改性電化學體系在放射性金屬廢物表面去污中的應用研究

施虎林

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 628000）

傳統的電解去污系統以放射性金屬廢物為陽極電極，因此當在去污后處理放射性金屬廢料時，放射性擴散是一個嚴重的問題。各種形狀的放射性金屬廢物由于在電解反應區域反應不足導致很難去污。電化學去污過程中使用了硫酸、磷酸、硫酸鈉等各種電解質。其中，如果使用中性鹽電解質，則不需要中和二次廢物，并且產生的放射性核素沉積物易于過濾處理。本研究的目的是研究同時使用正極和負極的改良電化學去污工藝對放射性金屬廢物去污的適用操作參數，如電流密度、反應時間、電解質濃度等。

1 實驗材料和方法

設計并制造了小型和大型實驗室規模的電化學去污裝置。一個小型電化學去污裝置由可編程數字直流電子裝載機、磁力攪拌器、電極支架和通風系統組成。該實驗裝置的電極面積為30 cm2，電流密度為0.013 A/cm2。5 個反應器和10 個電極支撐體被設計用于同時使用，如圖1 所示。

圖1 小型電化學去污裝置

在小型裝置的基礎上，設計制造了大型實驗室電化學去污系統。該系統由廢棄物收集部分、超聲波-電化學去污反應器和廢水循環部分組成。由于超聲波振蕩器附著在電解去污反應器的底部，所以沒有必要安裝額外的洗滌槽。該系統也被設計為通過金屬廢物的循環來凈化兩側的金屬廢物[1]。大型實驗室規模改造電化學去污系統如圖2 所示。

圖2 大型實驗室規模改造電化學去污系統

2 實驗方法和分析

在小型系統中采用碳鋼作為模擬金屬廢物，尺寸為30 mm×70 mm×2 mm，在大型實驗室尺度的電化學改性系統中尺寸為100 mm×200 mm×3 mm。常規工藝采用模擬金屬廢料作為陽極，鈦作為陰極。另一方面，改進的工藝采用因科鎳和哈氏合金作為陽極，鈦作為陰極，在兩個電極中間安裝碳鋼。制備濃度為0.5～1.7 mol/L 的硫酸鈉溶液，室溫下實驗時間為10～60 min，電流密度為0.06～0.41 A/cm2。對特征進行分析，如去污后金屬廢物的質量損失和厚度變化[2]。大型實驗室尺度改造電化學去污系統原理如圖3 所示。

圖3 大型實驗室尺度改造電化學去污系統原理圖

3 結果

3.1 電化學去污方法的影響

常規和改進的電解去污實驗是在濃度為1.7 mol/L的硫酸鈉溶液中進行，電流密度為0.3 A/cm2。實驗條件如表1 所示。

表1 常規和改性電化學去污實驗條件

研究結果表明：在電流密度為0.3 A/cm2、硫酸鈉濃度為1.7 mol/L 的條件下，改性電解去污系統的金屬廢棄物質量損失為7.7 mg/m2，厚度變化為9.8 μm，而在常規系統中分別為2.9 mg/m2和3.7 μm。說明改性電化學去污優于傳統去污效果。

3.2 反應時間的影響

探究了改進電解去污實驗的最佳去污時間，分別使用哈氏合金和鈦模擬金屬廢物的陽極和陰極。實驗條件如表2 所示。

表2 實驗條件對去污反應時間的影響

圖4 展示了上述條件下模擬金屬廢料的厚度變化圖。隨著反應時間從10 min 增長到60 min，金屬廢料的腐蝕深度變化從5.2 μm 增長到30.5 μm。30 min 是一個適宜的反應時間，金屬廢料表面腐蝕為16 μm。

圖4 反應時間與腐蝕深度的關系圖

3.3 對電流密度和電去污的影響

為了找到中性電解質的最佳濃度和電流密度，在濃度為0.5～1.7 mol/L 的硫酸鈉溶液中進行了改進的電解去污實驗，其中電流密度為0.06～0.41 A/cm2。實驗條件如表3 所示。

表3 電流密度和電解液濃度選擇的實驗條件

圖5 為模擬金屬廢物在上述條件下的不同腐蝕深度變化曲線圖。硫酸鈉濃度從0.5 mol/L 增加到1.7 mol/L，電流密度從0.06 A/cm2增加到0.41 A/cm2，模擬金屬的腐蝕深度從0.4 μm 變化到15.8 μm，去污效率隨電流密度的增大而增大。當電流密度為0.4 A/cm2，硫酸鈉濃度為1.5 mol/L 時，金屬廢料表面腐蝕深度為15.8 μm。

3.4 實驗裝置規模的影響

基于小型改進型去污實驗中的操作參數，進行了放大效應的去污效率實驗。實驗條件如表4 所示。

表4 擴大研究的實驗條件

在小規模實驗中，碳鋼的厚度變化為12 μm，而在放大規模實驗中，碳鋼的厚度變化為11.4 μm，這意味著尺寸增加不會對去污效果產生不利影響。

4 結論

在硫酸鈉溶液中對模擬金屬廢物碳鋼進行了常規電解去污實驗和改進電解去污實驗。研究了反應時間、電流密度和電解質濃度對改性電解去污系統去除模擬放射性金屬廢物表面污染的影響。結果顯示，改性電化學去污工藝通過施加不同的陽極材料，產生更高的感應電動勢，比傳統去污工藝更有效。當實驗條件為硫酸鈉濃度為0.5 mol/L，電流密度為0.4 A/cm2，反應時間為30 min，放射性金屬廢料的主要材料碳鋼的腐蝕深度變化為16 μm，預計可去除放射性金屬廢料中的大部分表面污染。實驗結果表明，小型和大型電化學改性體系對金屬廢物的去污效果基本一致。這種改進的電解去污系統的應用有望在不久的將來對放射性金屬廢物的去污發揮相當大的作用。