RU2095866C1

RU2095866C1 - Device for recovery of liquid radioactive wastes

Info

Publication number: RU2095866C1
Application number: RU94018292A
Authority: RU
Inventors: Л.В. Иложева; В.И. Кушнерев; А.Е. Бакланов; Е.П. Лошкарева; С.А. Дмитриев; В.И. Пантелеев; Т.Н. Лащенова
Original assignee: Московское научно-производственное объединение "Радон"
Priority date: 1994-05-18
Filing date: 1994-05-18
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: cleaning and concentration of radioactive wastes. SUBSTANCE: device has source tank for liquid radioactive wastes, coagulator, filler filter, cationite and anionite ion-exchange columns, electrolyzer installed on drain line of acid reagents downstream of cationite-containing ion- exchange column, neutralizing tank, evaporator, and gas-cleaning system. Electrolyzer is provided with electrode chambers separated by anion-exchange diaphragm, pulsation chambers communicating with electrode chambers, partition, an bottom. Partition is installed in electrolyzer between electrode chambers and bottom and incorporates one valve under each electrode chamber installed coaxially to each electrode and at least two nozzles on either side of each electrode in location areas of electrodes in electrode chambers and parallel to plane of anion-exchange diaphragm. Usually, equal number of nozzles are arranged on either side of each electrode. EFFECT: improved capacity and simplified design of device, improved economic efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к охране окружающей среде, а точнее к очистке и концентрированию жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в технологических схемах по переработке жидких радиоактивных отходов непосредственно перед их переводом в отвержденное состояние. The invention relates to the protection of the environment, and more specifically to the purification and concentration of liquid radioactive waste (LRW). The invention can be most effectively used in technological schemes for the processing of liquid radioactive waste immediately before its transfer to the cured state.

Известна установка для концентрирования жидких радиоактивных отходов, основным элементом которой является выпарной аппарат [1] Недостатком известного устройства является его невысокая коррозионноустойчивость, а также снижение производительности во времени из-за инкрустируемости на греющих поверхностях водорастворимых солей, присутствующих в ЖРО. A known installation for the concentration of liquid radioactive waste, the main element of which is an evaporator [1] A disadvantage of the known device is its low corrosion resistance, as well as a decrease in productivity over time due to incrustation of water-soluble salts present in the LRW on heating surfaces.

Известно устройство для переработки жидких радиоактивных отходов с помощью ионообменных фильтров [2] Недостатком данного устройства является неэкономичность его работы, связанная с потерями используемых для регенерации ионообменных фильтров кислот и щелочей. A device for processing liquid radioactive waste using ion-exchange filters [2] The disadvantage of this device is the inefficiency of its work associated with the losses used for the regeneration of ion-exchange filters of acids and alkalis.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, представляющее собой комбинацию ионообменных фильтров и выпарных аппаратов [3] Известное устройство содержит исходную емкость ЖРО, коагулятор, насыпной фильтр, катионитовые и анионитовые ионообменные фильтры, емкость-усреднитель, выпарной аппарат, а также не указанную на схеме систему газоочистки (по действующим правилам все установки по переработке радиоактивных отходов обязательно должны иметь системы газоочистки). The closest in technical essence to the proposed device is a device that is a combination of ion-exchange filters and evaporators [3] The known device contains the original LRW capacity, coagulator, bulk filter, cation exchange and anion exchange filters, averaging tank, evaporator, and also not the gas treatment system indicated on the diagram (according to the current rules, all installations for the processing of radioactive waste must have gas treatment systems).

Недостатками данного устройства являются его невысокая коррозионная устойчивость, обусловленная наличием больших количеств нитрат-аниона (довольно сильного окислителя) в жидкой радиоактивной среде, поступающей в выпарной аппарат, или его повышенная стоимость в случае изготовления выпарного аппарата из коррозионностойкого материала, например из титана. К недостаткам относятся также снижение производительности работы устройства во времени из-за отложения на греющих поверхностях солей (в основном нитратов и карбонатов), присутствующих в составе упариваемой среды, и сложность конструкции, обусловленная наличием специальных устройств, улавливающих из газовой фазы пары азотной кислоты, улетучивающейся из выпарного аппарата. Недостатком известного устройства является также неэкономичность его работы, связанная с потерей используемой для регенерации катионообменных фильтров азотной кислоты, а также с необходимостью применения в процессе работы устройства нейтрализующих агентов. The disadvantages of this device are its low corrosion resistance, due to the presence of large quantities of nitrate anion (a fairly strong oxidizing agent) in a liquid radioactive medium entering the evaporator, or its increased cost in the case of the manufacture of an evaporator from a corrosion-resistant material, for example titanium. The disadvantages include a decrease in the device’s performance over time due to the deposition of salts (mainly nitrates and carbonates) on the heating surfaces that are present in the evaporated medium, and the design complexity due to the presence of special devices that capture nitric acid vapor escaping from the gas phase from the evaporator. A disadvantage of the known device is also the inefficiency of its work associated with the loss of nitric acid used for the regeneration of cation-exchange filters, as well as with the need to use neutralizing agents during the operation of the device.

Преимуществами предлагаемого устройства является повышение производительности устройства, упрощение его конструкции, а также повышение экономичности его работы. The advantages of the proposed device is to increase the productivity of the device, simplifying its design, as well as increasing the efficiency of its work.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что предлагаемое устройство дополнительно содержит электролизер, установленный на линии стока кислых регенератов между катионитовыми ионообменными колоннами и емкостью-усреднителем, причем сам электролизер кроме электродных камер, разделенных анионообменной мембраной, дополнительно содержит две пульсационные камеры и ложное дно, в котором размещены сопла и клапаны. Клапаны размещены в ложном дне под каждой из электродных камер соосно с каждым электродом, а сопла в плоскостях размещения электродов, параллельных плоскости анионообменной мембраны. Количество сопел под каждой из электродных камер составляет не менее двух, причем наиболее оптимальным вариантом размещения сопел является вариант, при котором по обе стороны каждого из электродов размещено равное количество сопел. These advantages are achieved due to the fact that the proposed device further comprises an electrolyzer installed on the drain line of acidic regenerates between the cation exchange ion exchange columns and the averaging tank, and the electrolyzer itself, in addition to the electrode chambers separated by an anion exchange membrane, additionally contains two pulsation chambers and a false bottom, in which hosts nozzles and valves. Valves are placed in a false bottom under each of the electrode chambers coaxially with each electrode, and the nozzles are in the planes of electrode placement parallel to the plane of the anion exchange membrane. The number of nozzles under each of the electrode chambers is at least two, and the most optimal option for placing nozzles is the option in which an equal number of nozzles are placed on both sides of each electrode.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства; на фиг. 2 общий вид электролизера в варианте с двумя соплами под каждой из электродных камер. In FIG. 1 shows a General view of the device; in FIG. 2 is a general view of an electrolyzer in a variant with two nozzles under each of the electrode chambers.

Устройство для переработки жидких радиоактивных отходов состоит из исходной емкости жидких радиоактивных отходов 1, коагулятора 2, насыпного фильтра 3, катионитовых ионообменных колонн 4, анионитовых ионообменных колонн 5, электролизера 6, емкости-усреднителя 7, выпарного аппарата 8, а также системы газоочистки (не показана). A device for processing liquid radioactive waste consists of an initial container of liquid radioactive waste 1, coagulator 2, bulk filter 3, cation exchange ion columns 4, anion exchange ion columns 5, electrolyzer 6, averaging tank 7, evaporator 8, and a gas treatment system (not shown).

Электролизер 6 состоит из анодной камеры 9, анода 10, штуцера выхода анодных газов 11, штуцера входа воды в анодную камеру 12, штуцера выхода кислоты из анодной камеры 13, катодной камеры 14, катода 15, штуцера выхода катодных газов 16, штуцера входа кислого регенерата 17, анионообменной мембраны 18, пульсационных камер 19, коллектора подвода пульсирующего сжатого воздуха 20, ложного дна 21, клапана 22, сопел 23, дна 24 и штуцера выхода каталита 25. The cell 6 consists of an anode chamber 9, an anode 10, an anode gas outlet fitting 11, a water inlet fitting to an anode chamber 12, an acid outlet fitting from an anode chamber 13, a cathode chamber 14, a cathode 15, a cathode gas outlet fitting 16, an acid regenerate inlet fitting 17, an anion exchange membrane 18, pulsation chambers 19, a manifold for supplying pulsating compressed air 20, a false bottom 21, a valve 22, nozzles 23, a bottom 24 and a catalytic outlet fitting 25.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Жидкие радиоактивные отходы из исходной емкости жидких радиоактивных отходов 1 подают в коагулятор 2, куда добавляют натриевую щелочь и сульфат железа (II). В результате образования гидроокиси железа происходит коагуляция взвесей из ЖРО. Осветленную часть ЖРО декантируют на насыпной фильтр 3 и затем подают на катионитовые ионообменные колонны 4 и анионитовые ионообменные колонны 5. Полученный после колонн фильтрат сбрасывают в открытую гидросеть. После насыщения ионообменных колонн подачу ЖРО прекращают, а иониты подвергают регенерации кислотой и щелочью. Для этого в катионитовые ионообменные колонны 4 подают азотную кислоту, а в анионитовые ионообменные колонны 5 натриевую щелочь. Вытекающий из анионитовых ионообменных колонн 5 щелочной регенерат подают в емкость-усреднитель 7, а кислый регенерат из катионитовых ионообменных колонн 4 направляют в катодную камеру 14 электролизера 6. При этом катодную камеру 14 заполняют до уровня штуцера входа кислого регенератора 17, а анодную камеру 9 заполняют водой до уровня штуцера входа воды в анодную камеру 12. После заполнения камер через коллектор подвода пульсирующего сжатого воздуха 20 в пульсационные камеры 19 подают пульсирующий сжатый воздух и одновременно подводят напряжение к аноду 10 и катоду 15. За счет подачи пульсирующего воздуха в пульсационных камерах 19 происходят колебательные движения столбов жидкости по вертикали. Связь пульсационных камер 19 с анодной камерой 9 и катодной камерой 14 по принципу сообщающихся сосудов, а также наличие ложного дна 21, клапана 22 и сопел 23 обеспечивает циркуляцию жидкости по схеме, изображенной на фиг.2. Указанная циркуляция обеспечивает работу электролизера 6 за счет предотвращения забивания образующимися в электролизере 6 осадками анионообменной мембраны 18, а также обеспечивает смыв осадков, оседающих на катоде 15. В состав кислого регенерата, подающегося в катодную камеру 14, входят азотная кислота, соли жесткости, а также нитраты радионуклидов стронция, иттрия, цезия, церия, циркония, ниобия. В процессе электролиза анион NO^- ₃ переходит из катодной камеры 14 через анионообменную мембрану 18 в анодную камеру 9, где происходит его превращение в азотную кислоту, которая через штуцер выхода кислоты из анодной камеры 13 удаляется из электролизера 6. Катионы водорода в катодной камере 14 восстанавливаются на катоде 15 до элементарного водорода, удаляемого из электролизера 6 через штуцер выхода катодных газов 16. При этом величина pH в катодной камере 14 возрастает, за счет чего катионы кальция, магния, стронция, иттрия, церия, циркония и ниобия выпадают в осадок в форме гидроокисей, забивка которым анионообменной мембраны 18 и инкрустирование катода 15 предотвращается по причинам, указанным выше. Кроме того, за счет принудительной циркуляции жидкости в катодной камере 14 и наличия клапана 22 осадок постоянно удаляется из катодной камеры 14 через пространство, образованное ложным дном 21 и дном 24, и далее через штуцер выхода катиолита 25. Этим же путем происходит удаление из катодной камеры 14 и жидкой фазы, содержащей катион радионуклида цезия. Таким образом, после электролизера 6 в емкость-усреднитель 7 поступает жидкость, имеющая в своем составе радионуклид цезия в катионной форме, вышеназванные гидроокиси в форме осадков, с величиной pH порядка 7. Щелочной регенерат, поступающий в емкость-усреднитель 7, имеет в своем составе натриевую щелочь, анионы хлора, нитрат-анионы, сульфат-анионы, а также анионы таких радионуклидов, как иод, рутений, сера и углерод. Если в устройстве согласно прототипу после смещения кислых и щелочных регенератов в емкости-усреднителе получаемая смесь имела кислую реакцию и нейтрализовывалась до pH 7 искусственно, то в устройстве для переработки жидких радиоактивных отходов вышеуказанная смесь имеет щелочную реакцию. Это исключает необходимость использования щелочи или соды для нейтрализации смеси в емкости-усреднителе 7, как это делается в прототипе. Таким образом, электролизер 6 в предлагаемом устройстве помимо утилизатора азотной кислоты выступает еще и в роли аппарата-нейтрализатора. Отсутствие в смеси основной массы нитрат-аниона, а также вышеуказанных нейтрализующих агентов обеспечивает снижение энергозатрат на поддержание постоянной во времени производительности выпарного аппарата 8 за счет значительного снижения инкрустируемости греющих поверхностей выпарного аппарата 8 нитратными или карбонатными солями, уменьшает содержание азотной кислоты в газовой фазе, упрощая систему газоочистки. Утилизация азотной кислоты и отсутствие необходимости использования нейтрализующих агентов повышает экономичность работы устройства.Liquid radioactive waste from the original container of liquid radioactive waste 1 is fed to coagulator 2, where sodium alkali and iron (II) sulfate are added. As a result of the formation of iron hydroxide, coagulation of suspensions from LRW occurs. The clarified part of LRW is decanted onto the bulk filter 3 and then fed to cation exchange ion columns 4 and anion exchange ion columns 5. The filtrate obtained after the columns is discharged into an open hydrogrid. After saturation of the ion exchange columns, the LRW supply is stopped, and the ion exchangers are regenerated with acid and alkali. For this, nitric acid is supplied to the cation exchange ion-exchange columns 4, and sodium alkali to the anion exchange-ion exchange columns 5. The alkaline regenerate flowing out of the anion exchange ion columns 5 is fed into the averaging vessel 7, and the acid regeneration from the ion exchange columns 4 is sent to the cathode chamber 14 of the electrolyzer 6. In this case, the cathode chamber 14 is filled to the level of the inlet of the acidic regenerator 17, and the anode chamber 9 is filled water to the level of the water inlet to the anode chamber 12. After filling the chambers through the collector for supplying pulsating compressed air 20, pulsating compressed air is supplied to the pulsation chambers 19 and at the same time voltage is applied to the anode 10 and cathode 15. Due to the supply of pulsating air in the pulsation chambers 19, oscillatory movements of the liquid columns occur vertically. The connection of the pulsation chambers 19 with the anode chamber 9 and the cathode chamber 14 according to the principle of communicating vessels, as well as the presence of a false bottom 21, valve 22 and nozzles 23 ensures the circulation of fluid according to the scheme shown in figure 2. This circulation ensures the operation of the electrolytic cell 6 by preventing clogging of the sediments formed in the electrolytic cell 6 of the anion-exchange membrane 18, and also provides a flush of the precipitates deposited on the cathode 15. The acid regenerate supplied to the cathode chamber 14 includes nitric acid, hardness salts, and nitrates of radionuclides of strontium, yttrium, cesium, cerium, zirconium, niobium. In the process of electrolysis, the NO ^- ₃ anion passes from the cathode chamber 14 through the anion exchange membrane 18 to the anode chamber 9, where it is converted into nitric acid, which is removed from the electrolysis cell through the acid outlet fitting from the anode chamber 13. Hydrogen cations in the cathode chamber 14 are restored at the cathode 15 to elemental hydrogen removed from the electrolyzer 6 through the cathode gas outlet fitting 16. The pH in the cathode chamber 14 increases, due to which the cations of calcium, magnesium, strontium, yttrium, cerium, zirconium and niobium in precipitate in the form of hydroxides, the clogging of which of the anion exchange membrane 18 and the encrustation of the cathode 15 is prevented for the reasons mentioned above. In addition, due to the forced circulation of the liquid in the cathode chamber 14 and the presence of the valve 22, the precipitate is constantly removed from the cathode chamber 14 through the space formed by the false bottom 21 and bottom 24, and then through the outlet fitting of the catholyte 25. In the same way, removal from the cathode chamber 14 and a liquid phase containing a cesium radionuclide cation. Thus, after the electrolyzer 6, a liquid enters into the averaging tank 7, which contains cesium radionuclide in the cationic form, the above hydroxides in the form of precipitates, with a pH value of about 7. The alkaline regenerate entering the averaging tank 7 has in its composition sodium alkali, chlorine anions, nitrate anions, sulfate anions, as well as anions of radionuclides such as iodine, ruthenium, sulfur and carbon. If in the device according to the prototype, after displacing acidic and alkaline regenerates in the averaging tank, the resulting mixture had an acid reaction and was artificially neutralized to pH 7, then in the device for processing radioactive waste the above mixture has an alkaline reaction. This eliminates the need to use alkali or soda to neutralize the mixture in the tank-averager 7, as is done in the prototype. Thus, the electrolyzer 6 in the proposed device, in addition to the nitric acid utilizer, also acts as a neutralizing apparatus. The absence in the mixture of the main mass of nitrate anion, as well as the above neutralizing agents, reduces energy consumption to maintain a constant performance of the evaporator 8 due to a significant decrease in the incrustability of the heating surfaces of the evaporator 8 with nitrate or carbonate salts, reduces the content of nitric acid in the gas phase, simplifying gas cleaning system. Utilization of nitric acid and the absence of the need to use neutralizing agents increases the efficiency of the device.

Испытания подтвердили наличие вышеназванных преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с прототипом. Tests confirmed the presence of the above advantages of the proposed device compared to the prototype.

Claims

1. A device for processing liquid radioactive waste, including sequentially installed the original capacity for liquid radioactive waste, coagulator, bulk filter, cation exchange resin and anion exchange ion columns, averaging tank, evaporator and gas purification system, characterized in that it further comprises an electrolyzer installed on the drain line of acidic regenerates between cation exchange ion-exchange columns and averaging tank, and equipped with electrode chambers separated by anion-exchange a membrane, pulsation chambers connected with electrode chambers according to the principle of communicating vessels, a partition and a bottom, and the partition is located between the electrode chambers and the bottom and has one valve located under each of the electrode chambers coaxially with each of the electrodes, and not less than two nozzles placed on opposite sides of each of the electrodes in the planes of electrode placement in the electrode chambers and parallel to the plane of the anion exchange membrane.

2. The device according to p. 1, characterized in that on the opposite sides of each of the electrodes there is an equal number of nozzles.