Raporty IChTJ. Seria A nr 2/2006
PROCESY MEMBRANOWE W TECHNOLOGIACH JĄDROWYCH – WYBRANE ZAGADNIENIA MODELOWANIA TRANSPORTU MASY
ORAZ PROJEKTOWANIA SYSTEMÓW ROZDZIELANIA
(MEMBRANE PROCESSES IN NUCLEAR TECHNOLOGIES – SELECTED ISSUES OF MASS TRANSPORT MODELING AND
SEPARATION SYSTEMS DESIGN)
Grażyna Zakrzewska-Trznadel
W pracy przedstawiono wyniki badań nad zastosowaniem wybranych procesów membranowych, tj.
odwróconej osmozy, ultrafiltracji i destylacji membranowej, w technologiach jądrowych wraz z próbą
ich matematycznego opisu za pomocą stosowanych powszechnie modeli. W opisie odwróconej osmozy
zastosowano klasyczne podejście termodynamiki procesów nieodwracalnych. Parametry modelu
Kedem-Katchalskiego wyznaczono na podstawie wyników własnych doświadczeń dotyczących odsalania
wody i usuwania radionuklidów z ciekłych odpadów promieniotwórczych. Przedstawiono wyniki badań
ultrafiltracji zastosowanej do usuwania izotopów promieniotwórczych z roztworów wodnych.
Ultrafiltracja pozwalała na osiągnięcie większej wydajności w porównaniu z odwróconą osmozą.
Skuteczność separacji małych molekuł osiągano dzięki kompleksowaniu jonów za pomocą polimerów
rozpuszczalnych. W celu określenia maksymalnego stopnia zatężenia składników oddzielanych z
roztworu zastosowano dla procesu ultrafiltracji model polaryzacji stężeniowej. Destylację membranową
stosowano w pracy do zatężania ścieków radioaktywnych i odsalania wody morskiej. Rozwiązując
równania bilansu masy i ciepła dla danych doświadczalnych obliczono rzeczywistą różnicę temperatur
po obu stronach membrany oraz określono współczynniki polaryzacji temperaturowej i współczynniki
przenikania ciepła. Wykazano, że wielostopniowe układy destylacji membranowej umożliwiają znaczne
powiększenie skuteczności rozdziału izotopów. Przeprowadzono analizę systemów kaskadowych do
wzbogacania izotopu 18O.
The results of studies on application of selected membrane processes, such as reverse osmosis (RO),
ultrafiltration (UF) and membrane distillation (MD) in nuclear technologies and mathematical
modeling were presented in the report. The classical approach basing on thermodynamics of
irreversible processes was used for RO modeling. The parameters of Kedem-Katchalsky model
were determined on the basis of the own experimental results concerning water desalination
and radionuclides separation from liquid radioactive wastes. The results of application of
polymer enhanced ultrafiltration for radioisotopes removal from water solution were presented.
Ultrafiltration enables the higher flux to be achieved comparing with reverse osmosis.
The good separation effect of small molecules on UF membranes has been achieved by complexation
with water-soluble polymers. The concentration polarization gel model was used to determine maximum
attainable solute concentration in the retentate. Membrane distillation was applied for radwastes
concentrating and water desalting. The mass and heat balance equations enabled the real temperature
difference and heat transfer coefficients to be determined on both sides of the membrane, as well as
temperature polarization coefficients. The multistage membrane distillation systems demonstrate
the significant enhancement of separation efficiency of isotopes. The analysis of cascade systems for
18O enrichment have been performed.