Способ получения обессоленной воды и воды высокой чистоты для ядерных энергетических установок научных центров

Изобретение относится к области получения обессоленной воды и воды высокой чистоты для ядерных энергетических установок при очистке маломинерализированных низкоактивных жидких радиоактивных отходов. Способ включает предочистку воды на насыпном угольном фильтре и далее на механическом микрофильтре, обессоливание воды на обратноосмотическом фильтре и доочистку фильтрата на ионообменном фильтре, после чего очищенную воду накапливают в емкости. Обратноосмотическую очистку проводят на двух последовательных фильтрах, причем фильтрат первого направляют через промежуточную емкость на вход второго, фильтрат второго направляют на доочистку на ионообменный фильтр. Концентрат второго обратноосмотического фильтра возвращают в емкость исходных вод, концентрат первого направляют на сброс или обезвреживание. Изобретение позволяет повысить степень обессоливания исходных вод и обеспечивает проведение очистки без использования химических реагентов. 1 ил.

 

Изобретение относится к области получения воды высокой чистоты (ВВЧ) для теплоносителей ядерных энергетических установок (ЯЭУ) мембранно-сорбционными методами и может быть также использовано для получения обессоленной воды для ЯЭУ при очистке маломинерализованных низкоактивных жидких радиоактивных отходов (ЖРО).

При эксплуатации ЯЭУ научных центров ВВЧ с солесодержанием менее 1 мг/л используют для приготовления теплоносителя, а обессоленную (с солесодержанием до 10 мг/л) воду - для приготовления регенерационных и дезактивационных растворов, обмыва оборудования, промывки фильтров и т.д. При этом обессоленную воду получают из пресных природных вод или маломинерализованных низкоактивных ЖРО путем дистилляции, электродиализа, обратного осмоса и др., а ВВЧ - путем ионообменной очистки обессоленной воды на ионообменных смолах, сульфоуглях, цеолитах и др. [1].

Научные центры с ЯЭУ в отличие от атомных электростанций не располагают избытком тепловой или электрической энергии и поэтому для обессоливания на них предпочтительнее использование обратного осмоса - менее энергоемкого, чем электродиализ, а тем более дистилляция [2]. Наиболее эффективными сорбентами являются ионообменные смолы, обеспечивающие практически полное удаление всех солей, но их применение экономически оправдано только при очистке растворов с солесодержанием не более 1 г/л. Даже при очистке маломинерализованных вод требуется периодическая регенерация, приводящая к образованию дополнительных солевых концентратов (химически токсичных регенератов), требующих обезвреживания [3].

Известен способ обращения с теплоносителями и техническими растворами ядерных энергетических установок научных центров, включающий при их приготовлении удаление макрокомпонентов - солей щелочных и щелочноземельных металлов и микрокомпонентов - радионуклидов (обессоливание), например, на обратноосмотическом аппарате (фильтре) и доочистку раствора (фильтрата) на ионообменных сорбентах (ионообменном фильтре). Образующиеся при этом солевые концентраты при наличии в них радиоактивных или химических загрязнений направляют на обезвреживание [4]. По своей технологической сущности и достигаемому результату этот способ наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

Недостатком этого способа является то, что обратноосмотическая очистка не обеспечивает эффективного обессоливания (очистка от одновалентных ионов в 2-5 раз ниже, чем от двухвалентных) и в результате происходит быстрое насыщение ионообменных фильтров, что вызывает необходимость регенерации фильтров. Соответственно за счет образования отработанных регенерационных растворов сброс концентратов в окружающую среду невозможен даже при отсутствии в исходных водах радиоактивных или химически токсичных загрязнений. Кроме того, по данной технологической схеме получают, в основном, обессоленную воду, тогда как для ВВЧ ограничивается не только общее солесодержание (электропроводность не более 0,1 мкСм/см), но и содержание хлорид-иона (не более 0,004 мг/л), окислов железа (не более 0,01 мг/л) и окислов меди (не более 0,002 мг/л) [5], которые, также как и органические загрязнения, мешают и обратноосмотической очистке.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении степени обессоливания воды при получении ВВЧ из маломинерализованных (до 1 г/л) вод или низкоактивных ЖРО и проведения очистки без использования химических реагентов.

Техническим результатом изобретения является повышение степени обессоливания исходных вод за счет оптимизации режимов работы обратноосмотических и ионообменного фильтров без увеличения количества солей в концентратах.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе, включающем обессоливание вод на обратноосмотическом фильтре и доочистку фильтрата на ионообменном фильтре с направлением образующихся при этом солевых концентратов при наличии в них радиоактивных или химических загрязнений на обезвреживание, перед обессоливанием воду из емкости исходных вод подают на предочистку на насыпном угольном фильтре и далее на механическом фильтре, а обратноосмотическую очистку проводят на двух последовательных фильтрах, причем фильтрат первого направляют через промежуточную емкость на вход второго, фильтрат второго направляют на доочистку на ионообменный фильтр, после чего очищенную воду накапливают в емкости, концентрат второго возвращают в емкость исходных вод, концентрат первого направляют на сброс при отсутствии в нем радиоактивных или химически токсичных загрязнений, а при их наличии направляют на обезвреживание.

Способ осуществляется следующим образом.

Маломинерализованные (до 1 г/л) воды или низкоактивные ЖРО из емкости исходных вод направляют на предочистку на насыпной угольный фильтр (заполненный активированным углем) для удаления железа, меди, органических растворителей, мешающих эффективной работе обратноосмотических мембран. Фильтрат угольного фильтра направляют на механическую очистку на механический фильтр для удаления взвесей. Фильтрат механического фильтра направляют на обессоливание в первый обратноосмотический фильтр для удаления солей жесткости. Концентрат солей жесткости из первого обратноосмотического фильтра направляют на сброс при отсутствии в нем радиоактивных или химически токсичных загрязнений, а при их наличии направляют на обезвреживание (дальнейшее концентрирование и цементирование) вне данной технологической схемы. Умягченный фильтрат первого обратноосмотического фильтра направляют через промежуточную емкость на дальнейшее обессоливание во второй обратноосмотический фильтр для удаления остатков солей жесткости и солей щелочных металлов. Концентрат солей второго обратноосмотического фильтра возвращают в емкость исходных вод. Обессоленный (в 100-1000 раз) фильтрат второго обратноосмотического фильтра направляют на доочистку на ионообменный фильтр (заполненный катионо- и анионообменной смолой) для получения ВВЧ.

По сравнению с известными мембранно-сорбционными способами очистки вод в предлагаемом способе обеспечивается получение ВВЧ без применения регенерации ионообменных фильтров и использования других химических реагентов, что не следует явным образом из уровня техники, т.к. последовательное применение обратноосмотических фильтров ведет к значительному снижению степени очистки на каждом последующем [6], т.е. соответствует критерию изобретательского уровня.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором изображена схема получения обессоленной воды и воды высокой чистоты для ЯЭУ научных центров.

Технологическая схема, представленная на чертеже, включает: емкость с исходными водами (1), насосы (2), (5) и (8), угольный фильтр (3), механический фильтр (4), первый (6) и второй (9) обратноосмотические фильтры, промежуточную емкость (7), ионообменный фильтр (10) и емкость для накопления очищенной воды (11).

Получение ВВЧ осуществляли следующим образом. Исходные воды из емкости 1 насосом 2 направляли на предварительную очистку на угольный фильтр 3 и механический фильтр 4. Предварительно очищенную воду с помощью насоса 5 подавали на вход первого обратноосмотического фильтра 6. Концентрат с фильтра 6 направляли на сброс в канализацию. Фильтрат с выхода фильтра 6 направляли через промежуточную емкость 7 насосом 8 на вход второго обратноосмотического фильтра 9. Концентрат с фильтра 9 возвращали в емкость исходных вод 1. Фильтрат с выхода фильтра 9 направляли на ионообменный фильтр 10. Очищенную воду с выхода ионообменного фильтра 10 направляли в емкость 11.

Эффективность предлагаемого способа иллюстрируется примерами.

Пример 1. Исходная маломинерализованная вода содержала 100 мг/л НСО₃ ^-, 90 мг/л SO₄ ^2-, 10 мг/л Cl^-, 5 мг/л NO₃ ^-, 60 мг/л Са²⁺, 15 мг/л Mg²⁺, 15 мг/л Na⁺, 10 мг/л К⁺, 0,3 мг/л Fe³⁺, 0,1 мг/л Cu²⁺.

Солесодержание воды после первого обратноосмотического фильтра составляло не более 30 мг/л, а второго обратноосмотического фильтра составляло не более 3 мг/л, что позволяло использовать ее в качестве обессоленной для технических нужд ЯЭУ. Солесодержание воды после ионообменного фильтра составляло не более 0,03 мг/л (содержание хлорид-иона не более 0,003 мг/л, окислов железа - не более 0,005 мг/л и окислов меди - не более 0,0015 мг/л), что позволяет использовать ее в качестве ВВЧ для приготовления теплоносителя ЯЭУ. При этом ионообменный фильтр очищал не менее 10 000 объемов воды одним объемом ионообменной смолы. В то же время по способу-прототипу с одним обратноосмотическим фильтром и регенерацией ионообменного фильтра, производительность последнего не превышала 330 объемов воды на один объем ионообменной смолы.

Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что исходные воды были загрязнены нефтепродуктами до 10 мг/л, взвесями до 10 мг/л, стронцием-90 до 1·10^-6 Ku/л, цезием-137 до 5·10^-7 Ku/л и кобальтром-60 до 1·10^-7 Ku/л, т.е. являлись маломинерализованными химически токсичными и низкоактивными жидкими отходами. Очистку воды проводили по той же схеме, что и в примере 1, только радиоактивный концентрат с первого обратноосмотического фильтра собирали в отдельную емкость и затем направляли на обезвреживание.

Очищенная вода после ионообменного фильтра содержала нефтепродуктов менее 0,001 мг/л, взвесей менее 0,001 мг/л, стронцием-90 менее 1·10^-10 Ku/л, цезием-137 менее 5·10^-11 Ku/л и кобальтом-60 менее 1·10^-11 Ku/л, т.е. менее уровня вмешательства УВ^вода, предусмотренного для этих радионуклидов нормами радиационной безопасности НРБ-99 [7].

Таким образом, предлагаемый способ позволяет при получении ВВЧ из маломинерализованных (до 1 г/л) растворов в 30 раз повысить ресурс ионообменного фильтра и, следовательно, исключить необходимость его регенерации, а при получении обессоленной (до 10 мг/л) воды и вовсе обходиться без ионообменной доочистки, т.е. позволяет проводить практически безреагентную водоподготовку. При этом вредные для обратноосмотических мембран и ионообменных смол загрязнения (нефтепродукты, медь, железо и др.) удаляются еще на стадии предочистки, что значительно улучшает условия их эксплуатации.

Предлагаемый способ может осуществляться на том же отечественном оборудовании, что и прототип, т.е. промышленно применим. Способ является полностью безреагентным, т.е. его использование не приводит к химическому загрязнению, что является важным экологическим аспектом. При этом способ пригоден для получения обессоленных вод и ВВЧ не только из маломинерализованных хозяйственно-питьевых вод, но и из низкоактивных маломинерализованных ЖРО, что позволяет возвращать их для вторичного использования для нужд ЯЭУ научных центров.

Источники информации

1. Кульский Л.А., Страхов Э.Б., Волошина А.М. Технология водоочистки на атомных энергетических установках. - Киев, Наук. Думка, 1986. С.132-139.

2. Milligan T.J. Treatment of industrial wastewaters. - Chem. Engng., 1976, v.83, №22 (Deskbook Issue), p.49-66.

3. Хоникевич А.А. Очистка радиоактивно-загрязненных вод лабораторий и исследовательских ядерных реакторов. - М., Атомиздат, 1974, с.85-90.

4. Патент РФ №2168221, Бюл. №15, 2001.

5. Ганчев Б.Г., Калишевский Л.Л., Демишев Р.С. и др. Ядерные энергетические установки. - М., Энергоатомиздат, 1983, с.425.

6. Мамет В.А., Свитцов А.А., Щапов Г.А. и др. Переработка жидких радиоактивных отходов АЭС методом обратного осмоса. - Теплоэнергетика, 1978, №4, с.52-54.

7. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). - М., Минздрав России, 1999.

Способ получения обессоленной воды и воды высокой чистоты для ядерных энергетических установок научных центров, включающий обессоливание вод на обратноосмотическом фильтре и доочистку фильтрата на ионообменном фильтре, направление образующихся солевых концентратов при наличии в них радиоактивных или химических загрязнений на обезвреживание, отличающийся тем, что перед обессоливанием воду из емкости исходных вод подают на предочистку на насыпном угольном фильтре и далее на механическом микрофильтре, а обратноосмотическую очистку проводят на двух последовательных фильтрах, причем фильтрат первого направляют через промежуточную емкость на вход второго, фильтрат второго направляют на доочистку на ионообменный фильтр, после чего очищенную воду накапливают в емкости, концентрат второго возвращают в емкость исходных вод, концентрат первого направляют на сброс при отсутствии в нем радиоактивных или химических загрязнений, а при их наличии направляют на обезвреживание.