内陆核电厂放射性废液中硼酸的反渗透分离实验研究.pdf

第1 5 卷第2 期中国水利水电科学研究院学报V 0 1 1 5N o 2 2 0 1 7 年4 月 J o u r n a l 。fC h i n aI n s t i t u t e 。fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r 。p o w e rR e s e a r c h A p r i l ，2 0 1 7 文章编号：1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 7 ) 0 2 0 1 2 9 0 6 内陆核电厂放射性废液中硼酸的反渗透分离实验研究 王松平1 ，陈小莉2 李俊雄1 ，王晓伟3 ，邱乙亩1 ( 1 湖南桃花江核电有限公司，湖南益阳4 1 3 0 0 0 ；2 中国水利水电科学研究院，北京1 0 0 0 3 8 3 海军工程大学，湖北武汉4 3 0 0 3 3 ) 摘要：建设内陆核电是我国经济社会发展的必然需求，但由于内陆核电自然环境和社会环境的特殊性，必须更进 一步考虑排放对环境和公众的安全影响，对放射性废液进行深化处理，在解控排放的基础上进一步降低排放水 平。本文在内陆A P l 0 0 0 机组已实施的放射性废液处理系统改进的基础上，开展了放射性废液深化处理研究，通 过大量实验考察了不同进水p H 值、硼浓度、含盐量、水温等水质条件和不同工作压力、回收率等运行条件下反 渗透装置对硼酸的去除性能和对模拟放射性核素的截留能力。结果表明，通过控制适当的工艺条件，可以去除废 液中8 0 以上的硼酸，同时保持很好的核素去除效果，达到进一步降低排放水平的目的。研究成果可为内陆核电 厂放射性废液处理系统深化处理工程应用提供有力的技术支撑，并为后续内陆核电放射性废液深化处理提供参 考。 关键词：内陆核电厂；放射性废液；深化处理 中图分类号：T V l 3 7文献标识码：A d o i ：1 0 1 3 2 4 4 j c n k i j i w h r 2 0 1 7 0 2 0 0 8 1研究背景 为了促进经济和社会的可持续发展，国家在采取一系列节能减排措施的同时，也在积极发展风 电、水电、核电和太阳能发电等清洁能源。我国发展核电既是调整能源结构、保障经济发展的需 要，也是应对气候变化和减少环境污染的需要。核电作为一种清洁、高效、优质的现代能源，应加 以充分利用并保持一定的发展速度，不仅要在沿海地区规模发展，也应在内陆地区发展。 内陆核电厂址的液态流出物受纳水体是当地的生产、生活用水水源，政府和公众高度关注液态 流出物排放对水资源的影响。内陆核电拟建A P l 0 0 0 机组设计单台机组年产生硼浓度为0 27 0 0m g L 的常温含硼液态流出物10 0 0m 3 ，经放射性废液处理系统处理达标后槽式排放。国家标准规定。2 1 ： “对于滨河、滨湖或滨水库厂址，系统排放口处除3 H 、”c 外的其它放射性核素的总排放浓度上限值 为1 0 0B q L ，且总排放口下游1k m 处受纳水体中总B 放射性浓度不得超过1 B q L ，3 H 浓度不得超过 1 0 0B q L 。”目前，内陆核电与国外专业废液处理公司合作，对A P l 0 0 0 机组标准化的放射性废液处理 系统进行了设计改进，可将处理后的放射性废液浓度降低到7 0B q L 以下，满足了内陆核电废液放射 性核素的解控排放要求。但A P l 0 0 0 核电厂没有设置硼回收系统，放射性废液处理系统对废液中存在 的高浓度硼基本没有净化能力。而过量的硼会对生命活动产生负面影响，我国饮用水卫生标准 中，硼作为非常规指标，其限值为0 5m g L 。3 。，辽宁、上海等地的地方标准要求硼排放限值分别为 2m g L 和5m g L 。目前国内外硼分离技术主要有反渗透、电渗析、蒸发等。电渗析工艺分离效率高、 二次废物少、能耗低，但存在硼分离效果差、尚处于研究阶段等缺点；蒸发工艺应用广泛、硼分离 效果好，但存在分离效率低、二次废物多、能耗高等缺点；反渗透工艺硼分离效果好、工艺成熟、 二次废物少、高效节能，但分离效率一般的缺点。针对以上问题，本文采用反渗透法处理经改进后 的A P l 0 0 0 放射性废液处理系统处理后的废液，力求显著降低A P l 0 0 0 核电厂液态流出物中硼浓度， 收稿日期：2 0 1 6 - 0 3 2 8 基金项目：国家国际科技合作专项项目( 2 0 1 1 D F B 6 1 5 4 0 ) 作者简介：王松平( 1 9 8 1 一) ，男，高级工程师，主要从事核电辐射防护、环境保护、应急准备和职业健康管理工作。 E m a i l ：w a n g s p h t n p c C O B 1 2 9 万方数据 内陆核电厂放射性废液中硼酸的反渗透分离实验研究 王松平陈小莉李俊雄王晓伟邱乙亩 同时进一步降低放射性水平。研究中，配制了非放模拟含硼放射性废水，对不同工艺条件和水质情 况下反渗透截留放射性核素和除硼的性能进行了研究，得出了有价值的结论，为放射性废液深度处 理技术在内陆核电厂工程应用提供了技术支撑，为后续内陆核电放射性废液深化处理提供了参考。 2 实验部分 2 1 实验装置反渗透实验装置流程如图1 所示，主要部件包括原水箱、投药装置、给水泵、保安 过滤器、一级高压泵、一级反渗透组件、二级高压泵和二级反渗透组件。为了实验的方便，还设置 了必要的仪表对工艺参数进行测量。 同流水 水 l买驻装拦流巨盘 该装置的核心部件为反渗透膜元件，装置中三支膜元件都为美国陶氏化学公司的B W 3 0 4 0 4 0 卷 式复合膜元件，其材质为芳香聚酰胺，有效膜面积为7 6m 2 。 2 2 实验仪器实验所用的主要仪器有：T u l 9 0 0 型紫外可见分光光度计( 北京普析通用仪器有限责 任公司) ；T A S 一9 8 6 F 型原子吸收分光光度计( 北京普析通用仪器有限责任公司) ；A L 2 0 4 型电子天平 ( 瑞士梅特勒一托利多仪器有限公司) 。 2 3 实验方法实验所用的模拟含硼放射性废水的成分和浓度如表1 所示，其配制参考改进后的 A P l 0 0 0 放射性废液处理系统处理后的出水。 实验时，一级反渗透的浓水返回中间水箱，透过水进入二级反渗透进行处理，二级反渗透的浓 表1 实验模拟废水组成 一1 3 0 万方数据 内陆核电厂放射性废液中硼酸的反渗透分离实验研究王松平陈小莉李俊雄王晓伟邱乙亩 水循环返回中间水箱，透过水则作为最终处理水排放。运行过程中进水电导率、一级透过水电导率 和二级透过水电导率采用在线电导率仪进行测定；进水p H 由在线p H 计测定；一级和二级反渗透透 过水和浓缩水的流量通过玻璃转子流量计测量。每隔5m i n 记录一次两级反渗透组件的进水压力、透 过水和浓缩水流量、进水和透过水电导率等数据，每隔1 0m i n 对进水、透过水取样，分析水样中硼 和核素浓度。 3 结果与讨论 3 1 压力和回收率对除硼效果的影响 图2 为不同p H 条件下，当进水压力改变时，反渗透组件除硼 率随反渗透回收率的变化曲线。实验条件：一级反渗透操作压力为0 6 1 4M P a ，一级回收率 2 0 6 5 ；二级反渗透操作压力为0 8 1 0M P a ，二级回收率3 4 6 7 ，水温为2 6 3 1 。 零 瓣 暮 篮 划 鲣 呕 螺 一级反渗透回收率 ( a ) 一级反渗透除硼率 冰 懈 匿 篮 ：j ( b ) 总除硼率 图2 反渗透除硼率随压力和回收率的变化曲线 图2 中的曲线表明，在其他条件一定的情况下，反渗透的总除硼率是随着操作压力的增大而不断 提高的。操作压力本身不会影响硼酸透过反渗透膜的量，但提高压力会将膜压密而使渗透性降低， 使得硼酸的透过系数下降；另一方面，压力的上升虽使得纯水渗透系数减小，但膜的透水速率还是 增大的；这两方面因素使得硼酸透过量减小，最终透过水中硼酸浓度降低，即除硼率提高。另外， 根据溶解一扩散模型，膜的水通量随操作压力与渗透压之间差值的增大而比例增加，但是溶质硼酸 的通量与压力没有关系。因此，透过水中的硼酸浓度随着操作压力的上升而降低。然而，操作压力 的提高会导致浓差极化加重，膜表面的硼酸浓度上升，使得硼酸通量增大。操作压力对除硼率的影 响取决于水通量、硼酸的透过系数和浓差极化这三方面的变化。浓差极化对截留率的影响比水通量 变化和硼酸的透过系数的影响要小，因此反渗透对硼酸的截留率随着操作压力的提高而增大。 反渗透回收率对硼酸的去除率也有一定的影响。总体变化趋势是：去除率随着回收率的提高而 降低；并且在同一操作压力下，除硼率开始只是随回收率的提高而略有降低，而当回收率继续增大 时，去除率才有明显的下降；不同压力下，去除率开始明显降低的时机也不一样。实验过程中，同 一操作压力下，反渗透膜的透过水流量几乎不变，而浓水流量越小时，回收率也越高。回收率高 时，膜面流速也越低，膜表面的浓差极化加重，膜表面的硼浓度上升，使得硼通量增大，硼酸去除 率下降。 3 2 进水p H 对除硼效果的影响图3 是不同p H 条件下，进水压力保持一定时，一级反渗透的除硼 率和反渗透总除硼率随回收率的变化曲线。实验条件：一级反渗透进水压力为1 0M P a ，一级组件的 回收率3 0 5 9 ；二级反渗透进水压力为1 0M P a ，二级组件的回收率为3 4 6 7 ；总回收率为 1 2 3 2 ；进水p H 分别为6 6 、7 0 、8 0 、9 0 和1 0 0 ；水温为2 5 2 9 c C 。 结果表明，在其他条件一定时，反渗透对硼酸的去除率随进水p H 的增大而提高。进水p H 对硼 酸去除率的这种影响趋势，是由硼酸本身的特性决定的。硼酸分子在水中的离解常数为K a = 5 7 5 X 一1 3 1 一 如m O 蚰鲫珊如加m 0 万方数据 内陆核电厂放射性废液中硼酸的反渗透分离实验研究王松平陈小莉 李俊雄 千晓伟邱乙南 零 静 誉 篮 蛔 处 世 舞 一级反渗透回收率脘总回收率 ( a ) 一级反渗透除硼率 ( b ) 总除硼率 图3 不同p H 下反渗透除硼率随回收率的变化 1 0 。o ，当溶液中p H 达到9 5 以上时，溶液中硼酸主要以 水合硼酸根离子的形式存在H 1 ，水合硼酸根离子半径远 远大于反渗透膜孔径，而且硼酸根离子所带负电荷与膜 表面负电荷产生的排斥力阻止其通过反渗透膜进入透过 水中5 。因此调节p H 值是提高反渗透膜对硼酸截留效率 的有效方法。 3 3 进水温度对除硼效果的影响 图4 是在进水p H = 8 0 时，进水压力保持一定的情况下，一级反渗透的除硼率和 反渗透总除硼率随进水温度的变化曲线。实验条件：一级 反渗透进水压力为1 0M P a ，一级组件的回收率3 4 1 0 0 9 0 8 0 7 0 窆6 0 茎5 0 篮4 0 3 0 2 0 1 0 进水温度产c 图4 反渗透除硼率随进水温度的变化 4 2 ；二级反渗透进水压力为0 9 1 0M P a ，二级组件的回收率为4 7 5 8 ；总回收率为1 5 2 3 ；水温变化范围为2 6 3 7 。 结果显示，在其他条件一定时，反渗透对硼酸的去除率随着进水温度的升高而有所降低，但降 低的幅度并不明显。在一定的进水p H 条件下进行温度影响实验的过程中，在保持操作压力不变的情 况下，由于进水温度不断升高，纯水渗透系数逐渐增大，透过水流量不断增加，而浓缩水的流量几 乎保持不变，因此当水温升高后，透过膜的硼酸被流量增大的透过水所稀释，即透过水中硼酸浓度 降低，硼酸的除硼率提高。另一方面，水溶液中硼酸的电离度会随温度的上升而增大，即水中带负 电荷的硼酸根离子所占分率提高，从而更有利于硼酸的去除。但是水温升高后，作为水中溶质的硼 酸透过性也会增强，即不利于硼酸的截留。由于温度对硼酸渗透系数的影响比对硼酸电离和透过水 通量增加的影响要大，因此总的结果是随着温度的上升，反渗透对硼酸的截留率降低。 3 4进水含盐量对除硼效果的影响 图5 是进水p H 保持一定时，向废水中投