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熔鹽氧化法處理中低放射性廢物

欄目:技術(shù)前沿 發(fā)布時(shí)間:2023-12-20
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隨著能源消耗的增加,發(fā)展核電受到各國的普遍青睞。世界核協(xié)會(huì)(WNA)表示,截至2021年1月,核電有32個(gè)國家使用,在運(yùn)核電機(jī)組441臺(tái),總裝機(jī)容量392.4GW。中國的核工業(yè)是從1991年開始發(fā)展起來的。如圖1-1,截至2021年11月,中國已有51臺(tái)運(yùn)行核電機(jī)組和22臺(tái)在建核電機(jī)組。

一、研究背景

隨著能源消耗的增加,發(fā)展核電受到各國的普遍青睞。世界核協(xié)會(huì)(WNA)表示,截至2021年1月,核電有32個(gè)國家使用,在運(yùn)核電機(jī)組441臺(tái),總裝機(jī)容量392.4GW。中國的核工業(yè)是從1991年開始發(fā)展起來的。如圖1-1,截至2021年11月,中國已有51臺(tái)運(yùn)行核電機(jī)組和22臺(tái)在建核電機(jī)組。


圖1-1 中國核電廠分布示意圖

然而,隨著核電的發(fā)展,產(chǎn)生了三種類型的放射性廢物,分別是低水平放射性廢物、中水平放射性廢物和高水平放射性廢物,對環(huán)境造成了潛在危害。低放射性廢物包括受到輕微輻射污染的日常廢物,例如紙張、手套、塑膠容器、用完即棄的罩衣和套鞋。中放射性廢物包括在廢氣及廢液處理過程或維修工作中,所收集的帶輻射的樹脂和化學(xué)沉淀物、過濾器等。而高放射性廢物主要是指放射性乏燃料。廢有機(jī)離子交換樹脂(IERs)在中放射性廢物中占有相當(dāng)大的比例,如表1-1,主要產(chǎn)生于廢水的凈化和澄清過程。


表1-1 核電站每臺(tái)機(jī)組每年產(chǎn)生的放射性廢樹脂占電站總廢物量的關(guān)系

國內(nèi)外對于處理放射性廢樹脂進(jìn)行過許多嘗試性試驗(yàn),目前廢樹脂的處理方法主要有水泥固化(如圖1-2)、玻璃固化、濕法氧化(如圖1-3)、裝高牢固性容器(HIC)、蒸汽重整、焚燒(如圖1-4)以及熔鹽氧化等。

圖1-2 水泥固化流程圖

圖1-3 濕法氧化法流程圖

圖1-4 廢樹脂焚燒流程示意圖


其中,熔鹽氧化法作為一種無焰氧化的方法,處理廢樹脂時(shí)氧化效率高,減容比也較大,反應(yīng)條件溫和、安全性高且能對放射性核素進(jìn)行有效地截留,因此受到了廣泛的關(guān)注


二、熔鹽氧化法介紹

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2.1 熔鹽的介紹

熔鹽是原本固態(tài)的鹽在高于其熔點(diǎn)后所產(chǎn)生一種常溫或高溫的離子液體,由于其含一種或多種無機(jī)鹽,其具有較好的導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性,是一種良好的反應(yīng)與儲(chǔ)能介質(zhì)。熔鹽是具有諸如高熱容,高沸點(diǎn),熱導(dǎo)性良好,化學(xué)穩(wěn)定性和蒸汽壓較低的具有良好熱交換性能的工程流體。因此,熔鹽被廣泛應(yīng)用于電化學(xué),儲(chǔ)能,材料制備,廢物處理等領(lǐng)域。

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2.2 熔鹽氧化法的優(yōu)勢

熔鹽氧化(Molten Salt Oxidation)簡稱MSO,是一種在熔鹽體系中,將有機(jī)廢物與空氣充分混合后,進(jìn)行高效、安全無機(jī)化處理的方法,其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,可對醫(yī)療廢物、高危廢物、放射性廢物、彈藥等固體廢物進(jìn)行有效處理等。如圖2-1所示,為實(shí)驗(yàn)室熔鹽氧化使用的井式爐實(shí)物圖,與傳統(tǒng)的熱解法相比,熔鹽氧化具有操作溫度低,尾氣量少且易處理的特點(diǎn)。

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2.3 熔鹽氧化法的實(shí)驗(yàn)裝置

MSO反應(yīng)器如圖2-2所示。將樹脂和熔鹽在坩堝中混合,然后在加熱器中進(jìn)行熔鹽氧化過程。反應(yīng)后在坩堝中加入1mol/L HCl,以完全溶解廢鹽。對溶液進(jìn)行抽濾,得到不溶于水的氧化殘?jiān)昂袕U鹽的濾液。之后對其進(jìn)行XRD、XPS、SEM-EDS、氣體質(zhì)譜及紅外光譜等分析,研究其氧化效果。

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2.4 熔鹽氧化法的研究現(xiàn)狀

國外對熔鹽氧化技術(shù)開展的研究較多,目前已經(jīng)開展了對廢塑料、陽離子樹脂、含有機(jī)物的廢漿液、煤油混合物和多氯聯(lián)苯污染廢油的處理。熔鹽氧化技術(shù)不僅可以處理固體有機(jī)廢物,還可以處理含有機(jī)固體廢物的漿液。

韓國原子能研究所[1]采用熔融碳酸鹽作氧化劑處理鹵化塑料、橡膠、鹵代塑料、聚氯乙烯管、聚四氟乙烯管、以及乳膠手套。如圖2-3,在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的MSO反應(yīng)器中以0.3~0.5 kg·h -1進(jìn)料量進(jìn)行處理。


美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室[2]于1993年開展了熔鹽氧化法處理放射性廢物的研究,如圖2-4。這項(xiàng)工作的處理對象為放射性混合廢物,并獲得了廢物的減容系數(shù)、處理效率和最佳運(yùn)行條件。實(shí)驗(yàn)用95%的碳酸鈉和5%氯化鈉作為熔鹽氧化體系,并用該體系在900°C,0.3 m3 /s的空氣流速下處理聚乙烯基氯化物、TBP和離子交換樹脂的混合物。