом воздуха. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ радиационно-химической обработки жидких материалов ускоренными электронами, включающий подачу жидкости в зону облучения в виде плоской свободнопадающей струи. Недостатком этого способа является низкий коэффициент использования энергии излучения, обусловленный влиянием "краевых эффектов" и потерей энергии на краях проямоугольной зоны облучения, неравномерностью поглощенных доз в облучаемом материале, а также уменьшением глубины проникновения электронов в облучаемую жидкость и отражением их от поверхности жидкости при отклонении угла падения пучка электронов от нормали по ширине облучаемой струи при использовании продольного сканирования электронного пучка. Так, при энергии электронов 1,5 МэВ и мощности ускорителя 15 кВт с прямоугольной зоной облучения ускоренными электронами облучение свободной плоскости струи жидкости шириной 800 мм и толщиной 6 мм при расходе 18 м³/ч с неравномерностью плотности тока в зоне облучения за счет "краевых эффектов" достигает 25%. Коэффициент использования энергии ускорителя облучаемой жидкостью достигает лишь 70%. При требующейся дозе облучения 1 Мрад производительность процесса очистки составляет 25 м³/сут. Целью изобретения является повышение производительности процесса радиационно-химической обработки жидкости ускоренными электронами за счет увеличения коэффициента использования энергии ускоренных электронов. Поставленная цель достигается тем, что обрабатываемую жидкость в виде воронкообразной непрерывной струи подают в кольцевую зону облучения, соосную со струей, при этом ускоренные электроны в зоне облучения направлены перпендикулярно поверхности струи. Целесообразно для снижения дозы ионизирующего излучения подачу жидкости в зону облучения осуществлять несколькими параллельными воронкообразными струями, разделенными воздушными прослойками, причем суммарная толщина облучаемого слоя равна длине пробега электронов в жидкости. Способ осуществляется следующим образом. Обрабатываемую жидкость в виде воронкообразной непрерывной кольцевой струи с внутренним диаметром 200 мм и наружным диаметром 1000 мм при толщине слоя 6 мм облучают ускоренными электронами с энергией 1,5 МэВ, мощность ускорителя 15 кВт. Облучатель ускорителя имеет кольцевое выходное окно с кольцевой разверткой пучка электронов соосной со струей, так что в каждой точке зоны облучения электронный пучок перпендикулярен к поверхности струи жидкости. При расходе жидкости 18 м³/ч и скорости подачи воздуха 40 л/мин неравномерность плотности тока пучка составляет 5%, коэффициент использования энергии излучения достигает 95%. При требующейся для очистки воды дозе облучения 1 Мрад производительность процесса составляет 32,5 м³/сут. При одновременном насыщении облучаемой жидкости кислородом и радиологическим озоном за счет подачи жидкости в зону облучения несколькими параллельными воронкообразными струями, разделенными воздушными прослойками, доза ионизирующего излучения, необходимая для очистки воды, снижается до 0,83 Мрад. Следовательно, производительность процесса при этом может быть увеличена до 39 м³/сут. При облучении жидкости в виде воронкообразной непрерывной струи, подаваемой в кольцевую зону облучения, соосную со струей, потери энергии пучка за счет "краевых эффектов" отсутствуют. При облучении сферического участка струи электронный пучок в каждой точке зоны облучения направлен перпендикулярно поверхности струи и неравномерность плотности тока пучка по ширине облучаемой струи находится в пределах ошибки измерения ( ± 5%). Кроме того, облучаемый сферический участок воронкообразной струи по площади, на которой достигается равномерное распределение энергии электронов, в ≈1,5 раза превышает горизонтальный участок плоской струи при сохранении того же угла сканирования и вертикальных размеров облучателя. В результате этого плотность пучка электронов на единицу облучаемой жидкости снижается, что в свою очередь приводит к снижению мощности поглощенной дозы. А так как выход разложения загрязнений в СВ возрастает с уменьшением мощности дозы, то при этом увеличивается эффективность использования энергии электронов и производительность процесса. При подаче жидкости в зону облучения несколькими параллельными воронкообразными струями последние разделены воздушными прослойками, в которые подается кислород и радиолитический озон. Кислород, растворяясь в жидкой фазе, ускоряет процесс окисления загрязнений за счет образования дополнительного количества окислительной компоненты (О₂^- или НО₂) среди первичных продуктов радиолиза воды. А образующийся в газовой фазе под действием ионизирующего излучения из кислорода озон сенсибилизирует процесс очистки СВ, что приводит к снижению требующейся для очистки дозы излучения. П р и м е р. Сточные воды, содержащие фенол в концентрации 80 мг/л, подвергают радиационно-химической обработке при энергии ускоренных электронов Е = 0,4 МэВ и токе пучка электронов I = 10 мА. При этом обрабатываемую жидкость в виде воронкообразной непрерывной струи подают в кольцевую зону облучения, в которой ускоренные электроны направлены перпендикулярно поверхности струи. Время, необходимое для очистки СВ до концентрации фенола 2 мг/л, составляет 15 мин, коэффициент использования излучения достигает 80%. При обработке аналогичных сточных вод по способу, описанному в прототипе, такая же степень очистки достигается за 40 мин, а коэффициент использования излучения составляет 30%. Таким образом, производительность процесса очистки СВ предлагаемым способом повышается в 2,66-2,7 раза с соответствующим снижением себестоимости очистки. Предлагаемый способ радиационно-химической обработки жидкостей при очистке СВ с использованием ускорителя электронов позволяет повысить коэффициент использования излучения по сравнению с облучением плоской свободной струи облучателем с продольным сканированием электронного пучка и увеличить производительность процесса очистки СВ.

Формула изобретения

1. СПОСОБ РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ ускоренными электронами, включающий подачу обрабатываемой жидкости в зону облучения, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса за счет увеличения коэффициента использования энергии ускоренных электронов, обрабатываемую жидкость в виде воронкообразной непрерывной струи подают в кольцевую зону облучения, соосную со струей, при этом ускоренные электроны в зоне облучения направлены перпендикулярно поверхности струи. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения дозы ионизирующего излучения, подачу жидкости в зону облучения осуществляют несколькими параллельными воронкообразными струями, разделенными воздушными прослойками, при этом суммарная толщина облучаемого слоя равна длине пробега электронов в жидкости.