[发明专利]一种分离浓缩含放射性元素溶液的减压膜蒸馏装置及包含其的多效减压膜蒸馏工艺

说明书

本发明公开一种分离浓缩含放射性元素溶液的减压膜蒸馏装置及包含其的多效减压膜蒸馏工艺。本发明为含氚核素废水的高效分离浓缩提供了新的解决办法，能够实现低蒸气压差物质的高效分离，保证产水可以达标排放的同时实现战略核素的高效回收。另外，本发明设计开发了一种可以在单个组件内部实现多级膜蒸馏的装置，并且设置了辅热隔板稳定了热侧的温度保证低蒸气压差分离驱动力，提高了膜蒸馏的分离效率。

技术领域

本发明属于水处理领域，具体涉及一种分离浓缩含放射性元素溶液的减压膜蒸馏装置及包含其的多效减压膜蒸馏工艺。

背景技术

核反应中所产生放射性核废物的处理一直是核工业发展的短板，现代的核燃料原件包壳大多选用封焊结构的锆合金取代不锈钢管，从核燃料元件中出来的氚气被锆吸收，在反应堆运行温度下，只有约0.1％左右的氚渗透锆合金管壁进入冷却水系统。因此会形成大量含氚放射性废水，而其物化性质与普通水基本一致，是放射性核废物处理中最为棘手的问题。常用的含氚溶液浓缩分离技术有电解法、水精馏法、气相催化交换法、液相催化交换法和联合电解催化交换法等。电解法是将含氚溶液反复电解，以提高氘、氚浓度，现因能耗太大，已不再使用。水精馏法由于精馏柱上各组分的温度差异较小，需要的塔板数多，设备体积庞大，能耗高，实现严格温度控制、降低投资成本成为低温精馏法的发展瓶颈，而且现有精馏工艺操作压力高使得精馏系统的安全性较低，增加了放射性物质的泄漏风险。联合电解催化交换工艺是将液相催化交换工艺和电解法相结合，与气相催化交换工艺相比，操作温度低，工艺条件容易控制，是目前研究的热点，但是这种方法对催化剂依赖程度很高，大规模使用时，需要设计和研制开发相应工艺的规整填料和催化剂，以及大直径的催化交换柱，投资及运行成本高且技术工艺不成熟。

膜分离技术是利用分离膜材料，利用浓差、压力差或电压差的推动作用进行有效分离的技术，由于其具有节能、占地面积小、易于操作、效率高、成本低、不投加化学药剂、二次污染少、处理后的物质可以资源化利用等优点，近些年得到快速发展，最具代表性的是膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)技术在海水淡化、卤水脱盐浓缩以及纯水生产中的广泛研究和产业化应用，这为含氚核素溶液的处理提供了一种新途径。

膜蒸馏过程是利用疏水性微孔膜两侧的温度差所产生的蒸汽压差作为推动力，来实现溶质和溶剂分离的膜过程。膜蒸馏技术作为一种将传统蒸发与膜技术相结合的新型膜技术，与电解、吸附、传统蒸发等工艺相比，在含氚核素溶液浓缩分离方面具有较为明显的优势：①膜蒸馏依靠蒸汽压差作为推动力来实现溶质和溶剂分离，其能耗和对装置安全性的要求均显著低于其他工艺；②由于膜具有在无静压力差的情况下只允许气体透过膜，而截留液体的特点，使得其具有浓缩效率高，可以实现高品位浓缩；③与传统蒸发相比，膜蒸馏装置简便、占地面积少、可以利用低品位热源(太阳能、地热、废热、余热等)、经济性高。因此，膜蒸馏技术为含氚核素溶液浓缩分离提供了一种新的思路。

现有技术对核废水中含氚核素溶液进行浓缩处理时，传统精馏、电解设备占地面积大投入成本高。已知技术(日本专利2015073968)采用多级离心分离法分离含氚溶液，减少了装置的占地面积，分离效率达90％，但过程中采用3MPa、250℃的操作条件增大了能耗及运行成本。

由于含氚核素溶液中氚含量较低且具有放射性，并且与普通水物理化学性质较为接近，如何实现有效分离，提高分离效率，确保运行安全是目前膜蒸馏技术面临的技术难题。并且现有的膜蒸馏过程中汽化潜热的存在降低了热能的利用率，从而产生能耗成本。

已知技术(美国专利3562116)采用具有波纹表面的疏水微孔膜分离重水等具有挥发性的物质，减少了装置的占地面积，但分离效率和热能利用率较低。机械密封方式在放射性环境中应用存在泄露的风险。

已知技术中(中国专利申请201510441216.6)发明了一种多级膜蒸馏方法，利用了高温料液产生的二次蒸汽为第二级料液加热以充分利用气化潜热提高热效率，但金属管内套中空纤维的组件形式提高了更换维护成本。