Очистка жро методом ультрафильтрации

Наибольшее число публикаций по вопросам переработки ЖРО мембранными методами приходится на ультрафильтрацию.

Прямая ультрафильтрация (т.е. ультрафильтрация без дополнительной обработки растворов) применяется для очистки растворов, в которых радионуклиды находятся в коллоидном состоянии. Производительность УФ мембран лежит в пределах 75-500 л/м²ч.

Для характеристики способности УФ мембран задерживать молекулы с определенной молекулярной массой существует термин номинальная отсекаемая молекулярная масса (НОММ). Однако в реальных условиях форма и заряд молекулы влияют на ее прохождение через мембрану. Молекулы, вытянутые в длину и имеющие большую молекулярную массу, чем НОММ, могут пройти через соответствующую мембрану, в то время как заряженные молекулы с массой,, меньшей НОММ, могут оказаться задержанными.

Селективность УФ мембран по взвешенным частицам обычно увеличивается в процессе работы, что связано с частичной кольматацией пор. Селективность же по микроорганизмам с течением времени уменьшается вследствие их размножения в межволоконном пространстве, что ведет к необходимости их периодической стерилизующей промывки, например, 2 %-ным раствором перекиси водорода.

Многие виды стоков, возникающие на ядерных объектах, имеют низкие уровни активности и перед сбросом обрабатываются традиционными методами ионного обмена и фильтрации. Некоторые из радионуклидов присутствуют в отходах в нерастворимом виде и, таким образом, потенциально могут быть задержаны ультрафильтрацией. Растворимые компоненты не задерживаются ультрафильтрацией напрямую, но если в раствор внести разного рода осаждающие добавки или тонко измельченные (порошковые) материалы, которые адсорбируют или свяжут эти компоненты, то становится возможным их задержание. Такие материалы могут улучшать удаление радионуклидов по одному или даже по трем основным механизмам: осаждения, соосаждения и адсорбции (сорбции). Механизмы осаждения и соосаждения осуществляются путем получения нерастворимых соединений в водных стоках либо изменением рН среды, либо в результате химической реакции при добавлении соответствующих реагентов. Однако в раствор может быть внесен и предварительно сформированный твердый связывающий (сорбирующий) материал, или суспензия твердого материала. Сорбционный механизм является обычно ионообменным процессом и это наиболее многосторонний и эффективный процесс из трех основных механизмов связывания.

Использование тонко измельченных сорбентов и осадителей в совокупности с ультрафильтрацией характеризуется рядом преимуществ по сравнению с обычным ионообменным процессом:

• ультрафильтрация обеспечивает хорошее отделение твердых компонентов от раствора, удаляя даже коллоидные частицы;

• меньшее количество применяемых коагулянтов или сорбентов приводит к образованию меньшего количества вторичных отходов;

• высокая удельная поверхность тонко измельченных сорбентов, в сравнении с гранулированными материалами, улучшает кинетику сорбции;

применение ионообменных материалов как добавок предпочтительнее, чем использование их в виде традиционных загрузок слоями, и приводит к широкомасштабному использованию сорбентов, а их приготовление зачастую более дешево и просто.

Для очистки вод бассейна выдержки отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторов Magnox от стронция были проведены работы по ультрафильтрации с предварительной сорбцией Sr⁹⁰ гидроксидом титана. Субмикронный Тi(OH)₄ обладает высокой сорбционной ёмкостью, что позволило снизить активность, обусловленную стронцием, более чем в 100 раз. При этом для достижения такого результата достаточно дозировки Тi(OH)₄ в количестве 2 г/м³ и последующей ультрафильтрации.

Работы проводили на половолоконном модуле площадью 0,1 м². После введения Тi(OH)₄ в количестве 4 г/м³ раствор концентрировали ультрафильтрацией в 10 раз, а затем направляли в отстойник на осаждение. Осветлённый раствор возвращали на ультрафильтрацию. При сокращении объёма отходов в 500 раз коэффициент очистки от стронция составлял, по меньшей мере, 100. Дополнительного сокращения объёма вторичных отходов добивались центрифугированием концентрата, которое позволяло получить пульпу, объём которой был в 1700 раз меньше объёма исходных отходов. Сравнение таких традиционных методов разделения, как осаждение и центрифугирование с ультрафильтрацией показало, что в последнем случае требуется значительно более низкий расход связывающих радионуклиды материалов (см. таблицу 2).

Таблица 2 - Результаты очистки вод бассейна выдержки ОТВС реакторов Magnox методами осаждения, центрифугирования и ультрафильтрации

Дозировка гидроксида титана, мг/л	Коэффициент очистки
	Осаждение	Центрифугирование	Ультрафильтрация
4	1,4 ÷ 6	1,5 ÷ 9	> 100
100	12	21	-
600	~ 100	> 100	-

Результаты исследований по очистке альфа-содержащих ЖРО, проведённых в Харвелле, показали, что ни один из рассмотренных процессов (дистилляция, химическое осаждение, сорбция на органических и неорганических ионитах, жидкостная экстракция, ультрафильтрация, электрические и микробиологические процессы) в отдельности не позволяет получить воду с активностью 1 ÷ 10 Бк/л при сохранением приемлемых эксплуатационных характеристик, но это достигается комбинацией двух или более процессов. Например, ультрафильтрацией или коагуляцией в комбинации с применением тонко измельчённых неорганических ионообменных материалов.

На основании лабораторных исследований лабораторий UKAEA был предложен список сорбционных материалов, которые в комбинации с ультрафильтрацией улучшали удаление радионуклидов из ЖРО. Список сорбционных материалов представлен в таблице 3.

Таблица 3 - Сводная таблица сорбционных материалов

Радионуклид	Наиболее подходящий сорбент
Cr51	Нет
Mn54	MnO2, HTiO
Fe59	Fe(OH)3, MnO2
Co60	HTiO, MnO2
Ni63	Ni2Fe(CN)6, HTiO, MnO2
Zn65	Высокие показатели очистки наблюдаются уже при использовании прямой ультрафильтрации
Sr90	HTiO, MnO2
Zr95	Fe(OH)3
Ru106	MnO2, HTiO, Fe(OH)3
Ag110	Высокие показатели очистки наблюдаются уже при использовании прямой ультрафильтрации
Sb125	Нет
Cs137	Ni2Fe(CN)6, Cu2Fe(CN)6
Сe139	Fe(OH)3
Pu239	Fe(OH)3