Сорбционная установка для очистки вод от радионуклидов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ОЗЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал)

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный институт МИФИ »

(ОТИ НИЯУ МИФИ)

Кафедра ТМ и МАХП

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Процессы и аппараты»

Тема: «Сорбционная установка для очистки вод от радионуклидов»

Преподаватель:        С.А. Текутьев

Выполнил

студент гр. 1ХТ-49Д       Л.С.Султанова

2012

Содержание

Введение 4

1. Литературный обзор 6

1.1 Сорбционные методы 13

1.2 Сорбция из водных растворов 13

1.3 Применение основных методов водоподготовки для удаления радиоактивности 15

1.4 Отстаивание 17

1.5 Ионообменные смолы 18

1.6 Происхождение природных сорбентов 22

1.7 Свойства природных сорбентов 22

1.8 Регенерация ионообменных смол 24

1.9 Отбор проб очищенной воды 25

1.10 Основные требования к анионитам, используемым для очистки сточных вод 26

2. Описание установки 27

3. Контроль и управление процессом 30

3.1 Производственный контроль 32

4. Технологический расчет 33

5. Вывод 42

6. Список используемых источников 43

Введение

Сорбционная колонка представляет собой цилиндрическую вертикальную емкость, сверху и снизу ограниченную крышкой. Крышки колонки и сетки съемные. В днище корпуса колонки расположен штуцер выдачи (приема) раствора. В верхней крышке размещены штуцера приема (выдачи) раствора и сдувки. Штуцера приема (выдачи) обеспечивают подачу раствора как сверху вниз, так и снизу вверх колонны.

Ионообменное извлечение металлов из сточных вод позволяет рекуперировать ценные вещества с высокой степенью извлечения. Ионный обмен – это процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются ионитами. Метод ионного обмена основан на применении катионитов и анионитов, сорбирующих из обрабатываемых сточных вод катионы и анионы растворенных солей. В процессе фильтрования обменные катионы и анионы заменяются катионами и анионами, извлекаемыми из сточных вод. Это приводит к истощению обменной способности материалов и необходимости их регенерации [9].

Наибольшее практическое значение для очистки сточных вод приобрели синтетические ионообменные смолы – высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами.

Иониты бывают неорганические (минеральные) и органические. Это могут быть природные вещества или вещества, полученные искусственно.

Органические природные иониты - это гумиповые кислоты почв и углей. К органическим искусственным ионитам относятся ионообменные смолы с развитой поверхностью, которые представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней активными ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка (каркас) называется матрицей, а обменивающиеся ионы - противоионами. Каждый противоион соединён с противоположно заряженными ионами, называемыми фиксированными или анкерными. Полимерные углеводородные цепи, являющиеся основой матрицы, связаны (сшиты) между собой поперечными связями, что придаёт прочность каркасу.

1. Литературный обзор

 Установки

Напорные сорбционные фильтры:

Сорбционные напорные фильтры применяются для удаления из воды до санитарных норм:

• запаха, привкуса, цветности органического происхождения,   соединений    избыточного активного хлора, органических соединений;
• трехвалентного железа, взвешенных частиц, песка, ила,  глинистых и органических взвесей, водорослей, осадка.

 Установка состоит из корпуса  фильтра, выполненного из стеклопластика внутри ламинированного полиэтиленом, автоматического клапана управления производства концерна GE Water Process Technologies (США), фильтрующей среды, поддерживающего слоя гравия, дренажно-распределительной системы. 

Напорные фильтры с инертной  загрузкой, либо с фильтрующей средой, обладающей высокой сорбционной емкостью. Загрязнения задерживаются в слое загрузки и в дальнейшем вымываются в дренаж при обратной  промывке. Промывка осуществляется без применения каких-либо химических веществ путем взрыхления и последующей отмывки слоя фильтрующего материала исходной водой. При высокой загрязненности исходной воды, обезжелезивании минеральных вод и т.п., необходимо проведение промывки очищенной водой.[7]

При деструктивной регенерации, когда адсорбированные вещества не представляют технической ценности, обычно применяют термические и окислительные (окисление хлором, озоном) методы. На рис.  приведена технологическая схема термической регенерации высокодисперсного активного угля.[4]

Рис.  2 Схема установки термической регенерации высокодисперсного активного угля

1 – сборник  отработанного угля; 2 – весовой ленточный питатель; 3 – пневматический затвор; 4 – регенератор; 5 – камера сгорания; 6 – сепаратор; 7 – вытяжной вентилятор; 8 – вентилятор; 9 – шнек; 10 – фильтр; 11 – пневматический транспортер; 12 – сборник регенерированного угля; 13 – компрессор.

При термической регенерации потери активного угля составляют около 5 – 10%. В процессе многократного использования активный уголь частично дезактивируется, вследствие чего часть его заменяется свежим углем.

Ионнообменная установка. Оборудование, предназначенное для очистки природных и сточных вод от примесей, а также обессоливания и опреснения воды. Оно включает: ионообменные фильтры с обработкой воды в плотном или псевдоожиженном слое ионита; пульсационные колонны или резервуары с механическим или пневматическим перемешиванием для контактирования ионитов с водой. В фильтрах с плотным слоем загрузки в нижней части имеется днище с дренажным устройством, позволяющим пропускать только воду и задерживать твердые частицы ионита. Верхняя часть фильтра снабжена распределит, устройством для подачи и равномерного распределения воды по всему его сечению. Зернистый ионит загружают в фильтр в набухшем состоянии. Вода, подаваемая сверху вниз, проходит через слой ионита и дренаж с заданной скоростью до проскока извлекаемых примесей. При появлении примесей в фильтрате процесс очистки воды приостанавливают, чтобы восстановить первоначальное рабочее состояние ионита, т.е. регенерировать его. Процесс регенерации ионитов осуществляется пропусканием регенерирующего агента через фильтр прямотоком (сверху вниз) или противотоком (снизу вверх). После регенерации иониты отмывают от избытка регенерирующего агента и продуктов регенерации. Отмытые иониты используют для очистки следующей порции сточной воды. Цикл — фильтрация воды, регенерация и отмывка ионита — многократно повторяется.

Ионнообменная установка непрерывного действия с псевдоожиженным слоем ионита для удаления ионов натрия из раствора, содержащего хлорид натрия.[1]

Термическая регенерация – процесс весьма сложный, многостадийный, затрагивающий не только сорбат, но и сам сорбент. Термическая регенерация приближена к технологии получения активных углей. При карбонизации сорбатов различного типа на угле большая часть примесей разлагается при 200 – 3500ºС, а при 4000ºС обычно разрушается около половины всего адсорбата. CO, CO2, CH4 - основные продукты разложения органического сорбата, выделяются при нагревании до 350 – 6000ºС. В теории стоимость такой регенерации составляет 50% стоимости нового активного угля. Это говорит о необходимости продолжения поиска и разработки новых высокоэффективных методов регенерации сорбентов.

Сорбционная колонна на рис. 4 близка по конструкции и аппарату Асахи. Колонна отмывки смолы от взвесей и мелочи 2 одновременно является дозатором. Оригинально выполнен аппарат для регенерации и промывки смол 3. Он представляет собой U-образную колонну, в одном из колен которой проводится отмывка смолы, а в другом — регенерация. Нижняя средняя часть U-образника снабжена дренажным устройством, секции которого соединены через циркуляционный насос 4, с большой производительностью, что позволяет равномерно распределить раствор по всему сечению колонны. Использование в качестве регенератора U-образной колонны позволило вдвое сократить ее высоту и избежать перемещения смолы при остановках аппарата.[5]

Адсорберы. В адсорбционных установках основным  аппаратом является адсорбер, в котором осуществляются процессы адсорбции и десорбции паров летучих органических растворителей, а также сушка и охлаждение адсорбента. Наиболее широкое применение нашли адсорберы вертикального и горизонтального типов.

Адсорберы вертикального типа с плоским слоем адсорбента         (рис. 5, а) и горизонтального типа (рис. 5, б) просты в конструктивном отношении и представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные адсорбентом. Колосниковые решетки 8, на которые помещают адсорбент, расположены на специальных опорах на расстоянии ~500—600 мм от дна адсорбера. Решетки выполняются в виде керамических или металлических плит с отверстиями. Чтобы адсорбент не просыпался под решетку, между ней и слоем адсорбента 7 помещают слой гравия высотой до 100—150 мм или настилают два слоя проволочной сетки из нержавеющей стали. Чаще применяют металлические плиты, так как из-за периодического изменения температуры и давления, а также движения среды (поток водяного пара при 115—120° С, поток воздуха при 5—110° С) керамические плиты нередко разрушаются и проваливаются на дно адсорбера вместе со слоем активированного угля, в результате чего адсорбер выходит из строя. В настоящее время решается вопрос о замене применяемых плит и гравия пористыми плитами и шариками, изготовленными из силикагеля, высокопрочного активированного угля или других материалов. В этом случае плиты и шарики будут выполнять роль не только опоры, но и адсорбента.[5]

Для предотвращения раздувания потоком газа слой адсорбента покрывается нержавеющей сеткой, которая сверху придерживается грузом. Адсорберы вертикального типа имеют диаметр 2; 2,5 и 3 м, высоту цилиндрической части корпуса до 2—5 м и высоту слоя адсорбента до 2,5 м. Диаметр адсорбера горизонтального типа равен 1,8 и 2 м, длина цилиндрической части корпуса составляет 3—9 м, высота слоя адсорбента — до 0,8 м. Паровоздушная смесь, а также газ для сушки и охлаждения адсорбента подаются либо в верхнюю часть адсорбера (как показано на рис. 5), либо в нижнюю его часть под колосниковую решетку; острый водяной пар вводится через барботер 11, а конденсат отводится через штуцер 10.

Более сложны в конструктивном отношении адсорберы с кольцевым слоем адсорбента (рис. 5, в). В этих аппаратах паровоздушную смесь направляют от периферии к центру для лучшего использования адсорбционной емкости адсорбента. Диаметр адсорбера достигает 3 м, общая высота — до 7 м.

Адсорбент и гравий загружают в адсорберы указанных типов и выгружают из них вручную. Загрузочные люки 5 расположены в верхней части адсорберов, разгрузочные люки 2 — на уровне колосниковых решеток. С целью предохранения адсорбера от смятия при образовании вакуума (за счет конденсации пара) люки 5 закрывают мембранами толщиною 0,3—0,5 мм из меди или алюминия. Кроме того, в каждом адсорбере предусматривают предохранительный клапан, а также штуцер для подачи воды на случай тушения загоревшегося слоя угля (может быть использован штуцер для отвода конденсата).[5]

Все адсорберы покрывают слоем теплоизоляции (шлаковатой, асбозуритом и т. д.).

1.1 Сорбционные методы

Предполагают поглощение радионуклидов твёрдой фазой по любому механизму: адсорбция, ионный обмен, сокристаллизация, окклюзия, адгезия. Сорбция проводится как в динамических, так и в статических условиях. Динамическая сорбция осуществляется путём непрерывного фильтрования очищаемого раствора через слой сорбента. Статическая сорбция исключает направленное движение сорбента и очищаемого раствора относительно друг друга, а предполагает временный разовый контакт фаз с последующим их разделением.

В качестве сорбента используют органические и неорганические материалы природного или искусственного происхождения.

Динамическую сорбцию при очистке отходов осуществляют в насыпных или намывных фильтрах.

В первом случае в качестве загрузки фильтра применяют сорбент в виде механически прочного зернистого материала. В намывных фильтрах загрузкой служит сорбент в виде порошка.[7]

1.2 Сорбция из водных растворов

Адсорбция – процесс самопроизвольный, протекающий с выделением некоторого количества теплоты.[4]

Сорбция из жидких растворов значительно сложнее, чем из парогазовой смеси, так как включает взаимодействия сорбента с сорбируемым веществом и с растворителем (водой); при этом также следует учитывать взаимодействие растворителя с сорбатом. Поэтому, несмотря на то, что сорбция из водных растворов исследуется и используется почти 200 лет, она изучена значительно менее сорбции из парогазовой фазы. В основном механизм сорбции из растворов в том или ином виде объясняют представлениями, выведенными для газовой фазы, лишь дополняя или ограничивая условиями, специфическими для жидкой фазы. Отличия в подходе к подобному переносу отражаются на виде и точности моделей и расчетов систем сорбционной очистки воды.

Теория полимолекулярной сорбции, в основе которой лежит представление о многослойной сорбции на поверхности макро- и мезопористого сорбента, была разработана Брунауэром, Эметом и Теллером. Однако в практике наибольшее распространение получили микропористые сорбенты, в чрезвычайно малом пространстве микропор которых послойной сорбции вещества на поверхности не происходит. При сорбции в микропорах происходит заполнение части или всего объема их сорбатом, который под действием взаимно усиливающихся и перекрывающихся адсорбционных полей, создаваемых противоположными стенками пор, находится в специфическом уплотненном состоянии.

При сорбции вещества из раствора оно занимает на поверхности или в объеме пор сорбента место, которое до этого занимали молекулы растворителя (воды), а не свободное пространство. Присутствие воды в порах приводит к некоторому выравниванию сорбционного потенциала. В объеме сорбируемой фазы концентрация вещества значительно выше, чем в растворе. При этом снижается поверхностное натяжение на границе раздела раствор – твердый сорбент.

Основы термодинамики адсорбции из растворов впервые сформулировал Гиббс более 100 лет назад. Им было введено понятия избыточной адсорбции, т.е. избыточного содержания поглощаемого вещества в адсорбированной фазе по сравнению с его содержанием в растворе. [4]

Влияние температуры на сорбцию из водных растворов далеко не однозначно. Дело в том, что при сорбции на микропористых сорбентах веществ, размеры молекул которых близки к эффективным размерам пор, проникновение этих молекул в поры зависит от их кинетической энергии. При достаточной энергии (температуре) молекулы сорбата проникают в окна пор и сорбируются; в противном случае происходит лишь незначительно поглощение на поверхности мезо- и макропор. Иными словами, сорбционная емкость повышается с ростом температуры; это явление получило название «активированной адсорбции». В то же время физическая сорбция, как любой экзотермический процесс, в целом ухудшается с ростом температуры. Поэтому суммарное внешне фиксируемое проявление этих двух явлений (активированной и физической адсорбции) может иметь экстремум при определенной температуре.

Многокомпонентность состава природных и сточных вод приводит к тому, что показатели сорбции малого (до 5%) или очень большого (более 95%) количества загрязнений от общего отличаются от средних. Обычно это выражается в завышенных показателях сорбции небольшой части хорошо сорбируемых примесей и, наоборот, в низких показателях при высокой степени очистки от плохо сорбируемых веществ.

Процесс очистки воды от радионуклидов  может производиться периодически и непрерывно. В процессе очистки увеличивается объём сорбента.

Сорбционная колонна заполняется модифицированным сорбентом определённой специально подобранной фракции. Очищаемые промышленные, производственные, сточные воды подаются в сорбционную колонну под давлением, обеспечивающим оптимальную скорость прохождения очищаемой воды через модифицированный сорбент. Очистку  вод от радионуклидов ведут до сбросных норм.[8]

1.3 Применение основных методов водоподготовки для удаления радиоактивности

Переработка жидких радиоактивных отходов направлена на решение двух главных задач: очистки основной массы отходов от радионуклидов и концентрирования последних в минимальном объёме.

При заимствовании методов переработки и их модифицировании необходимо учитывать специфические требования, исключающую возможность загрязнения радионуклидами помещений, персонала и окружающей среды; надёжность эксплуатации оборудования, сводящую к минимуму необходимость проведения ремонтных работ в условиях излучения, требующих выполнения сложных и дорогостоящих работ по дезактивации оборудования. Отсюда следует ориентировка на применение аппаратов без движущихся частей, лимитирующих обычно надёжность их эксплуатации.[3]

1.4 Отстаивание

Это процесс удаления оседающих под действием силы тяжести частичек, более тяжёлых, чем вода.

Отстаивание воды применяют как самостоятельный метод дезактивации, когда радиоактивные вещества взвешены в воде или имеют малый период полураспада. Необходимую степень дезактивации воды обычно достигают при длительном отстаивании, равным 10-20 периодам полураспада радиоактивного вещества.

Отстойники – малопроизводительные аппараты, в которых получается пульпа высокой степени влажности 97-99%. Для этой цели обычно используют осветлители.

На практике метод чаще всего применяют в сочетании с химическим осаждением и флотацией или как предварительную стадию для очистки воды от крупных взвесей.

Недостатки метода: длительность процессам, образование шлама требующего дальнейшей переработки и утилизации, очищенная вода, как правило не удовлетворяет сбросным нормам – требуется дополнительная очистка.[3]

1.5 Ионообменные смолы

Ионообменные смолы представляют собой нерастворимые органические высокомолекулярные соединения, содержащие ионогенные группы и способные обменивать в эквивалентных соотношениях ионы, находящиеся в смоле, на ионы раствора.

В зависимости от степени диссоциации различают следующие виды ионитов:

-Сильнокислотные катиониты, содержащие  сульфогруппы SO3H или фосфорнокислые РО(ОН)2 группы и сильноосновые аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания R3NOH;

-слабокислотные катиониты, содержащие  карбоксильные COOH и фенольные C6H5OH группы, диссоциирующие при pH<7, а также слабоосновные первичные NH2 и вторичные NH аминогруппы, диссоциирующие при pH>7.

В зависимости от противоиона, которым насыщена ионообменная установка, различают: H-форму, Na-форму, Ca-форму и др. для катионов и соответственно OH-форму, Cl-форму и др. для анионитов.

Иониты, проявляющие свойства сильных кислот или сильных оснований. Равновесная обменная ёмкость их по отношению к различным ионам остаётся максимальной и постоянной в широком интервале рН. Характерным представителем этого типа ионитов среди смол является анионит АВ-17. Сильнокислотные ионообменные смолы содержат сульфо- или фосфорнокислые группы; сильноосновные – группы четвертичного аммониего основания.[3]

Таблица 1 

Процесс поглощения радиоактивных изотопов ионообменными смолами является сложным и зависит как от типа смолы, так и от природы и состояния изотопа в растворе. Так, состояние радиоактивного изотопа в растворе определяет, например, форму выходных кривых при фильтрации раствора через слой ионообменной смолы. Если в растворе присутствует только ионные формы изотопа, то начиная с определённого объёма пропущенного раствора наблюдается проскок исследуемых ионов в фильтрат, причём их концентрация увеличивается и достигает концентрации в исходном растворе. При наличии нейтральных форм наблюдается моментальный проскок и чрезвычайно быстрое нарастание содержания изотопа в растворе. Если в растворе преобладают коллоидные частицы, то как на катионитах, так и на анионитах наблюдается быстрый проскок и затем приблизительно постоянная концентрация микрокомпонента в фильтрате. [3]

Процесс ионого обмена в случае присутствия элемента в ионной форме в растворе состоит из диффузии иона к поверхности зёрен смолы, диффузии внутрь зёрен, вытеснения способного к обмену иона смолы и диффузии последнего в раствор.

Сорбция ионов радиоактивного элемента ионообменными смолами зависит от заряда ионов в растворе и радиуса гидратированного иона. Чем больше заряд иона и меньше радиус, тем обычно выше сорбционная способность иона.

Процесс ионного обмена совершается довольно быстро, если не осложняется тормозящими факторами. Скорость ионного обмена в основном определяется диффузионными процессами, которые подразделяют на внешние и внутренние. Процесс внешней диффузии, под которым понимают диффузию вещества к зерну сорбента через плёнку окружающей зерно жидкости, наиболее резко проявляется в очень разбавленных растворах и на смолах с высокой ёмкостью и с малым числом поперечных связей. Относительная роль внутридиффузионного процесса повышается в концентрированных растворах и на смолах с большим числом поперечных связей. В сильноразбавленных растворах лимитирующей может быть не плёночная (диффузия к зерну), а гелевая кинетика (диффузия в зерне смолы).

Эммонс и Лаудердаль предложили установку для обнаружения в воде радиоактивных загрязнений: активность регистрируется счётчиком Гейгера-Мюллера, помещённым внутрь ионообменной колонки, которая заполнена либо катионитом, либо смесью катионита и анионита. Излучение радиоактивных изотопов, поглощаемых ионитом, регистрируется непрерывно.

Для удаления из питьевой воды радиоактивных катионов или анионов необходима катионообменная или анионообменная смола. Можно также использовать смесь катионита и анионита для одновременного извлечения из вод катионов и анионов или помещать последовательно слой катионита и анионита. Смолы обычно применяют в виде загрузки в колонках.  В зависимости от формы, в которой применяют смолы ( солевая или кислая и основная), вода, прошедшая через слой сорбента, может содержать макрокомпоненты или быть деионизованной, иметь различные      значения рН.

Удаление из воды радиоактивных примесей, определяется их природой и состоянием, наличием соответствующих стабильных изотопов, химическим составом вод.

Чем выше концентрация различных ионов в воде, тем меньший объём воды можно очистить одним и тем же количеством смолы от радиоактивных элементов, находящихся в ионном состоянии. При этом на поглощение смолой микроколичеств того или иного элемента наибольшее влияние оказывает наличие близких по свойствам макроионов.

Очистка воды ионообменными смолами в сочетании с предварительной коагуляцией в большой степени зависит от качества процесса коагуляции. Так, при плохом отстаивании частицы коллоидных размеров, несущие на себе радиоактивные изотопы, могут проходить через фильтр, снижая тем самым суммарный эффект очистки.

1.6 Происхождение природных сорбентов

Происхождение природных сорбентов крайне разнообразно. Отбеливающие глины являются продуктами выветривания изверженных пород и их разложения под действием воды, углекислого газа и других факторов. В процессе выветривания изверженных горных пород (базальтов, вулканических шлаков и туфов) при длительном воздействии воды и растворенных в ней веществ из этих пород удаляются щелочи, щелочные земли и закисное железо. В результате образуется ряд промежуточных пород более рыхлой и пористой структуры, с заметными сорбционными свойствами.

Вследствие неполного выветривания изверженных пород образуются типичные отбеливающие земли (бентониты и фуллеровы земли), являющиеся гидроалюмосиликатами различного состава. Конечный продукт процесса выветривания — силикаты с малым содержанием щелочей (силиколиты) или гидраты полуторных окислов (бокситы, латериты и ферролиты).[6]

1.7 Свойства природных сорбентов

Химический состав природных сорбентов весьма разнообразен. На основании многочисленных химических анализов все же нельзя найти связи между химическим составом и адсорбционными свойствами природных сорбентов. Однако при рассмотрении родственных по происхождению отбеливающих земель по химическому составу можно судить об адсорбционных свойствах, так как в этом случае он характеризует степень выветривания исходного материала, а следовательно, и стадию формирования соответствующей рыхлой структуры, образующейся  в процессе выветривания. Наиболее важные физические свойства, характеризующие качество природных сорбентов,— объемный вес, истинный и кажущийся удельный вес и пористость.

Объемный вес природных сорбентов, т. е. вес единицы объема слоя зерен или порошка сорбента, обычно не превышает 1,5 г/см3 и для лучших природных сорбентов снижается до 0,5 г/см3. Он в большой степени зависит от влажности сорбента и поэтому должен определяться в условиях постоянной влажности сравниваемых сорбентов; обычно для природных сорбентов объемный вес определяется для образцов в воздушно-сухом состоянии.

Величина истинного удельного веса природного сорбента зависит от составляющих его компонентов — минеральных и органических веществ. Минералы, образующие данный природный сорбент, разнообразны и отличаются по удельному весу, поэтому истинный удельный вес природных сорбентов находится в пределах 1,600—2,700 г/см3.

Из-за полиминерального состава природных сорбентов по величине истинного удельного веса нельзя делать количественных выводов о минералогическом составе, но знание этой величины дает общее представление о наличии более или менее легких компонентов.[6]