不銹鋼電化學(xué)去污配方及其工藝參數(shù)研究

曾祥寶

不銹鋼電化學(xué)去污配方及其工藝參數(shù)研究

曾祥寶

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000）

針對核設(shè)施運(yùn)行及退役產(chǎn)生的放射性不銹鋼，應(yīng)用電化學(xué)方法開展了去污研究，重點(diǎn)研究了電解配方以及電流密度、電極間距、電解時(shí)間等影響因素，并推薦出了適應(yīng)于放射性不銹鋼去污的電解配方及其工藝參數(shù)，為后續(xù)實(shí)際熱驗(yàn)證以及工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

不銹鋼；電化學(xué)；配方；工藝參數(shù)

在核技術(shù)發(fā)展過程中，建設(shè)了大量的核設(shè)施，當(dāng)這些設(shè)施不被繼續(xù)使用時(shí)便會(huì)轉(zhuǎn)入退役階段。在退役過程中會(huì)產(chǎn)生大量的放射性金屬廢物，其中大部分為不銹鋼和碳鋼。由于這些金屬廢物表面存在α/β污染沾污，污染深度通常在十幾到幾十微米，部分還可能存在γ輻照，因此必須采用去污效率高的去污技術(shù)處理，達(dá)到國家規(guī)定的清潔解控要求才能循環(huán)再利用。本文主要研究了電化學(xué)去污的電解配方，并通過研究電流密度、電極間距、電解時(shí)間等因素的影響，得出了電解不銹鋼的電解配方及工藝參數(shù)。

1 電化學(xué)去污原理

將待去污的金屬部件浸泡在酸性電解配方溶液中，在電流的作用下發(fā)生電解反應(yīng)，陽極金屬表面溶解，隨著金屬離子析出，將其表面的污染核素去除，以達(dá)到去污的目的。反應(yīng)過程中，陽極釋放氧氣，陰極釋放氫氣。電化學(xué)去污原理如圖1所示。

圖1 電化學(xué)去污原理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)條件準(zhǔn)備

儀器設(shè)備：電導(dǎo)率測試儀（帶測溫功能）、磁力攪拌器、電化學(xué)去污裝置（非標(biāo)）、直流電源（24 V）、超聲波清洗機(jī)、電吹風(fēng)機(jī)、電子天平等。化學(xué)試劑：65%硝酸AR、硝酸鈉AR、生活水、化學(xué)添加劑等。材料：醫(yī)用橡膠手套、口罩、鑷子、棉紗、量筒、燒杯、玻璃棒、塑料桶等。樣片：不銹鋼樣片（50 mm×50 mm×5 mm）。

3 研究過程

3.1 電解配方研究

經(jīng)過大量調(diào)研，初步確定了3種配方，分別為：①配方a。HNO3（50 g/L）+NaNO3（100 g/L）+某添加劑（2 g/L）。②配方b。HNO3（50 g/L ）+ NaNO3（150 g/L）+某添加劑（2 g/L）。③配方c。HNO3（50 g/L）+NaNO3（200 g/L）+某添加劑（2 g/L）。在電流密度為0.2 A/cm2，電極間距為50 mm，攪拌速度為100 r/min，室溫，電解30 min的實(shí)驗(yàn)條件下，研究3種配方的電解去污效果，并選出最優(yōu)的電解配方。

3.2 工藝參數(shù)研究

采用選出的最優(yōu)電解配方進(jìn)行電解去污研究，以確定適合的電流密度、電極間距、電解時(shí)間及工作溫度等工藝參數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 電解配方

不同配方的電解效果如圖2所示。

圖2 不同配方的電解效果圖

由圖2可以看出，在相同條件下電解30 min，腐蝕深度c組＞b組＞a組，所以選擇c組配方為不銹鋼電化學(xué)去污的電解配方，即HNO3（50 g/L）+NaNO3（200 g/L）+某添加劑（2 g/L）。

4.2 電流密度

不同電流密度的電解效果如圖3所示。

由圖3可以看出，電流密度與電解效果呈線性關(guān)系，電流密度越大，電解效果越好。但由于當(dāng)電流密度大于0.5時(shí)，反應(yīng)劇烈，電解去污過程中發(fā)熱量增大導(dǎo)致電解液溫度升高很快，會(huì)使電解液蒸發(fā)，損耗過快，同時(shí)產(chǎn)生大量的氣體，在實(shí)際工程應(yīng)用中會(huì)使污染擴(kuò)散。根據(jù)30 min的腐蝕深度大于50 μm來考慮，電流密度推薦0.2～0.4 A·cm-2為宜。

圖3 不同電流密度的電解效果圖

4.3 電極間距

不同電極間距的電解效果如圖4所示。

圖4 不同電極間距的電解效果圖

由圖4可以看出，電極間距在10～50 mm時(shí)，相同條件下相同時(shí)間內(nèi)金屬的電解效果相差不大，在實(shí)際工程應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.4 電解時(shí)間

不同電解時(shí)間的電解效果如圖5所示。

圖5 不同電解時(shí)間的電解效果圖

由圖5可以看出，電解時(shí)間與電解效果呈線性關(guān)系，隨著電解時(shí)間的增加，陽極金屬不斷溶解，腐蝕深度越大，電解效果越好。但隨著時(shí)間的推移，電解液中的金屬離子濃度也越來越大，電解液逐漸被損耗，電解效果會(huì)逐漸降低，需補(bǔ)充新的電解液才能繼續(xù)維持反應(yīng)。根據(jù)30 min的腐蝕深度大于50 μm來考慮，去污單個(gè)樣片電解時(shí)間推薦15～ 30 min為宜。

4.5 電解溫度

電解時(shí)間與電解溫度關(guān)系如圖6所示。

圖6 電解時(shí)間與電解溫度關(guān)系圖

由圖6可以看出，電解液的溫度會(huì)隨著反應(yīng)逐漸升高，電解液的溫度一直處于變化中，因此無法使電解液處于恒溫狀態(tài)，進(jìn)而無法研究不同電解液溫度下的電解效果。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中當(dāng)電解液溫度升至50 ℃以上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的霧氣，會(huì)加速溶液中的酸及電解質(zhì)蒸發(fā)，加速電解液損耗。因此，推薦電化學(xué)反應(yīng)30 min內(nèi)電解液溫度控制在50 ℃以下為宜。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)選出了不銹鋼材質(zhì)金屬電化學(xué)去污的電解配方，即HNO3（50 g/L）+NaNO3（200 g/L）+某添加劑（2 g/L）；推薦的工藝參數(shù)為電流密度0.2～0.4 A/cm2，電極間距40 mm左右, 電解時(shí)間15～30 min，電解液溫度控制在50 ℃以下，即可滿足在30 min內(nèi)陽極金屬腐蝕深度大于50 μm，可保證電解去污效果。

［1］張國林.金屬表面電化學(xué)去污技術(shù)的研究及應(yīng)用［C］//“創(chuàng)新——核科學(xué)技術(shù)發(fā)展的不竭源泉”——中國核學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)，2009.

［2］陸春海.電化學(xué)去污方法和技術(shù)研究［D］.綿陽：中國工程物理研究院，2004.

2095－6835（2021）06－0065－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.022

曾祥寶（1984—），男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)楹嗽O(shè)施退役與放射性廢物處理。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕