碳纖維蒸發(fā)簾強化蒸發(fā)池低放射性廢水自然蒸發(fā)

曾志偉，王 攀，戰(zhàn)景明，薛向明，段宇建，付建宇

（1.中國輻射防護研究院，山西 太原 030006；2.中核安徽計量檢測有限公司，安徽 阜陽 236500；3.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149）

截至2020年，中國核電裝機容量逐年遞增到5.1×107kW，核電裝機總容量位居世界第三〔1〕。但在核電穩(wěn)步發(fā)展取得豐碩成果的同時，作為核電“糧倉”的鈾礦冶，其放射性“三廢”的產生量也在迅猛增加，特別是低放射性廢水的體量增加最快。目前，國內外鈾礦冶企業(yè)普遍采用天然蒸發(fā)池技術處理鈾礦山產生的低放射性廢水〔2〕。天然蒸發(fā)池技術利用廢水自然蒸發(fā)的物理規(guī)律實現(xiàn)廢水處理，具有處理成本低、工藝簡單、碳排放量低〔3〕的優(yōu)點，其技術核心是把蒸發(fā)池廢水中含量最多的非放射性液態(tài)水以水蒸氣的形式逸散到大氣環(huán)境中，難揮發(fā)的放射性核素如鈾、釷、鐳等殘留在蒸發(fā)池中并結晶形成底泥。

內蒙古某地浸鈾礦企業(yè)采用蒸發(fā)池技術處理低放射性廢水，該放射性廢水總α為763 Bq/L，總β為394 Bq/L，主要離子SO42-、Cl-、Na+的質量濃度分別為56.3、1.31、46.7 g/L；隨著企業(yè)增產以滿足核電供應需要，現(xiàn)有蒸發(fā)池廢水處理量已經無法適應企業(yè)生產需求，亦無多余土地擴建新的蒸發(fā)池。

使用比表面積大、毛細效應明顯和可吸收紅外輻射的蒸發(fā)簾作為蒸發(fā)載體，可強化蒸發(fā)池低放射性廢水的自然蒸發(fā)。蒸發(fā)簾蒸發(fā)模型見圖1。蒸發(fā)池中的廢水被潛水泵抽取噴淋在蒸發(fā)簾上；由于毛細效應，蒸發(fā)簾內部及表面充盈著廢水，達到了擴大廢水表面積的作用；被廢水浸透的蒸發(fā)簾在太陽輻射和風力的作用下進行自然蒸發(fā)，水分子從蒸發(fā)簾表面逸散至空氣中。

圖1 蒸發(fā)簾強化蒸發(fā)池廢水自然蒸發(fā)模型Fig.1 Natural evaporation model of wastewater in evaporation pool enhanced by evaporation curtain

本研究在不影響現(xiàn)有鈾礦冶企業(yè)地浸采鈾環(huán)保安全性，且受制于無法增加蒸發(fā)池面積的情況下，提出蒸發(fā)簾強化自然蒸發(fā)技術，利用蒸發(fā)簾浸水-速干性能試驗探究可行性、小型室內蒸發(fā)模擬試驗驗證、現(xiàn)場實際測試蒸發(fā)效果3方面開展了蒸發(fā)簾強化蒸發(fā)池低放射性廢水自然蒸發(fā)的研究。

1 實驗部分

1.1 蒸發(fā)簾浸水-速干性能試驗

本研究選取具有耐酸堿腐蝕、比表面積大、透氣性能好、毛細效應明顯、可吸收紅外輻射等優(yōu)點的碳纖維編織布作為制作蒸發(fā)簾的備選材料〔4-9〕。碳纖維編織布的型號有W7021平紋型、W7011斜紋型、W3021平 紋 型、W3011斜 紋 型、W1021平 紋 型、W1011斜紋型，形貌見圖2。

圖2 碳纖維編織布形貌Fig.2 Morphology of carbon fiber woven fabric

為掌握碳纖維編織布的浸水-速干情況，選出浸水-速干性能最好的碳纖維編織布材料制作蒸發(fā)簾，依據(jù)《紡織品 吸濕速干性的評定 第1部分：單項組合試驗法》（GB/T 21655.1—2008）和《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動態(tài)水分傳遞法》（GB/T 21655.2—2009）設計碳纖維編織布材料的浸水-速干性能試驗。

剪取尺寸為10 cm×10 cm的碳纖維編織布試樣并浸泡在盛有1 000 mL去離子水的燒杯中，將燒杯放置在45℃的電熱恒溫水浴振蕩器中振蕩60 min，清洗樣品表面的污漬、浮灰、碎屑等；將清洗完畢的樣品放入電熱恒溫干燥箱中，60℃烘干3 h；將干燥后的樣品放于含水率測定儀（艾科瑞德，QL-720A）上，稱量樣品未蘸水時的初始質量，重復稱量3次取平均值，記作m0；隨后將樣品放于燒杯中吸水10 min，再次稱重，材料飽和浸濕質量記作m1。設置含水率測定儀加熱蒸發(fā)溫度分別為20、40、60℃〔10〕，每1 min記錄1次材料質量，記作mj（j=1、2、3…10 min）；10 min后切斷含水率測定儀電源，取出實驗樣品。

為方便衡量試驗材料的浸水程度，定義浸水率ω，即單位質量試驗材料吸收水的質量，計算方法見式（1）。

式中：ω——試驗材料的浸水率，%；

m1，m0——試驗材料吸水飽和和未吸水時的質量，kg。

為方便衡量試驗材料的失水速干能力，定義蒸發(fā)率σ，即試驗材料浸水達到飽和后在單位面積、單位時間內含水量的損失情況，計算方法見式（2）。

式中：σ——試驗材料的蒸發(fā)率，kg/（m2·h）；

mj，mj-1——試驗材料在j、j-1時刻的質量，kg；

A——試驗材料的表面積，m2；

t——蒸發(fā)時間，h。

1.2 小型室內蒸發(fā)模擬試驗

利用恒溫恒濕艙提供恒溫恒濕實驗環(huán)境，在實驗室搭建小型室內蒸發(fā)模擬裝置。W1021平紋型碳纖維編織布尺寸為1 m×18 m，蒸發(fā)簾間隔10 cm；蒸發(fā)簾走向與風向平行，以便最大化利用風力資源〔11-12〕；使用工業(yè)風機模擬自然風，采用硫酸鈉配制水樣代替蒸發(fā)池廢水〔13〕。實驗裝置見圖3。

圖3 小型化室內蒸發(fā)模擬實驗裝置Fig.3 Miniaturized indoor evaporation simulation experimental device

在模擬蒸發(fā)水槽中盛放足夠用量的蒸發(fā)配制水，記錄蒸發(fā)水槽在恒溫恒濕艙內的自然蒸發(fā)量并作為本底蒸發(fā)量。使用變流量潛水泵將蒸發(fā)配制水抽到布液管中，布液管再將水均勻持續(xù)噴淋在蒸發(fā)簾上5 min，然后蒸發(fā)10 min；往復間歇供水蒸發(fā)，實驗時間為8 h。測試不同環(huán)境溫度和風速條件下碳纖維蒸發(fā)簾強化自然蒸發(fā)的情況。

1.3 現(xiàn)場測試試驗

為定量測量碳纖維蒸發(fā)簾的蒸發(fā)效果，在內蒙古地浸鈾礦企業(yè)進行現(xiàn)場測試試驗。該企業(yè)建有4個面積約6 000 m2的蒸發(fā)池，年平均風速＞3 m/s，年平均溫度為3.8℃，是非常合適的測試地點。在蒸發(fā)池邊搭建2個規(guī)格一致的1.5 m×1.5 m×0.4 m的試驗池，測試場地見圖4。

圖4 現(xiàn)場測試試驗Fig.4 Field test experiment

在2個試驗池中加入同等深度的蒸發(fā)池廢水，將采用碳纖維蒸發(fā)簾強化自然蒸發(fā)技術的裝置放入其中1個蒸發(fā)水池，編號為1#（圖4左）；另1個試驗池作為對照組測量當?shù)氐淖匀槐镜渍舭l(fā)量，編號為2#（圖4右）?，F(xiàn)場測試連續(xù)進行10 d，日測試時長為8 h。

2 結果與討論

2.1 蒸發(fā)簾浸水-速干性能試驗結果

強化水分子的自然蒸發(fā)，首先要考慮蒸發(fā)簾材料的浸水-速干性能：（1）材料本身是否能夠充盈廢水；（2）材料在飽和含有廢水后的失水速干情況。只有同時滿足上述2項指標，蒸發(fā)簾才能實現(xiàn)強化自然蒸發(fā)的效果。首先對6種碳纖維材料制作的蒸發(fā)試樣進行標況（25℃）下的浸泡吸水試驗，試驗時長10 min，計算各碳纖維材料的浸水率ω。然后在不同溫度下對蒸發(fā)試樣進行失水速干能力測試，得到蒸發(fā)率σ隨時間的變化曲線，結果見圖5。

圖5 試驗樣品浸水率和蒸發(fā)率的變化Fig.5 Immersion rate and evaporation rate of test samples

由圖5（a）可知，6種不同型號碳纖維編織布制作的試樣中，浸水率ω從高至低依次為W1011斜紋型、W1021平 紋 型、W3011斜 紋 型、W3021平 紋 型、W7011斜紋型、W7021平紋型。試樣吸水質量大于試樣干重，表明試樣具有不錯的吸水性能。隨著試樣干重增加，試樣吸水質量也隨之增加，試樣吸收容納的水越多。對比斜紋型和平紋型試樣的干重和吸水質量，編織方式對試樣的吸水性能影響不大。

由圖5（b）～（d）可知，不同型號碳纖維編織布制作的試樣的蒸發(fā)率均隨時間的延長逐漸減小，蒸發(fā)率在1 min時較大，10 min時 最 小。W1021平 紋 型 編織布的失水速干能力明顯大于其他試樣。隨著蒸發(fā)溫度的降低，蒸發(fā)率隨時間的變化曲線逐漸向下偏移，表明試樣的蒸發(fā)率隨溫度降低而減小，蒸發(fā)效果下降。蒸發(fā)率從高至低依次為W1021平紋型、W1011斜 紋 型、W3021平 紋 型、W3011斜 紋 型、W7021平紋型、W7011斜紋型。這是由于蒸發(fā)溫度降低時，試樣中水分子從環(huán)境中吸收的熱能減少，動能大于分子間作用力的水分子數(shù)量減少，可從蒸發(fā)試樣表面逸出至空氣環(huán)境中的水分子數(shù)量減少。值得注意的是，同樣厚度、不同編織方式的碳纖維蒸發(fā)試樣，采用平紋編織方式要比斜紋編織方式的蒸發(fā)率大一些，這是由于碳纖維束采用平紋編織時空隙度要大于斜紋編織，試樣的空隙度大對應著透氣性好，利于傳熱以及水分子從空隙蒸發(fā)至空氣中。

綜上，溫度會影響碳纖維蒸發(fā)簾的蒸發(fā)率，并且宜選取浸水率和蒸發(fā)率都比較大的W1021平紋型編織布制作蒸發(fā)簾。

2.2 小型化室內蒸發(fā)模擬試驗結果

利用小試試驗探究一定面積蒸發(fā)簾強化自然蒸發(fā)的實際效果，并掌握在蒸發(fā)簾面積不變時，溫度、風速對蒸發(fā)簾實際蒸發(fā)效果的影響，結果見圖6。

從圖6可以看出，碳纖維蒸發(fā)簾的蒸發(fā)水量要高于本底蒸發(fā)量。對于一定面積的碳纖維蒸發(fā)簾，相同溫度條件下，蒸發(fā)水量隨風速的增大而增加，原因是隨著風速的增加，從蒸發(fā)簾表面蒸發(fā)出的水分子更容易被風力吹到遠離蒸發(fā)簾的空氣環(huán)境中，從而減少了液化返回蒸發(fā)簾的水分子數(shù)量。對于面積恒定的蒸發(fā)簾，在相同風速條件下，碳纖維蒸發(fā)簾的蒸發(fā)水量隨著溫度的升高而增加，原因是存在于碳纖維蒸發(fā)簾內的水分子可從較高室溫環(huán)境中獲得更多熱量，微觀上表現(xiàn)為動能大的水分子更多，宏觀上表現(xiàn)為蒸發(fā)水量增加〔14〕。

圖6 風速和溫度對碳纖維蒸發(fā)簾增效蒸發(fā)影響Fig.6 Effect of wind speed and temperature on carbon fiber evaporation curtain

綜上，小型實驗室模擬蒸發(fā)試驗驗證了蒸發(fā)簾具有強化自然蒸發(fā)的效果。環(huán)境溫度相同時，隨著風速的增加，蒸發(fā)水量增加；風速相同時，蒸發(fā)水量會隨著環(huán)境溫度的升高而增加。

2.3 現(xiàn)場測試試驗結果

本研究設計了1套搭載三維立體型蒸發(fā)簾的現(xiàn)場試驗裝置。該裝置主要由浮筒裝置、輔助旋轉電機系統(tǒng)、框架結構組成。在浮筒平臺邊緣水面位置固定1臺潛水泵抽取池中廢水，沿框架結構布置塑料軟管將廢水引流至噴淋裝置，在噴淋裝置下方垂掛W1021平紋型碳纖維蒸發(fā)簾。裝置基本參數(shù)：尺寸為1 m×1 m×1.5 m，浮筒平臺滿載浮力為3 430 N，裝置凈重48 kg，額定功率45 W。裝置結構見圖7。該蒸發(fā)簾固定于浮筒平臺而漂浮在蒸發(fā)池中，不會占用蒸發(fā)池外土地面積，有效地節(jié)約了土地資源。

圖7 蒸發(fā)簾強化自然蒸發(fā)裝置示意Fig.7 schematic diagram of evaporation curtain enhanced natural evaporation device

利用該實驗裝置進行的現(xiàn)場試驗結果見表1。

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Table 1 Field test data

現(xiàn)場測試結果表明，使用碳纖維蒸發(fā)簾的1#試驗池水位下降明顯，而2#試驗池水位基本無變化。由表1可知，在連續(xù)10 d的測試中，1#試驗池的平均日蒸發(fā)水量為5.4 mm/d，2#試驗池為2.1 mm/d。由此，對于同環(huán)境下的池內蒸發(fā)，采用碳纖維蒸發(fā)簾蒸發(fā)方式的蒸發(fā)水量是普通自然蒸發(fā)水量的2.57倍，碳纖維蒸發(fā)簾能夠將原本的自然蒸發(fā)水量提升157.14%。

工程實際應用中的蒸發(fā)裝置如圖8所示。

圖8 應用中的強化蒸發(fā)裝置Fig.8 Enhanced evaporation device in application

3 結論

本研究依據(jù)內蒙古地浸鈾礦企業(yè)廢水治理為工程背景，采用蒸發(fā)簾形式擴大蒸發(fā)池廢水的蒸發(fā)水量。主要獲得以下結論：

（1）碳纖維編織布具有不錯的吸水性能和蒸發(fā)性能，W1021平紋型編織布更適宜制作蒸發(fā)簾。

（2）碳纖維蒸發(fā)簾的蒸發(fā)水量高于本底蒸發(fā)量，碳纖維蒸發(fā)簾可強化自然蒸發(fā)。提高溫度和風速可增大碳纖維蒸發(fā)簾蒸發(fā)水量。

（3）現(xiàn)場試驗驗證了采用碳纖維蒸發(fā)簾能夠將低放射性廢水的自然蒸發(fā)水量提升157.14%。

（4）蒸發(fā)簾強化自然蒸發(fā)具備良好的效果，可有效緩解鈾礦冶企業(yè)低放射性廢水的處理壓力，為需要提升自然蒸發(fā)水量的企業(yè)提供指導。