壓水堆核電廠模擬含硼廢液反滲透濃縮試驗研究

葉欣楠，姜百華，范雯雯，張志銀，嚴滄生

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

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壓水堆核電廠模擬含硼廢液反滲透濃縮試驗研究

葉欣楠，姜百華，范雯雯，張志銀，嚴滄生

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

采用中試規(guī)模反滲透試驗裝置，在濃水全回流的運行模式下，研究了反滲透系統(tǒng)在壓水堆核電廠放射性廢液處理中的應用。重點考察了該系統(tǒng)對模擬廢液中硼的截留效果，并進一步研究了反滲透水處理工藝對模擬放射性核素的截留效果。結果表明，海水型聚酰胺復合膜對原水中硼的截留率可達83.3%以上，并將原水中硼濃度濃縮至10 000 mg/L以上。試驗結果同時表明，上述試驗裝置對于核素如鈷和銫的截留率可達97.9%以上。

壓水堆核電廠；反滲透；放射性廢液；硼；濃縮

隨著社會的發(fā)展和環(huán)境保護工作的不斷深入，我國對于核電廠放射性廢液的排放提出了更加嚴格的要求。根據(jù)GB 6249—2011[1]的要求：對于內(nèi)陸廠址，槽式排放出口處的放射性流出物中除氚和14C外,其他放射性核素濃度不應超過100 Bq/L。因此，為滿足愈加嚴格的排放要求，同時實現(xiàn)放射性廢物最小化的目標，急需開展關于改進放射性廢液處理工藝的研究。

硼酸中的10B可吸收中子，壓水堆核電廠通常將硼酸溶解在慢化劑中，通過調(diào)節(jié)硼濃度來控制放射性裂變的反應速率[2]。因此核電廠運行所產(chǎn)生的工藝放射性廢液中多含有濃度不等的硼。根據(jù)GB 8978—1996[3]，硼屬于二類污染物，人體攝入過量的硼會引起惡心、頭痛、腹瀉、肝臟損害甚至死亡[4]，因此要求排污單位在排放口取樣，并且要求最高允許排放濃度必須達到國家標準。所以核電廠廢液處理系統(tǒng)需要對運行產(chǎn)生的含硼廢液進行處理，同時對硼進行濃縮以減少二次廢物的產(chǎn)生。

國內(nèi)壓水堆核電廠主要采用蒸發(fā)工藝對含硼放射性廢液進行濃縮，該工藝對大部分廢液具有良好的適應性[5]，但蒸發(fā)處理工藝同時存在能耗高、系統(tǒng)復雜、操作繁瑣等不足。而反滲透技術作為一種已在國內(nèi)水處理領域廣泛應用的處理工藝，具有能耗低、系統(tǒng)簡單且二次廢物較少等優(yōu)勢，是一種可用于放射性廢水處理的技術方案[6]。反滲透工藝在國外核電廠已實現(xiàn)了工程化應用[7],國內(nèi)也有多家單位開展了相關研究[8-15]。根據(jù)國內(nèi)外的相關經(jīng)驗，通過調(diào)節(jié)運行參數(shù)，反滲透裝置可用于對放射性廢液的凈化或濃縮處理。本研究采用中試規(guī)模反滲透試驗裝置，通過對模擬放射性含硼廢液進行濃縮處理，考察反滲透技術在核電廠含硼廢液濃縮上應用的可行性，并進一步探究該處理工藝對模擬放射性核素的去除效果。

1 試驗裝置和方法

1.1 膜元件

試驗中采用海水型聚酰胺復合膜，膜元件長1 016 mm(40英寸)、外徑101.6 mm(4英寸)，最高運行壓力6.9 MPa，最高運行溫度45 ℃，pH值適用范圍在4～11之間。

1.2 模擬廢液配置及檢測方法

模擬廢液通過在去離子水中加入H3BO3、CsNO3和CoCl2·6H2O等試劑配制而成。其中，硼的質量濃度在550～3 300 mg/L之間，銫的質量濃度在3～7 mg/L之間，鈷的質量濃度在0.35～1.5 mg/L之間。通過添加NaOH來調(diào)節(jié)溶液的pH值。

溶液中硼與鈷的濃度采用電感耦合等離子體光譜儀進行檢測，檢出限為0.001 μg/mL；銫的濃度采用電感耦合等離子體質譜儀進行檢測，檢出限為0.003 μg/L；pH值的檢測采用PHS-2F型pH計。

1.3 試驗裝置及過程

試驗裝置工藝流程如圖1所示。濃水槽和產(chǎn)水槽有效容積均為0.5 m3，供料泵和高壓泵額定流量為2 m3/h。

圖1 反滲透裝置流程Fig.1 Flow diagram of reverse osmosis equipment

試驗開始前首先將模擬廢液注入濃水槽。試驗過程產(chǎn)生的濃水全部返回濃水槽，產(chǎn)水送入產(chǎn)水槽中。每次試驗均從濃水槽高液位(0.65 m)處開始，至濃水槽液位降至低液位(0.15 m)時結束。根據(jù)相關基礎試驗及電廠運行經(jīng)驗，反滲透硼濃縮試驗進水壓力保持在4 MPa，原水pH值控制在7.5～10.5之間。

試驗中所涉及的主要參數(shù)包括：硼濃縮倍數(shù)CF與截留率R，具體定義如下：

式中：cB濃水為濃水中B的濃度；cB原水為原水中B的濃度；c原水為原水中核素(B、Co、Cs)的濃度；c產(chǎn)水為產(chǎn)水中核素(B、Co、Cs)的濃度。

2 試驗結果及分析

2.1 pH值對原水硼濃縮效果的影響

由表1數(shù)據(jù)可知，當原水pH值保持在9.5以上時，反滲透裝置對于硼有較高的截留率。因此，為進一步研究原水硼濃度對于硼濃縮效果的影響，將原水的pH值控制在9.8～10.4的范圍內(nèi)，以排除pH值的變化對試驗的影響，結果列于表2。由表2可看出，原水pH值在9.8～10.4范圍內(nèi)，隨著原水中硼濃度的提高，硼濃縮倍數(shù)變化不大。這是因為在較高的pH值條件下，硼在原水中絕大部分是以溶解性鹽的形式存在，只有極少量的硼能通過滲透膜，因此在較高pH值的條件下，原水硼濃度對硼濃縮倍數(shù)不會有顯著影響。

表1 pH值對硼濃縮效果的影響Table 1 Effect of pH on boron concentrating

表2 原水硼濃度對硼濃縮效果的影響Table 2 Effect of boron mass concentration on boron concentrating

2.2 對模擬放射性核素的截留性能

本試驗采用Co和Cs作為研究對象進一步探究反滲透工藝對于模擬放射性核素的截留效果，結果列于表3。由表3可見，反滲透裝置在對硼進行濃縮處理的同時，還能有效截留廢液中的模擬核素Co和Cs，反滲透裝置對Co和Cs的截留率均不低于97.9%。這是因為試驗所采用的聚酰胺膜結構中含有胺基和羧基，在保持較高pH值的條件下，膜表面電位較等電點的低，羧基失去質子呈陰性，膜表面表現(xiàn)出負電性，對正電性的陽離子具有較強的親和力，能有效吸附Co和Cs等核素，因此膜對陽離子的截留率較高[17]。此外，在堿性環(huán)境下，Co主要以Co(OH)2沉淀形式在水中存在，因此能被反滲透膜截留[18]。

表3 反滲透裝置對模擬核素的截留效果Table 3 Effect of nuclide rejection with reverse osmosis equipment

2.3 反滲透濃縮含硼廢液的其他影響因素

根據(jù)上述試驗結果可看出，當原水pH值達9.5以上后，硼濃縮倍數(shù)呈上升趨緩，因此在工程應用中應保持原水的pH值不大于10。在確保硼濃縮效果的前提下，避免廢液pH值接近膜的承受極限，并且降低氫氧化鈉用量，減少二次廢物的增加。

除此之外，在工程應用時還需要注意控制反滲透裝置的溫度，防止水溫達到或超過反滲透膜元件的最高工作溫度，影響膜元件的使用壽命。這是因為在反滲透試驗裝置對模擬廢液進行濃縮處理時，由于濃水全部返回濃水槽，供料泵和高壓泵以及其他設備在運行中產(chǎn)生的熱量也通過濃水被帶回濃水槽，導致水溫不斷升高。

3 結論

采用此套反滲透裝置可對含硼放射性廢液中的硼進行有效的濃縮處理，原水中硼的截留率可達83.3%以上，并將濃水中硼濃度濃縮至10 000 mg/L以上。試驗結果同時表明，上述試驗裝置對模擬核素如Co和Cs的截留率可達97.9%以上。因此，采用反滲透工藝處理壓水堆核電廠廢液有助于實現(xiàn)放射性廢物最小化的目標。

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Study on Concentrating Treatment Test of Simulated Radioactive Wastewater Containing Boron by Reverse Osmosis Membrane in PWR NPP

YE Xin-nan, JIANG Bai-hua, FAN Wen-wen, ZHANG Zhi-yin, YAN Cang-sheng

(ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China)

The reverse osmosis membrane equipment in PWR NPP was employed to investigate the application of pilot scale system in the radioactive wastewater treatment at the full recirculation operation. The removal performance of the equipment for the boron and the radioactivity nuclide were studied, respectively. The experimental results show that the removal efficiency of the aromatic polyamide composite reverse osmosis membrane for boron is over 83.3% and the concentration of boron in concentrate is over 10 000 mg/L. The experimental results also show that the removal efficiency of two nuclides including cobalt and cesium is over 97.9%.

PWR NPP; reverse osmosis; radioactive wastewater; boron; concentration

2014-03-20;

2014-12-11

葉欣楠(1990—)，男，北京人，助理工程師，核科學與核技術專業(yè)

TL941.22

A

1000-6931(2015)07-1280-05

10.7538/yzk.2015.49.07.1280