Raporty IChTJ. Seria A nr 1/2006




PROCESY MEMBRANOWE W TECHNOLOGIACH JĄDROWYCH
(MEMBRANE PROCESSES IN NUCLEAR TECHNOLOGIES)

Grażyna Zakrzewska-Trznadel

Przerób ciekłych odpadów promieniotwórczych jest konieczny ze względu na potencjalne zagrożenia, jakie mogą wywoływać substancje radioaktywne dla zdrowia ludzkiego i otaczającego środowiska. Wybór technologii przerobu zależy od jej kosztów kapitałowych i operacyjnych, a także od charakterystyki odpadów, ich ilości oraz celów, jakich osiągnięcie stawiane jest w procesie: stopnia dekontaminacji i redukcji objętości. Tradycyjne technologie przerobu odpadów radioaktywnych, takie jak wytrącanie połączone z sedymentacją, wymiana jonowa i metoda wyparna, mają wiele wad, do których należą wysoka energochłonność oraz powstawanie dodatkowych odpadów, takich jak: osady ze zbiorników sedymentacyjnych, zużyte sorbenty jonowymienne, roztwory z regeneracji jonitów. Technologie te mają też ograniczenia procesowe, do których należą: pienienie i porywanie kropel w wyparkach, straty ekstrahenta i produkcja ścieków wtórnych w ekstrakcji cieczowej, czy blokowanie złoża w kolumnach jonitowych. Procesy membranowe, będące najnowszym osiągnięciem inżynierii procesowej, mogą z powodzeniem zastąpić wiele nieefektywnych, konwencjonalnych metod separacji, a w niektórych wypadkach stanowią ich uzupełnienie polepszając parametry strumieni wyjściowych i ekonomikę oczyszczania.
Badania własne zaprezentowane w monografii dotyczą wykorzystania postępów w dziedzinie procesów membranowych do rozwiązania wybranych problemów występujących w technologiach jądrowych. Stosunkowo dużo miejsca poświęcono zastosowaniu tych metod separacyjnych do przerobu ciekłych nisko- i średnioaktywnych odpadów promieniotwórczych. Spowodowane to było zarówno licznymi zastosowaniami procesów membranowych w ośrodkach przemysłu jądrowego na świecie, jak i zainteresowaniami autorki, które znalazły odzwierciedlenie w prowadzonych w ostatnich latach projektach badawczych.
W pracy przedstawiono przegląd metod membranowych wprowadzonych do technologii jądrowych na tle innych stosowanych powszechnie technik rozdzielczych, ze wskazaniem możliwości i perspektyw dalszego rozwoju tych zastosowań. Szczególny nacisk położono na ciśnieniowe procesy separacji membranowej – ultrafiltrację i odwróconą osmozę, które badano w skali laboratoryjnej i pilotowej. Weryfikację możliwości zastosowania odwróconej osmozy w skali przemysłowej do oczyszczania ciekłych nisko- i średnioaktywnych odpadów promieniotwórczych przeprowadzono w instalacji specjalnie zaprojektowanej i zbudowanej dla Zakładu Unieszkodliwiania Odpadów Promieniotwórczych Instytutu Energii Atomowej (ZUOP IEA) w Świerku. W procesie zastosowano cienkowarstwowe membrany kompozytowe z usieciowanego aromatycznego poliamidu o wysokim stopniu zatrzymania NaCl (99,4-99,7%). Wykazano, że w instalacji trójstopniowej można oczyszczać ścieki promieniotwórcze o radioaktywności właściwej poniżej 105 Bq/dm3 uzyskując permeat o aktywności nie większej niż 10 Bq/dm3 i koncentrat o aktywności właściwej od 7 do 15-krotnie wyższej od wyjściowej. W rozprawie przedstawiono również wyniki badań własnych dotyczących usuwania wybranych radionuklidów z modelowych roztworów wodnych i ścieków promieniotwórczych metodą ultrafiltracji wspomaganej kompleksowaniem i sorpcją. W tym przypadku zastosowano mineralne (ceramiczne) membrany porowate wykonane z tlenków: glinu, tytanu i cyrkonu. Membrany te charakteryzowała wysoka odporność na promieniowanie jonizujące, agresywne środowisko chemiczne i wysokie temperatury. Wykazano eksperymentalnie wysoką efektywność usuwania w procesie hybrydowym ultrafiltracja/kompleksowanie głównych składników ciekłych odpadów promieniotwórczych, takich jak: 134Cs, 137Cs, 60Co, 124Sb, 85Sr, 152Eu i 154Eu. Zbadano, jaki wpływ na efektywność procesu kompleksowania mają takie parametry, jak rodzaj użytego środka kompleksującego, jego ilość i pH oczyszczanego roztworu. Sprawdzono także skuteczność opracowanej metody w procesie oczyszczania rzeczywistych ścieków promieniotwórczych.
Monografia przedstawia wyniki badań zapropopowanego przez autorkę zastosowania destylacji membranowej do przerobu ciekłych odpadów radioaktywnych, a także analizę możliwości jej wykorzystania do odsalania z użyciem reaktora jądrowego i produkcji czystej wody dla potrzeb energetyki. W destylacji membranowej użyto typowych dla tego procesu membran porowatych z polimerów hydrofobowych – politetrafluoroetylenu i polipropylenu. Wykazano, że jest ona skuteczną metodą w procesie przerobu ciekłych odpadów promieniotwórczych, pozwalającą na ich pełne oczyszczenie i dużą redukcję objętości. Przedstawiono schemat zintegrowanego systemu oczyszczania nisko- i średnioaktywnych ścieków promieniotwórczych połączonego z odsalaniem z użyciem reaktora jądrowego metodą destylacji membranowej w elektrowni jądrowej. Zaprezentowano także wyniki prób wykorzystania procesów membranowych do wydzielania trytu z roztworów wodnych. W tym przypadku zastosowano zarówno proces ciśnieniowy (ultrafiltrację), jak i procesy przebiegające z przemianą fazową, takie jak: perwaporacja i destylacja membranowa próżniowa. W procesach wydzielania trytu z roztworów wodnych testowano membrany polimerowe z modyfikowanego polisulfonu i regenerowanej celulozy, a także porowate membrany z politetrafluoroetylenu. Wykazano, że dyfuzja Knudsena ma duży udział w uzyskanych efektach separacyjnych przy zastosowaniu membran porowatych z politetrafluoroetylenu.
Porównanie stosowanych metod membranowych oraz ocena ich skuteczności jest etapem podsumowującym całość prowadzonych prac badawczych i studialnych. Praca zawiera wnioski końcowe wskazujące na kierunki i możliwości zastosowania tych metod w technologiach jądrowych.



The treatment of radioactive wastes is necessary taking into account the potential hazard of radioactive substances to human health and surrounding environment. The choice of appropriate technology depends on capital and operational costs, wastes amount and their characteristics, appointed targets of the process, e.g. the values of decontamination factors and volume reduction coefficients. The conventional technologies applied for radioactive waste processing, such as precipitation coupled with sedimentation, ion exchange and evaporation have many drawbacks. These include high energy consumption and formation of secondary wastes, e.g. the sludge from sediment tanks, spent ion exchange adsorbents and regeneration solutions. There are also many limitations of such processes, i.e. foaming and drop entrainment in evaporators, loses of solvents and production of secondary wastes in solvent extraction or bed clogging in ion exchange columns. Membrane processes as the newest achievement of the process engineering can successfully supersede many non-effective, out-of-date methods. But in some instances they can also complement these methods whilst improving the parameters of effluents and purification economy.
This monograph presents own research data on the application of recent achievements in the area of membrane processes for solving selected problems in nuclear technology. Relatively big space was devoted to the use of membrane processing of low and intermediate radioactive liquid wastes because of numerous applications of these processes in nuclear centres over the world and also because of the interests of the author that was reflected by her recent research projects and activity.
This work presents a review on the membrane methods recently introduced into the nuclear technology against the background of the other, commonly applied separation techniques, with indications of the possibilities and prospects for their further developments. Particular attention was paid to the pressure-driven processes, e.g. ultrafiltration and reverse osmosis, which were studied on a laboratory and pilot scale. Verification of the potential application of reverse osmosis on an industrial scale for treatment of liquid low- and intermediate-level radioactive wastes has been carried out with the installation particularly designed and constructed for the Department of Radioactive Waste Processing, Insitute of Atomic Energy at Świerk. The thin-layer composite membranes made from a cross-linked aromatic polyamide of high retention of NaCl (99,4-99,7%) were applied in this process. It has been proved that a three-stage installation enables the radioactive waste of specific radioactivity below 105 Bq/dm3 to be cleaned down to 10 Bq/dm3 in permeate, with simultaneous 7-15-fold reduction of the activity in the concentrate.
The results of own studies concerning the removal of selected radionuclides from model aqueous solutions and radioactive wastes with ultra-filtration enhanced by complexation and sorption were also presented in this work. In these cases, the mineral (ceramic) porous membranes made from a-alumina, titanium and zirconium oxides were applied. These membranes exhibited a high resistance against ionizing radiation, aggressive chemical environment and high temperatures. The high effectiveness of removal of the main components of liquid radioactive waste like 134Cs, 137Cs, 60Co, 124Sb, 85Sr, 152Eu and 154Eu with a hybrid ultrafiltration/complexation process has been experimentally proved. The effects of this type of complexing agent, its concentration and pH of the processed solution on the complexation effectiveness have been studied. Efficacy of the method was tested with real radioactive wastes. The monograph performs results of the studies on membrane distillation which has been proposed by the author for processing of liquid radioactive wastes, and the analysis of its applicability for nuclear desalination and the production of pure water for power industry purposes. The membranes made from polytetrafluoroethylene and polypropylene were used in the case of membrane distillation. It was proved that membrane distillation is an efficient process in radioactive waste processing, enabling complete purification of the effluent and high volume reduction. The flow-sheet of integrated system for the purification of low and medium level radioactive wastes, combined with nuclear desalination by the membrane distillation method for the purpose of nuclear power plant, has been elaborated.
The experimental results on the application of membrane processes for tritium removal from aqueous solutions were also presented. The pressure-driven process (ultrafiltration), as well as the processes with phase transition, namely pervaporation and vacuum enhanced membrane distillation were applied in that case. The polymer membranes made from modified polysulphone and regenerated cellulose, as well as porous polytetrafluoroethylene membranes were used for the purpose of tritium separation from aqueous solutions. The prevailed contribution of the Knudsen diffusion to the observed separation effects with the application of porous polytetrafluoroethylene membranes has been proved.
The final conclusions comprise the characteristics and comparison of the applied membrane methods and the evaluation of their efficiency. Both the results of the performed research and the literature studies indicate directions and opportunities of potential applications of these methods in nuclear technologies.