Способ очистки воды и водных растворов от органических примесей, содержащих металлы и радионуклиды
Владельцы патента RU 2330339:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (RU)
Изобретение относится к способам очистки сточных вод атомных электростанций и может быть использовано для очистки сточных вод от радиоактивных примесей, например оксалатов и трилонатов железа и других металлов. В способе очистки воды и водных растворов от органических примесей, содержащих металлы и радионуклиды, например сточных вод атомных электростанций, путем обработки сточных вод электрическим током с использованием пористых электродов обработку ведут переменным электрическим током в реакторе проточного типа, в качестве электродов используют крупнодисперсный пористый электропроводный материал при напряжении в единичном контакте между соседними кусками материала 1-5 В и температуре 20-90°С. Повышаются эффективность и безопасность способа очистки сточных вод от радиоактивных примесей за счет увеличения производительности способа и упрощения аппаратурного оформления процесса. 1 табл.
Изобретение относится к способам очистки сточных вод атомных электростанций и может быть использовано для очистки сточных вод от радиоактивных примесей, например оксалатов и трилонатов железа и других металлов.
Известны способы очистки радиоактивно загрязненных водных сред методом коагуляции, осаждения и соосаждения, выпаривания, фильтрации на механических и ионитных фильтрах (включая фильтры с ион-селективными сорбентами), микрофильтрации, ультрафильтрации, обратного осмоса, электродиализа и другие методы (Дмитриев С.А., Стефановский С.В. Обращение с радиоактивными отходами. М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2000. - 125 с.). Известны также способы переработки сточных вод путем выпаривания с получением сухого остатка радиоактивных материалов, изготовления бетонных блоков с использованием радиоактивной воды для последующего захоронения в могильниках (Олейник М.С. Цементирование жидких радиоактивных отходов. СПб.: «Синтез», 2005. - 178 с.). Все эти способы либо требуют больших энергетических затрат, либо увеличивают общий объем отходов, что дает отрицательный экологический эффект.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ разложения оксалатов и трилонатов железа путем электролиза воды постоянным током на пористых электродах с подачей кислорода в электроды для окисления органических загрязнителей, а также образующегося в процессе электролиза водорода (патент РФ №2127459 от 10.03.1999) (прототип). Недостатками способа являются возможность возникновения аварийных ситуаций при перебоях с подачей кислорода в электроды, сложность аппаратурного оформления процесса.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и безопасности способа очистки сточных вод от радиоактивных примесей за счет увеличения производительности способа и упрощения аппаратурного оформления процесса.
Поставленная задача достигается тем, что в способе очистки воды и водных растворов от органических примесей, содержащих металлы и радионуклиды, например сточных вод атомных электростанций, путем обработки сточных вод электрическим током с использованием пористых электродов, обработку ведут переменным электрическим током в реакторе проточного типа, в качестве электродов используют крупнодисперсный пористый электропроводный материал при напряжении в единичном контакте между соседними кусками материала 1-5 В и температуре 20-90°С.
Заявляемый способ позволяет очищать водные среды от радиоактивных и органических примесей за счет разложения устойчивых комплексов, образуемых катионами металлов (в том числе радионуклидами металлов, находящимися в катионной форме), при отсутствии водорода в отходящих газах и получения нерастворимых в воде гидроксидов металлов, легко отделяемых от раствора (водной среды) фильтрацией или иным методом (осаждением, центрифугированием и т.д.). Это достигается тем, что в отличие от известных способов процесс ведут при переменном электрическом токе, пропуская его через гетерогенную систему, состоящую из плотной засыпки крупнодисперсного пористого электропроводного материала и обрабатываемой жидкости в реакторе проточного типа.
Переменный электрический ток проходит как по цепочкам, составленным из проводящего материала, так и по жидкости, омывающей материал. В контактном промежутке между кусками материала находится малоподвижная манжета из жидкости, в которой на поверхности твердого материала образуется двойной электрический слой (ДЭС), поляризующийся за счет мгновенной разности потенциалов между кусками. Высокая напряженность электрического поля в ДЭС инициирует протекание химических реакций разложения крупных элементоорганических комплексов (оксалатов и трилонатов).
Протекание тех или иных реакций в ДЭС зависит от разности потенциалов (напряжения) между кусками материала. При напряжении до 5 В идет разложение крупных органических молекул, при более высоком напряжении начинается взаимодействие воды с углеродом с выделением в газовую фазу водорода и оксидов углерода.
Влияние температуры на ход процесса определяется тем, что при низких температурах реакция идет при повышенном напряжении, так при 15°С реакция разложения щавелевой кислоты идет при напряжении 7,5 В и в газообразных продуктах реакции появляется водород. При повышении температуры выше 90°С в реакторе появляется дополнительная газово-пузырьковая фаза, нарушающая гидродинамику процесса и ухудшающая электрофизические параметры.
Предлагаемый способ иллюстрируется примерами его конкретного выполнения.
Пример 1
В проточный цилиндрический реактор из диэлектрического материала загружается проводящий углеродный материал (кокс, антрацит, древесный уголь или др.) фракции 5-7 мм до создания плотного слоя высотой 150 мм. Плотная упаковка поддерживается за счет поджатия сетчатыми металлическими токоподводящими пластинами сверху и снизу слоя. Обрабатываемая вода подается в реактор снизу в циклическом режиме. Скорость подачи воды 5 дм3/час, объем расходной емкости 1 дм3. Расчетное падение напряжения между кусками материала в вертикальном направлении Uконт составляет 2 В. Температура в реакторе Треакт = 40°С поддерживается за счет принудительного охлаждения реактора. Начальная концентрация оксалата железа Снач = 5 г/л, через время t=120 мин, Скон = 0,1 г/л. Расход энергии N=0,2 кВт час на литр раствора.
Пример 1 и остальные примеры приведены в таблице.
Заявляемый способ позволяет повысить производительность очистки воды и водных растворов, в том числе сточных вод атомных электростанций от органических примесей, содержащих металлы и радионуклиды от радиоактивных органических примесей, таких как оксалаты и трилонаты железа и других металлов, и упростить аппаратурное оформление процесса.
| № п/п | Uконт, В | Треакт., °С | Снач, г/л | Скон, г/л | N, КВт час/л | t, мин | Примечание |
| 1 | 2 | 40 | 5,0 | 0,1 | 0,2 | 120 | Результат достигнут, оптимальный режим |
| 2 | 1 | 40 | 5,0 | 1,0 | 0,1 | 120 | Результат достигнут |
| 3* | 0,5 | 40 | 5,0 | 4,7 | 0,2 | 180 | Результат не достигнут, разложения не произошло |
| 4 | 5 | 40 | 5,0 | 0,08 | 0,7 | 120 | Результат достигнут, но повышенное потребление энергии |
| 5* | 7 | 40 | 5,0 | 0,08 | 1,0 | 120 | В газовой фазе содержится водород, повышенное потребление энергии, опасный режим |
| 6* | 2 | 15 | 5,0 | 5,0 | 0,2 | 180 | Результат не достигнут, разложения не произошло |
| 7 | 2 | 20 | 5,0 | 0,5 | 0,2 | 120 | Результат достигнут |
| 8 | 2 | 90 | 5,0 | 0,08 | 0,25 | 120 | Результат достигнут |
| 9* | 2 | 100 | 5,0 | 0,08 | 0,25 | 120 | Кипение в реакторе, нестабильный и опасный режим |
| 10 прототип | - | 20-60 | 5,0 | 0,1 | 0,35 | 180 | Результат достигнут, но высокие энергопотребление и опасность взрыва |
| * Примеры вне заявляемой области |
Способ очистки воды и водных растворов от органических примесей, содержащих металлы и радионуклиды, путем обработки сточных вод, например атомных электростанций, электрическим током с использованием пористых электродов, отличающийся тем, что обработку ведут переменным электрическим током в реакторе проточного типа, в качестве электродов используют крупнодисперсный пористый электропроводный материал при напряжении в единичном контакте между соседними кусками материала 1-5 В и температуре 20-90°С.
