Фильтрующее устройство для очистки воды

 

Изобретение относится к водоочистительной технике, в частности к фильтрующим устройствам для очистки радиоактивной воды пеналов или бассейнов при краткосрочном периодическом хранении негерметичных отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), при сливе воды из разгрузочно-загрузочной машины (РЗМ) в специальный бак, а также при водоподготовке вод, содержащих хлор- и йодорганические соединения. Сущность изобретения состоит в том, что в фильтрующем устройстве, включающем корпус с входным и выходным патрубками и сорбирующую загрузку из нетканого ионообменного материала, сорбирующая загрузка выполнена многослойной, причем первый слой выполнен из полиамфолита на основе полиакрилонитрильных волокон с обменной емкостью 4,5 - 5,5 ммоль/г, второй слой - из углеродсодержащего сорбционно фильтрующего материала "бусофита", а между ними расположена армирующая подложка из полипропиленового (ПП) или ПВС-волокна при соотношении толщин слоев (2,5 - 3,0) : (5,5 - 6,0) : (0,9 - 1,0); первый слой загрузки может быть выполнен из модифицированного полиакрилонитрильного волокна в виде слабоосновного анионита и, кроме того, загрузка может быть дополнительно снабжена слоем сильноосновного гранулированного анионита, размещенным на армирующей подложке. Предлагаемое устройство позволяет снизить количество радионуклидов йода, кобальта, цезия, коррозионно-опасных анионов в воде, сливаемой из машины РЗМ в бак опорожнения, при этом концентрация радиойода понижается в 3 - 6 раз, что в целом уменьшает опасность для обслуживающего персонала, улучшает экологию и повышает культуру обслуживания потенциально опасного объекта - атомной электростанции. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области водоочистительной техники, в частности к фильтрующим устройствам для очистки радиоактивной воды пеналов или бассейнов при краткосрочном периодическом хранении негерметичных отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), при сливе воды из разгрузочно-загрузочной машины (РЗМ) в специальный бак, а также при водоподготовке вод, содержащих хлор- и йодорганические соединения.

Известно, что очистку воды осуществляют с помощью фильтров - механического перлитного и фильтра смешанного действия (ФСД) с загрузкой ионитов КУ-2-8 чс и АВ-17-8 чс при соотношении 1:1. Достигаемые коэффициенты очистки от растворимых примесей и радионуклидов составляют 2 - 4, по хлор-иону и радионуклидам цезия ≅ 2 и в целом по γ-активности 1,2 - 1,7. Очистку радиактивной воды, сливаемой из РЗМ, осуществляют на механическом фильтре, где удаляются только взвешенные частицы (Химическая технология теплоносителей ядерных энергетических установок/Под редакцией Седова В.М.- М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 132-141).

Недостатком таких фильтров является периодичность работы и низкая эффективность очистки воды от радинуклидов цезия, йода, кобальта, коррозионно-опасных анионов (Cl^-, F^--ионы), способствующих контактной коррозии циркониевого сплава (оболочки твэлов).

Известно фильтрующее устройство, содержащее корпус с входным и выходным патрубками для подвода и отвода воды и сорбирующую загрузку из нетканого ионообменного материала (катионита) с толщиной слоя, не препятствующей процессу конвективного перемешивания воды в пенале, с общей обменной емкостью, равной 4,5 ммоль/г, выбранное авторами в качестве прототипа как наиболее близкoe к изобретению по совокупности существенных признаков (RU, 2022376 C1, кл. G 21 F 5/00, 30.10.94).

Недостатком известного устройства является низкая степень очистки от радионуклидов йода, особенно при кратковременном хранении ОТВС в период погрузочно-разгрузочных работ, когда радиоактивный йод является определяющим компонентом повышенной радиационной опасности.

Задачей, решаемой с помощью заявляемого изобретения, является повышение эффективности очистки от радионуклидов йода и уменьшение радиационной опасности для обслуживающего персонала и улучшения экологии в целом из-за снижения выбросов радиоактивного йода, особенно в период осуществления погрузочно-разгрузочных работ.

Сущность изобретения состоит в том, что в фильтрующем устройстве, включающем корпус с входным и выходным патрубками и сорбирующую загрузку из нетканого ионообменного материала, сорбирующая загрузка выполнена многослойной, причем первый слой выполнен из полиамфолита на основе полиакрилонитрильных волокон с обменной емкостью 4,5 - 5,5 ммоль/г, второй слой - из углеродсодержащего сорбционно фильтрующего материала "бусофита", а между ними расположена армирующая подложка из полипропиленового (ПП) или ПВС-волокна при соотношении толщин слоев (2,5 - 3,0) : (0,9 - 1,0) : (5,5 - 6,0); первый слой загрузки может быть выполнен из модифицированного полиакрилонитрильного волокна в виде слабоосновного анионита; и, кроме того, загрузка может быть дополнительно снабжена слоем сильноосновного гранулированного анионита, размещенным на армирующей подложке. Для эффективного решения поставленной задачи необходимо наличие каждого из перечисленных слоев, расположенных в определенной последовательности, так как каждый тип фильтрующего материала имеет свою рабочую функцию: - нетканый полиамфолит (катионит или анионит) эффективно удаляет катионы коррозионного происхождения ⁵⁴Mn, ⁵⁸Fe, ⁶⁰Co и другие не только в процессе ионного обмена, но также за счет комплексообразования, образуя при этом полимерные комплексы типа по сути, этот фильтрующий слой удаляет взвешенные вещества и продукты коррозии, кроме того, как обнаружено авторами, нетканый полиамфолит в достаточной степени поглощает молекулярный йод, анионы йодистоводородной и йодноватистой кислот - йодид- и йодатионы; - нейтральный волокнистый полимерный материал в виде полипропилена или ПВС-волокон выполняет функцию задержания коллоидных частиц, но главное - использование его как армирующей и предохраняющей подложки перед "бусофитом", хотя в некоторой степени возможно его применение и для сорбции радиойода; отсутствие этого слоя в некоторые моменты эксплуатации, например, в период перегрузки негереметичных ОТВС может привести к деформации ткани "бусофит"; - сорбционно фильтрующий углеродный материал "бусофит" в виде ткани предназначен для поглощения молекулярного йода и других форм радиоактивного йода, в том числе и его летучих органических соединений, например метилйодида; этот слой очень важен ввиду высокой сорбционной способности по отношению к радиойоду, особенно метилйодиду; - сильноосновный гранулированный анионит гелевого или макропористого типа с четвертичными бензилтриметиламмониевыми функциональными группами используют в качестве дополнительного слоя для удаления коррозионно-агрессивных анионов (Cl^-, F^-), йодид- и йодат-ионов в процессе ионного обмена, а также неионоообменной сорбции метилйодида и располагают его сразу после первого слоя перед полипропиленовой подложкой. В качестве гранулированного анионита могут быть использованы отечественные аниониты марок АВ-17-8 чс, АВ-17-8 (Cl^- - форма в том числе), зарубежные аниониты марок MWA-1, Relite3AS, DOWEX-11.

Для решения поставленной задачи и для простоты исполнения устройства применим и композит из нетканого полиамфолита и "бусофита", разделенный подложкой из полипропилена или ПВС-волокна. Указанная последовательность слоев в предлагаемом фильтрующем устройстве для очистки воды обеспечивает практически полное удаление из воды радионуклидов коррозионного происхождения, включая коррозионно-опасные анионы цезия, особенно радиоактивного йода, и всех его многообразных форм.

Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображен один из возможных вариантов предлагаемого фильтрующего устройства. Устройство содержит цилиндрический корпус 1 с верхней крышкой 2 и патрубком 3 для входа очищаемой воды и нижней крышкой 4 с патрубком 5 для выхода очищенной воды, распределительные пластины 6. Внутри корпуса 1 по ходу перемещения очищаемой воды размещены следующие слои: первый слой из нетканого полиамфолита на основе ПАН-волокон 7, дополнительный слой из сильноосновного гранулированного анионита гелевого или макропористого типа 8, армирующая подложка из нейтрального волокнистого полимерного материала из полипропиленовых или ПВС-волокон 9, второй слой из сорбционного фильтрующего углеродного материала "бусофит" 10. В общей технологической схеме предлагаемое устройство расположено на трубопроводе слива воды из РМЗ в бак опорожнения РЗМ. Режим работы устройства периодический - от 2 до 10 ч. Предлагаемое фильтрующее устройство работает следующим образом: устройство подсоединяют к трубопроводу слива воды из РЗМ в бак опорожнения, открывают вентиль и медленно сливают радиоактивную воду через устройство.

Работа предлагаемого устройства поясняется следующими примерами.

Пример 1.

Через фильтрующее устройство (см. фиг. 2), содержащее в качестве первого слоя фильтрующей загрузки 7 полиамфолит на основе ПАН-волокон (в большей степени катионит) с обменной емкостью 5,0 ммоль/г с толщиной слоя 8 мм и второго слоя 10 из "бусофита" толщиной 14 мм, между которыми находится подложка 9 из ПП толщиной 3 мм, пропускали высокоактивную воду (из РЗМ) со скоростью 30 мл/с. После 2 ч работы устройства определяли радиохимические и физико-химические показатели качества воды и рассчитывали эффективность очистки по каждому компоненту. Экспериментальные данные радиоизотопного состава воды до и после очистки приведены в табл. 1, а данные по эффективности сорбции радионуклидов, радиойода и коррозионно-опасных анионов представлены в табл. 2 и 3. Для определения параметров, характеризующих эффективность работы устройства, проводили стабилизацию радиойода в конденсированной фазе пробы; пробу подщелачивали до величины pH не менее 9 (для перевода молекулярного йода в йодид- и йодат-формы). Аликвоту раствора (исходного и прошедшего через заявляемое устройство) помещали на подложку и упаривали при умеренной температуре (100^oC), измеряли, обрабатывали гамма-спектр полученного препарата. При работе устройства основные физико-химические показатели воды определялись в соответствии с ГОСТ 26841-86 "Режим атомных электростанций АЭС с РБМК. Нормы качества водного теплоносителя основного контура и контура системы управления и защиты, средства их обеспечения".

Пример 2.

Через фильтрующее устройство (см. фиг. 2), содержащее в качестве первого слоя фильтрующей загрузки 7 полиамфолит на основе ПАН-волокон (в большей степени катионит, модифицированный щелочью) с обменной емкостью 5,5 ммоль/г с толщиной слоя 8 мм и второго слоя 10 из "бусофита" толщиной 16 мм, между которыми находится подложка 9 из ПП толщиной 3 мм, пропускали высокоактивную воду (из РЗМ) со скоростью 30 мл/с. После 2 ч работы устройства определяли радиохимические и физико-химические показатели качества воды и рассчитывали эффективность очистки по каждому компоненту. Экспериментальные данные радиоизотопного состава воды до и после очистки приведены в табл. 1, а эффективность очистки - в табл. 2 и 3.

Пример 3.

Через фильтрующее устройство (см. фиг. 2), содержащее в качестве первого слоя фильтрующей загрузки 7 полиамфолит на основе ПАН-волокон в виде слабоосновного анионита с обменной емкостью 4,5 ммоль/г с толщиной слоя 8 мм и второго слоя 10 из "бусофита" с толщиной слоя 16 мм, между которыми находится подложка 9 из полипропилена толщиной 3 мм, пропускали высокоактивную воду (из РЗМ) со скоростью 30 мл/с. После 2 ч определяли радиохимические и физико-химические показатели качества воды и рассчитывали эффективность и коэффициенты очистки. Данные приведены в табл. 2 и 3.

Пример 4.

Через фильтрующее устройство (см. фиг. 1), содержащее в качестве первого слоя фильтрующей загрузки 7 полиамфолит на основе ПАН-волокон (в большей степени катионит, модифицированный щелочью) с обменной емкостью 5,0 ммоль/г с толщиной слоя 8 мм, дополнительного слоя 8 из гранулированного анионита толщиной 10 мм, армирующей подложки 9 из полипропилена или ПВС-волокна с толщиной слоя 2 мм и второго слоя 10 из "бусофита" толщиной 7 мм, пропускали высокоактивную воду (из РЗМ) со скоростью 30 мл/с. Данные приведены в табл. 2 и 3.

Заявляемое устройство, как видно из табл. 1, 2, 3, позволяет снизить количество радионуклидов йода, кобальта, цезия, коррозионно-опасных анионов в воде, сливаемой из машин РЗМ в бак опорожнения, при этом концентрация радиойода понижается в 3 - 6 раз, что в целом уменьшает опасность для обслуживающего персонала, улучшает экологию и повышает культуру обслуживания потенциально опасного объекта - атомной электростанции.

Формула изобретения

1. Фильтрующее устройство для очистки воды пеналов или бассейнов с отработанным топливом, содержащее корпус с входным и выходным патрубками и сорбирующую загрузку из нетканого ионообменного материала, отличающееся тем, что сорбирующая загрузка выполнена многослойной, причем первый слой выполнен из полиамфолита на основе полиакрилонитрильных волокон с обменной емкостью 4,5 - 5,5 ммоль/г, второй слой - из углеродсодержащего сорбционно фильтрующего материала "бусофита", а между ними расположена армирующая подложка из полипропиленового или поливинилспиртового волокна.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина слоев выбрана из соотношения полиамфолит : подложка : "бусофит", равного (2,5 - 3,0) : (0,9 - 1,0) : (5,5 - 6,0).

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первый слой загрузки выполнен из модифицированного полиакрилонитрильного волокна в виде слабоосновного анионита.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что загрузка снабжена дополнительным слоем сильноосновного гранулированного анионита, размещенным на армирующей подложке, причем толщина слоя выбрана из соотношения полиамфолит : гранулированный анионит : подложка : "бусофит", равного (2,5 - 3,0) : (3,0 - 3,7) : 0,7 : (2,0 - 2,6).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5