Сорбционные методы очистки ЖРО

Для очистки малосолевых (до 1 г/л) ЖРО широкое распространение получила сорбционная очистка с использованием ионообменных материалов. Коэффициенты очистки зависят от удельной активности исходного раствора, радиохимического состава и достигают значений от 10 до 10⁵. Наибольшей сорбционной емкостью (4-5 мг-экв/г) обладают синтетические ионообменные смолы (ИОС).

В России для очистки ЖРО в основном применяют сильнокислотный катионит КУ-2 и сильноосновный анионит АВ-17 на основе сополимера стирола и дивинилбензола, соответственно с -SO₃H и -N⁺(CH₃)₃ функциональными группами. Иониты выпускаются в гранулированном виде (размер зерен 0,315-1,25 мм) и используются обычно в Н⁺- и ОН^--формах. Они характеризуются высокой динамической обменной емкостью (500-700 г-экв/м³), хорошими фильтрующими и кинетическими свойствами, химической устойчивостью в концентрированных растворах кислот и щелочей и достаточно высокими коэффициентами очистки от радионуклидов (К_оч от ¹³⁷Cs и ²⁴Na на КУ-2 достигают 100).

ИОС не только удаляют из растворов все радионуклиды, находящиеся в ионной форме, но и обессоливают их. Поэтому использование ионитов для обработки ЖРО с солесодержанием более 1 г/л экономически нерационально. После исчерпания емкости смол проводится их регенерация. Для регенерации ионитов требуется 2-3 кратный избыток кислоты или щелочи, что приводит к удорожанию последующей переработки и хранения радиоактивных регенератов. В то же время, ИОС практически не удаляют радионуклиды в молекулярной и коллоидной формах. Наличие в очищаемых ЖРО взвесей (свыше 1 мг/л), высокомолекулярных органических соединений и ПАВ резко ухудшает работу ионообменных смол (“отравляет” смолы). Поэтому, как правило, ИОС используют для доочистки ЖРО после их предварительной обработки другими методами (осадительными, термическими или мембранными), т.е. уже после удаления из них взвесей, коллоидов и большей части солей.

При ионообменной очистке малосолевых ЖРО их последовательно пропускают через насыпные фильтры с катионитом в Н⁺-форме и анионитом ОН^--форме, а затем фильтры регенерируют. Чтобы добиться хорошей очистки, процесс осуществляют в две ступени. На первой из отходов выводят соли и частично радионуклиды, а на второй, куда поступают уже обессоленные отходы, проводят основную очистку от радионуклидов. При таком оформлении процесса обеспечивается очистка от основных радионуклидов в ионной форме, примерно на 4 порядка. На второй стадии очистки используют и фильтры смешанного действия, загруженные смесью катионита и анионита в Н⁺- и ОН^--формах. Благодаря такой загрузке, число элементарных актов ионирования резко возрастает и повышается эффективность очистки.

Помимо насыпных фильтров предлагают использовать и намывные фильтры с сорбентом в виде порошка, намываемого на жесткий фильтрующий каркас, выполненный в виде пористых стержней (патронов), так называемый “паудекс-процесс”. Развитая поверхность порошка сорбента существенно улучшает кинетику сорбции, позволяет уменьшить время контакта, соответственно до минимума сократить толщину фильтрующего слоя (0,3-1 см) и практически нацело использовать емкость сорбента. Отработавшие сорбенты периодически удаляют с помощью противоточного гидравлического удара (“шоковая” регенерация). Недостаток намывных фильтров - высокая стоимость однократно используемого порошка ИОС.

В последнее время возрос интерес к применению для очистки ЖРО вместо ИОС неорганических сорбентов. Разработаны неорганические сорбенты отличающиеся повышенной селективностью к некоторым радионуклидам. Данные сорбенты обеспечивают прочную фиксацию радионуклидов, отличаются более высокой термической и радиационной стойкостью по сравнению с ИОС. Кроме того, природные сорбенты отличаются доступностью и дешевизной. Из природных минералов в качестве сорбентов наибольшее распространение получили такие алюмосиликаты как глины, вермикулиты и цеолиты, селективные к ¹³⁷Cs, по которому обладают емкостью до 1,0 мг-экв/г, до 1,5 мг-экв/г и до 1,7 мг-экв/г, соответственно. Однако, природные сорбенты, как правило, не обладают необходимой для насыпных фильтров механическими и фильтрационными свойствами. Поэтому чаще их применяют в намывных фильтрах или в статических условиях (например, как добавки к коагулянтам), где к ним таких жестких требований не предъявляется. Высокой селективностью к радиоцезию обладают и такие искусственные неорганические сорбенты как ферроцианиды тяжелых металлов, но их применение ограничено высокой стоимостью.