直接接觸式膜蒸餾技術處理模擬放射性廢液

2020-03-05 05:31:02伊成龍

核化學與放射化學 2020年1期

文霞，伊成龍，趙璇

1.上海核工程研究設計院有限公司工藝系統所，上海 200233；2.清華大學核能與新能源技術研究院，北京 100084

在大力發展核電的過程中，核電廠的運行以及維修過程會不可避免地產生放射性廢液。據文獻[1]報道，田灣核電廠每臺機組每年產生的放射性廢液達2 350 m3，最大值達7 100 m3。核電廠產生的放射性廢液需經過凈化處理，滿足國家標準(GB 6249-2011)[2]要求后方可排放。目前，核電廠處理低放廢液的常用方法主要包括：蒸發法、離子交換法、吸附法、化學絮凝法等。膜技術因二次廢物產生量少、占地面積小等特點而逐漸成為備受關注的放射性廢液處理技術之一[3]。膜蒸餾技術作為一種將傳統蒸發與膜技術相結合的新型膜技術，與傳統蒸發相比，在放射性廢液的處理方面具有較為明顯的優勢[4]：(1) 膜蒸餾裝置一般在30～70 ℃條件下運行，其能耗和對裝置安全性的要求均顯著低于傳統蒸發；(2) 由于低放廢液中大部分放射性核素的非揮發特性以及膜的攔截作用，該技術對非揮發性核素展現出良好的截留效果，去污因子(DF)可達103～106；(3) 與傳統蒸發相比，膜蒸餾裝置簡便、占地面積少、經濟性高。因此，膜蒸餾技術可為放射性廢液的處理提供一種新的思路。

膜蒸餾裝置根據冷卻方式的不同可分為四種基本形式：直接接觸式膜蒸餾(DCMD)、氣隙式膜蒸餾(AGMD)、氣掃式膜蒸餾(SGMD)和真空式膜蒸餾(VMD)[4]。目前，已有部分學者開展了關于膜蒸餾技術處理放射性廢液的研究。在Wen等[5]的研究中探究了VMD過程對模擬放射性廢液的處理效果，結果顯示VMD過程對模擬廢液中的銫、鍶和鈷的DF達103，且DF隨著真空度的提高，先增大后減小。張瑋玨等[6]采用SGMD裝置對總α活度濃度為868 Bq/L、總β活度濃度為5 610 Bq/L的放射性廢液進行處理，經處理后的產水中平均總α和β活度濃度分別為0.04 Bq/L和15.13 Bq/L。將膜蒸餾技術應用于放射性廢液處理，除了需要考慮其對放射性廢液的凈化能力以外，還需要充分考慮裝置的可靠性、可維護維修性以及最終的二次廢物產生量。與其他膜蒸餾方式相比，DCMD裝置最為簡便、運行條件溫和，無放射性元素以氣溶膠形態擴散到環境的風險，故運行過程中無需增加額外的防護設備。因此，本工作擬選取DCMD裝置處理模擬放射性廢液，主要考察裝置在不同運行條件下對放射性廢液中典型的元素鍶(Sr)、銫(Cs)、鈷(Co)的去除效果，并探究DCMD過程的傳質傳熱機制，以期為DCMD在放射性廢液處理方面的實際應用提供參考。

1 DCMD過程的傳質傳熱機理

膜蒸餾過程是一個傳質與傳熱相輔相成的復雜膜分離過程。在DCMD運行過程中，膜熱側料液中的易揮發組分在膜孔界面形成蒸氣，在膜兩側因溫度差引起的蒸氣壓差的推動下穿透膜孔，到達膜冷側后被循環冷卻水冷凝并帶出。

膜蒸餾過程中，水蒸氣在膜孔內的傳質是在膜兩側蒸氣壓差的推動下發生的，因此膜通量(J，L/(m2·h))可用達西定律表示為：

J=C(pTfm-pTcm)

(1)

式中：Tfm和Tcm分別表示熱側膜表面溫度和冷側膜表面溫度，K；C表示傳質系數，s/m；p表示水蒸氣分壓，Pa。傳質和傳熱過程中，由于邊界層的存在，Tfm與料液主體溫度(Tf)、Tcm與冷卻水主體溫度(Tc)存在一定的差異。

在測得膜通量以及膜元件料液和冷卻水進出口溫度后，根據公式(2)和公式(3)可獲得Tfm和Tcm[7]：

(2)

(3)

式(2)、(3)中：hf、hm和hc分別表示熱側邊界層、膜以及冷側邊界層的傳熱系數，W/(m2·K)；Tf和Tc分別表示膜元件料液進出口溫度的算術平均溫度和冷卻水進出口溫度的算術平均溫度，K；ΔH表示水蒸氣的蒸發潛熱，J/kg。

根據塵-氣模型可知，水蒸氣在疏水性膜孔內可能的傳質機理主要有三種：努森擴散、分子擴散以及努森-分子擴散機理。

當膜孔內空氣較少、且膜孔孔徑(d)比較小(d<λ，λ：水蒸氣分子的平均自由程)時，水蒸氣分子在膜孔內的傳質阻力主要來源于其與膜孔壁之間的碰撞。這種情況下，J可表示為式(4)[8]：

(4)

其中：C1，以努森擴散機理為主的傳質系數，s/m；M，水分子的摩爾質量，g/mol；R，氣體常數，8.314 J/(mol·K)；r、δ、τ和ε分別表示膜孔的平均半徑(m)、膜厚度(m)、彎曲因子和孔隙率；Δp，膜兩側的蒸氣壓差，Pa。

當膜孔孔徑較大(d>100λ)時，水蒸氣分子在膜孔內的傳質阻力主要來源于其與膜孔內空氣分子之間的碰撞，此時，J可表示為式(5)[8]：

(5)

其中：C2，以分子擴散機理為主的傳質系數，s/m；pa，膜孔內的空氣壓力，Pa；p，膜孔內的總壓力，Pa；D，水分子的擴散系數。

當膜孔孔徑處于過渡范圍，即λ≤d≤100λ時，水蒸氣分子在膜孔內的傳質可能包含努森擴散和分子擴散兩種機理。此時，J可表示為式(6)[8]：

(6)

式中：C3，努森-分子擴散機理為主的傳質系數，s/m。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

六水合硝酸鈷(Co(NO3)2·6H2O)、硝酸鍶(Sr(NO3)2)、硝酸銫(CsNO3)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；去離子水，電導率小于2 μS/cm，自制；Q 3-2聚丙烯(PP)中空纖維膜，ACCUEL?(Membrana GmbH公司)。

iCAPQ電感耦合等離子體-質譜儀，美國賽默飛世爾科技公司；CP1402電子天平，精度0.01 g，美國奧豪斯科技有限公司。

2.2 DCMD裝置介紹

本研究使用膜為疏水性PP中空纖維膜。膜絲內徑為0.60 mm，膜厚度(δ)為0.20 mm，平均膜孔徑(d)為0.22 μm，孔隙率(ε)為73%，膜表面的水接觸角(θ)為128°±2.5°。中空纖維膜絲組裝于圓柱形膜元件內，膜元件的長度(L)為140 mm，內徑(D′)為28 mm，每個膜元件內裝入膜絲16根，有效膜面積為70 cm2。

DCMD裝置為自主搭建的實驗裝置，其流程示意圖示于圖1。如圖1所示，在運行前，將配制好的料液加入料液罐中，并加熱至所需溫度。穩定10 min后，通過料液泵將熱料液泵入膜元件的殼程(膜絲外表面)，冷卻水則通過冷卻水泵泵入膜元件的管程(膜絲內表面)。料液在膜絲外表面形成的水蒸氣在膜兩側蒸氣壓差的推動下通過膜孔并到達膜絲內的表面，被膜絲內的循環冷卻水冷凝并帶出膜元件。產生的冷凝液(即產水)到達冷卻水罐并溢流至產水收集罐中，最后被電子天平實時記錄質量。每組實驗連續運行2 h，每隔15 min紀錄一次產水量，每半小時將產水倒回料液罐，料液罐體積為5 L。在運行1、1.5、2 h時，料液和產水分別取10 mL測量元素濃度。

1——料液罐，2——蠕動泵，3——溫度計，4——膜元件，5——熱交換器，6——冷卻水罐，7——產水收集罐，8——電子天平圖1 DCMD實驗裝置流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of DCMD experimental set-up

料液中Sr(Ⅱ)、Co(Ⅱ)和Cs(Ⅰ)的質量濃度均為200 mg/L，采用去離子水配制。料液和產水中Sr(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Cs(Ⅰ)的濃度均采用電感耦合等離子體-質譜儀測量。

2.3 主要考察指標

裝置的產水速率采用膜通量(J)來衡量，J表示單位時間單位膜面積的產水量(L/(m2·h)) ，如式(7)所示：

(7)

式中：Δt，時間間隔，h；Δm，Δt時間內收集的產水質量，kg；S，膜元件內的有效膜面積，m2；ρ，產水的密度，kg/L。

裝置對目標元素的截留效果采用去污因子(DF)來衡量。DF表示料液中元素濃度與產水中元素濃度之比，具體表示為：

(8)

上式中ρf和ρc分別表示料液和產水中目標元素的質量濃度，μg/L。由于DCMD過程的產水與冷卻水相混合，因此，產水中目標元素的實際濃度需要通過物料衡算獲得，具體如式(9)。

(9)

其中：ρc,n和ρc,n-1分別表示在第n次和第n-1次的產水樣品中測得的元素質量濃度，μg/L；V0和Vn分別表示產水管路中固有的冷卻水體積和第n次取樣間隔內的產水體積，L。

3 結果與討論

3.1 運行條件對膜通量的影響

主要考察了四個運行參數料液溫度(Tf)、料液流速(vf)、冷卻水溫度(Tc)以及冷卻水流速(vc)分別對膜通量(J)的影響，結果示于圖2。圖2中的膜通量是運行2 h內的平均膜通量，誤差棒表示運行2 h，每隔15 min記錄的產水量根據式(7)計算的膜通量的標準偏差。從圖2(a)可以看出，當固定其他三個運行參數不變，Tf由40 ℃升高至80 ℃時，J由2.7 L/(m2·h)呈指數形式增加至29.2 L/(m2·h)。此現象主要是由于水蒸氣的分壓與溫度呈指數關系所致。與之相反，冷卻水的溫度增加導致膜通量顯著下降(圖2(b))。當Tc由10 ℃增加至30 ℃時，J由19.9 L/(m2·h)降低至16.7 L/(m2·h)。冷卻水溫度的變化會影響膜兩側的溫差大小，當冷卻水溫度增加時，膜兩側溫度差減小，進而使得膜兩側壓差降低，膜通量減小。此外，冷卻水溫度的升高可能會導致其對跨膜的水蒸氣冷凝效果不夠，進而導致膜通量降低。料液流速和冷卻水流速的改變均導致膜通量有一定程度的增加。從圖2(c)可知，當料液流速由425 mL/min增加至1 450 mL/min時，膜通量由18.6 L/(m2·h)增加至20.2 L/(m2·h)；當冷卻水流速從75 mL/min增加至600 mL/min時，膜通量由19.3 L/(m2·h)增加至21.1 L/(m2·h)(圖2(d))。流速的增加導致DCMD過程的膜通量增加主要是由于在本研究的流速范圍內，流體在流道內均呈層流狀態(Re<2 100)，流速的增加可有效地降低膜的邊界層厚度，進而降低傳質阻力[9]。此外，料液流速的增加會使得料液在膜元件內的停留時間減少，最終表現為料液在膜元件內的平均溫度升高，膜兩側溫差增加，膜通量增加。同樣，冷卻水流速增加會使得冷卻水在膜元件內的平均溫度降低，進而使得膜通量增加。此外，從四個運行參數的變化對膜通量的影響程度可知，料液溫度的變化對膜通量的影響最為明顯。因此，提高料液溫度是提高DCMD過程膜通量最有效的辦法。

(a)——Tf的影響，(b)——Tc的影響，(c)——vf的影響，(d)——vc的影響圖2 運行參數對DCMD過程膜通量的影響Fig.2 Effect of operation conditions on permeation flux in DCMD process

3.2 DCMD過程的傳質傳熱機制機理

■——實驗，●——努森擴散機理擬合，▲——分子擴散機理擬合，○——努森-分子擴散機理擬合圖3 模型擬合的膜通量以及實驗膜通量隨料液溫度的變化情況Fig.3 Variation of permeation flux in model fitting and experiment with different feed temperatures

3.2.1水蒸氣分子在膜孔內的傳質機制機理在DCMD過程中，水蒸氣分子在膜孔內傳質的可能機理主要有三種：努森擴散、分子擴散以及努森-分子擴散。根據上述三種可能的機理擬合計算的膜通量隨料液溫度的變化情況示于圖3。為更直觀地衡量擬合結果與實驗結果之間的偏差，采用平均相對偏差(ARE)來衡量，具體公式如式(10)：

(10)

式中：Jex表示實驗膜通量，Jth表示根據不同跨膜傳質機理擬合所得膜通量，n表示數據點個數。三種不同擬合機理所得的膜通量與實驗膜通量的ARE如圖3中表格所示。從ARE結果可知，考察的三種跨膜傳質機理中，努森-分子擴散機理擬合計算所得的膜通量與實驗膜通量最為接近，ARE值僅為4%。此結果表明，水蒸氣分子在膜孔內的傳質機理以努森-分子擴散為主。水蒸氣分子在膜孔內以何種機制為主，可通過膜孔徑尺寸d與水分子平均自由程λ的大小關系來初步判斷。水分子在空氣中的平均自由程λ可用公式(11)表示[10]。

(11)

其中：kB是玻爾茲曼常數，1.380×1023J/K；σw和σa表示水蒸氣和空氣的平均碰撞直徑，分別為2.641×10-10m和3.711×10-10m；pT為膜孔內氣體總壓力，Pa，DCMD過程為大氣壓；mw和ma分別表示水和空氣的摩爾質量，g/mol。根據式(11)計算可得，在 40～80 ℃范圍內，水蒸氣分子的平均自由程(λ) 在 0.11～0.12 μm 范圍內。本研究中采用的 PP 中空纖維膜的平均孔徑為 0.22 μm，即屬于λ

3.2.2DCMD過程的傳質阻力在無明顯膜污染的情況下，DCMD過程的傳質阻力(Rt)主要來自于三方面：熱側邊界層的阻力(Rf)、膜本身的阻力(Rm)以及冷側邊界層的阻力(Rc)，分別可通過公式(12)—(15)計算得出[12]。

(12)

(13)

(14)

Rt=Rf+Rm+Rc

(15)

其中：pf、pfm、pc、pcm分別表示在Tf、Tfm、Tc以及Tcm下的水蒸氣分壓，Pa。各個傳質阻力分量以及總的傳質阻力隨著料液溫度的變化情況列入表1。從表1可知，此DCMD過程的Rt均比較大，達1 000 Pa·m2·h/kg以上。Rf、Rm、Rc三個分量中，Rm的值最大，Rf次之，Rc最小。結果表明，此DCMD過程中，傳質阻力主要來自于膜本身，其次是熱側邊界層，冷側邊界層的傳質阻力較小。此外，料液溫度的升高對三者的影響趨勢不同。其中，Rf隨著料液溫度的升高而增加，Rm則隨著料液溫度的降低而減小，Rc則無明顯變化。料液溫度的升高導致Rf增加主要是由于料

表1 DCMD過程的傳質阻力隨料液溫度的變化情況Table 1 Variation of mass transfer resistance in DCMD processe with different feed temperatures Pa·m2·h/kg

3.2.3DCMD過程的溫度極化現象溫度極化現象的存在是導致膜蒸餾過程的實際膜通量比理論膜通量小的主要原因之一。本研究中，DCMD過程的溫度極化程度采用溫度極化系數(TPC)來衡量，TPC可通過公式(16)計算而得。

(16)

TPC隨著料液溫度的變化情況列入表2。從表2可知，TPC值為0.46～0.66，遠小于1，說明此DCMD過程的溫度極化現象較為嚴重。此外，隨著料液溫度的增加，TPC減小。此現象也主要是

表2 DCMD過程的TPC隨料液溫度的變化情況Table 2 Variation of TPC in DCMD process with different feed temperatures

由于料液溫度的增加，導致料液側的水蒸氣跨膜攜帶的蒸發潛熱以及熱傳導的熱量均增加所致。

3.3 運行參數對目標元素截留效果的影響

DCMD過程中，主要的四個運行參數：料液溫度(Tf)、料液流速(vf)、冷卻水溫度(Tc)以及冷卻水流速(vc)的改變對目標元素Co(Ⅱ)、Sr(Ⅱ)和Cs(Ⅰ)的DF值的影響示于圖4(誤差棒表示運行2 h內所取3個樣品的DF值的標準偏差)。由圖4可知：DCMD過程對目標元素Co(Ⅱ)、Sr(Ⅱ)和Cs(Ⅰ)均具有良好的截留效果，在本研究的考察范圍內，DF值均保持在105以上；其次，DCMD過程對三種不同的元素無明顯的選擇性。此外，在本研究考察的料液溫度(40～80 ℃)、冷卻水溫度(10～30 ℃)、料液流速(425～1 450 mL/min)和冷卻水流速(75～600 mL/min)范圍內，運行條件的改變對三種元素的截留效果均未表現出明顯的影響，DF值始終保持在105以上。