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(WNA)表示,截至2021年1月,核電有32個國家使用,在運核電機組441臺,總裝機容量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臺運行核電機組和22臺在建核電機組。
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。廢有機離子交換樹脂(IERs)在中放射性廢物中占有相當大的比例,如表1-1,主要產生于廢水的凈化和澄清過程。
表1-1 核電站每臺機組每年產生的放射性廢樹脂占電站總廢物量的關系
國內外對于處理放射性廢樹脂進行過許多嘗試性試驗,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,處理廢樹脂時氧化效率高,減容比也較大,反應條件溫和、安全性高且能對放射性核素進行有效地截留,因此受到了廣泛的關注。
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)的鹽在高于其熔點后所產生一種常溫或高溫的離子液體,由于其含一種或多種無機鹽,其具有較好的導熱性與導電性,是一種良好的反應與儲能介質。熔鹽是具有諸如高熱容,高沸點,熱導性良好,化學穩(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,熔鹽被廣泛應用于電化學,儲能,材料制備,廢物處理等領域。
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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,將有機廢物與空氣充分混合后,進行高效、安全無機化處理的方法,其應用領域廣泛,可對醫(yī)療廢物、高危廢物、放射性廢物、彈藥等固體廢物進行有效處理等。如圖2-1所示,為實驗室熔鹽氧化使用的井式爐實物圖,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。
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2.3 熔鹽氧化法的實驗裝置
MSO反應器如圖2-2所示。將樹脂和熔鹽在坩堝中混合,然后在加熱器中進行熔鹽氧化過程。反應后在坩堝中加入1mol/L HCl,以完全溶解廢鹽。對溶液進行抽濾,得到不溶于水的氧化殘渣及含有廢鹽的濾液。之后對其進行XRD、XPS、SEM-EDS、氣體質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開展的研究較多,目前已經開展了對廢塑料、陽離子樹脂、含有機物的廢漿液、煤油混合物和多氯聯(lián)苯污染廢油的處理。熔鹽氧化技術不僅可以處理固體有機廢物,還可以處理含有機固體廢物的漿液。
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,在實驗室規(guī)模的MSO反應器中以0.3~0.5 kg·h -1進料量進行處理。
美國橡樹嶺國家實驗室[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)、處理效率和最佳運行條件。實驗用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。