放射性廢水中銫去除方法

                            發(fā)布時間:

                            2021-09-15


                              含銫廢水主要來源于核工業(yè)的核燃料處理、原子能發(fā)電站的核裂變產(chǎn)物,以及應(yīng)用放射性同位素的研究機構(gòu)等,其水量可達(dá)數(shù)百千克至數(shù)萬噸。其中137Cs不僅是銫的同位素中半衰期很長(T1/2=30a)的高釋熱裂變產(chǎn)物核素,還是β和γ射線的主要放射源,其放射性在裂變產(chǎn)物總放射性中所占比例隨衰變時間的延長而增大。
                              對于含放射性元素的廢水,任何水處理方法都不能改變其固有的放射性衰變特性。極低水平的放射性廢水可排入水域(如海洋、湖泊、河流),通過稀釋擴(kuò)散使其無害化;處理低、中、高水平的放射性廢水時可將廢水濃縮產(chǎn)物固化后與人類生活環(huán)境長期隔離,任其自然衰變。處理放射性廢水時去污因數(shù)(DF)和濃縮倍數(shù)(CF)應(yīng)盡可能高,前者是指廢水原有的放射性活度與處理后剩余的放射性活度之比,后者指廢水原有體積與處理后濃縮產(chǎn)物的體積之比。去除放射性廢水中的銫,可使高放射性廢水降為中、低放射性廢水,進(jìn)一步處理后可將達(dá)標(biāo)廢水排放或回用,濃縮產(chǎn)物經(jīng)固化后深埋處置。除銫可采用化學(xué)沉淀法、離子交換法、蒸發(fā)法、萃取法、生物法等,筆者將對化學(xué)沉淀法、離子交換法的研究進(jìn)展以及國內(nèi)外相關(guān)研究的一些新方法進(jìn)行重點介紹。
                              1化學(xué)沉淀法
                              化學(xué)沉淀法是向溶液中加入某種沉淀劑,使待去除的金屬離子與沉淀劑反應(yīng)生成難溶化合物并沉淀出來,再經(jīng)固液分離將金屬離子去除〔1〕。該方法是基于溶度積理論,化合物的溶度積越小,越易生成沉淀,因此選擇合適的沉淀劑是關(guān)鍵。以無機物作沉淀劑得到的是無機沉淀產(chǎn)物,有利于固化處置,且處理過程中不引入有機污染,這使得無機物成為沉淀劑的首選。表1列出了25℃下銫的無機難溶化合物的溶度積(Ksp)〔2〕。
                              銫的大多數(shù)無機難溶物的Ksp在10-5~10-2之間,該數(shù)量級的Ksp難以應(yīng)用于化學(xué)沉淀法。Cs3〔Co(NO2)6〕的Ksp比其他化合物的小得多,理論上可用Co(NO2)6-與Cs+反應(yīng)生成沉淀來去除Cs+。但應(yīng)用中要將處理后溶液中的Cs+濃度降至盡可能小,由Ksp=[Cs+]3˙[Co(NO2)6-]計算,所需Co(NO2)6-的濃度很高,沒有應(yīng)用的可行性,也未見此法的文獻(xiàn)報道。而鉑化合物價格較高,也不適合作沉淀劑。因此,在無機物中尋找銫的沉淀劑可能性極低。
                              D.J.McCabe〔3〕研究表明,Na〔B(C6H5)4〕(NaTPB)可與Cs+發(fā)生反應(yīng):并得出25℃下CsTPB的Ksp為1.0×10-10。根據(jù)該Ksp進(jìn)行計算,可知TPB-作為沉淀劑是完全可行的。用NaTPB作沉淀劑分離去除廢水中的銫是眾多學(xué)者的研究課題。R.A.Peterson等〔4〕將放射性活度為1.85×1010Bq/L的美國薩凡納河高放含銫廢水及0.31mol/L的NaTPB溶液分別以0.73、0.27mL/min的流量投加到500mL反應(yīng)器中,在400r/min下攪拌30min,檢測結(jié)果表明出水中銫的放射性活度可降至3.7×104Bq/L以下,由于原水的放射性活度較高,此方法的DF>105。S.M.Ponder等〔5〕用逆流方式將NaTPB溶液注入到Cs+初始濃度為1.4×10-4mol/L的堿性模擬廢水中,采用連續(xù)流工藝沉淀分離廢水中的銫,可將99.8%的銫沉淀出來。M.F.Debreuille等〔6〕用NaTPB將銫沉淀分離出來并對沉淀產(chǎn)物固化處置,同時將反應(yīng)中產(chǎn)生的苯等易燃?xì)怏w送往焚燒爐進(jìn)行處置。這項技術(shù)已經(jīng)在美國工業(yè)化應(yīng)用,在溫度為20~30℃、停留時間為0.5~2h、攪拌速度為200~1000r/min、Cs+初始濃度為1×10-4mol/L、NaTPB的物質(zhì)的量過量50%的條件下,DF超過1000。E.H.Lee等〔7〕用NaTPB處理Cs+質(zhì)量濃度為(926±20)mg/L的模擬裂變產(chǎn)物廢水。當(dāng)pH為6.3~13.2,NaTPB與Cs+的初始濃度之比>1時,攪拌10min即可將99%以上的銫沉淀出來,且溫度(25~50℃)及攪拌速度(400~1000r/min)對沉淀量沒有影響。用NaTPB處理高放射性廢水中的銫,反應(yīng)時間短,沉淀效果較好,但在反應(yīng)器中運行時會產(chǎn)生泡沫,這是由于TPB-在堿性溶液中受到輻射后極易分解為苯、三苯基硼、二苯基硼、苯基硼、苯酚等易燃揮發(fā)性產(chǎn)物〔8〕。這些分解產(chǎn)物使得該方法具有潛在的安全風(fēng)險〔9〕。
                              2離子交換法
                              溶液中的銫通常以Cs+存在,因此可用陽離子交換劑進(jìn)行去除。其中有機離子交換劑在高溫和電離輻射下容易遭到破壞,其應(yīng)用受到限制;而無機離子交換劑耐機械、熱和輻照穩(wěn)定性強,操作簡便,且無機物結(jié)晶的離子交換位置更加均一,從而對某些元素有顯著的選擇性。近年來研究較多的無機離子交換劑有天然/人造沸石及黏土礦物、雜多酸鹽及復(fù)合離子交換材料、金屬亞鐵氰化物、鈦硅化合物等〔10〕。
                              2.1沸石及黏土礦物
                              沸石具有硅鋁酸鹽的骨架結(jié)構(gòu)及可交換的陽離子,吸附和離子交換性能較強〔11〕。E.H.Borai等〔11〕的研究表明,與天然斜發(fā)沸石、天然絲光沸石及合成絲光沸石相比,天然菱沸石對銫有更強的吸附能力和分配系數(shù)Kd(Kd可反映吸附質(zhì)在固、液兩相中的遷移能力及分離效能)。對于放射性活度為2.28×104Bq/L的134Cs溶液,當(dāng)天然菱沸石投加量為0.01g/L,其對134Cs的Kd為4.97×103mL/g。A.M.El-Kamash〔12〕用合成A型沸石作離子交換劑,采用序批式和固定床柱式兩種操作方式去除水中的銫。研究結(jié)果表明,沸石對銫的吸附是吸熱過程且反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行;去除效果受原水流量、床層高度和初始濃度的影響,吸附速率常數(shù)隨流量的增加而增大。JiaojiaoWu等〔13〕用蒙脫石處理質(zhì)量濃度為30μg/L的硝酸銫溶液,當(dāng)蒙脫石投加量為20g/L時,室溫下對銫的吸附率超過98%,5min內(nèi)可達(dá)吸附平衡,并可用Langmuir吸附等溫式描述吸附過程。由于沸石及黏土礦物的交換容量受溶液酸度和含鹽量影響較大,在高鹽分和強酸度下對銫的交換容量低,因此這類離子交換劑較適于處理低酸度、低含鹽量的放射性廢水。
                              2.2多價金屬磷酸鹽及復(fù)合離子交換材料
                              有報道指出多價金屬磷酸鹽及復(fù)合離子交換材料對銫有較高的選擇性和較強的吸附能力〔14,15〕,該類材料也是研究的熱點。R.Yavari等〔16〕認(rèn)為在pH<2及低濃度NaNO3存在條件下,磷酸鈦(TMP)對銫和鍶有很高的親和力,但NaNO3濃度由0增至1mol/L時,Kd由104降至102mL/g以下。TMP對銫的吸附比鍶快,10min內(nèi)即可吸附80%的銫,80min時達(dá)到吸附平衡,而對鍶的吸附平衡需100min以上。S.A.Shady〔17〕制備了有機復(fù)合離子交換劑間苯二酚-甲醛(R-F)和無機復(fù)合離子交換劑氧化鋯-焦磷鉬酸銨(ZMPP)并考察了其對Cs、Co、Zn、Eu的交換能力。結(jié)果表明,R-F和ZMPP對離子的選擇交換順序為Cs+>Co2+>Eu3+>Zn2+,這是由于半徑小的離子更易進(jìn)入離子交換劑的孔道中。相同pH下,R-F對銫的Kd高于ZMPP,當(dāng)pH為7.21時,R-F的Kd為6.4×103mL/g,而ZMPP的Kd為158mL/g。Y.J.Park等〔18〕研究了磷鉬酸銨-聚丙烯腈(AMP-PAN)對核電廠放射性洗滌廢水中Co、Sr、Cs的去除效果,并考察了共存離子和表面活性劑對去除效果的影響。結(jié)果表明,AMP-PAN對3種元素的吸附能力為Cs>>Co>Sr,對銫的吸附量可達(dá)0.61mmol/g,Na+及陰、陽離子表面活性劑可使吸附量下降。多價金屬磷酸鹽易受共存Na+的干擾,影響處理效果。有機復(fù)合離子交換材料對銫的去除效果相對較好,但其耐輻射性較低,而且濃縮產(chǎn)物后續(xù)處理的難度較大。

                            關(guān)鍵詞:

                            安全玻璃,安全玻璃,工藝玻璃,塑鋼玻璃,鋁合金制品,不銹鋼制品

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