在线电导率装置在放射性废水处理系统中的应用

杨兰菊 孙圣权 刘辰龙 周春燕

（中国核动力研究设计院第一研究所）

目前，放射性低放废液的处理主要包括蒸发和离子交换系统，放射性废液先经由蒸发系统蒸发处理，产生的二次蒸汽冷凝冷却后形成二次蒸汽冷凝液，再进入离子交换系统进行阴、阳离子交换，最后成为合格的排放水。 离子交换系统净化废水主要是原水中的阴阳离子分别与树脂接触，树脂中的活性官能团置换出原水中的阴阳离子，阴阳离子被截留在树脂上，从而获得净化水。树脂运行一段时间后， 其交换容量达到饱和，此时需要对树脂进行再生，恢复其活性［1］。离子交换系统中需对离子交换前后的放射性废水的质量进行监测， 而水的电导率是一项很重要的指标，它能够反映水中电解质的总含量。 监测放射性废液的电导率可以判断废水净化的品质和树脂的失效状况，因此设置在线电导率装置是必要的。

1 监测参数

图1 离子交换测控流程

离子交换系统由阳离子交换柱（阳柱）、阴离子交换柱（阴柱）、混合离子交换柱（混柱）、后过滤器及在线γ 监测仪等设备组成。 离子交换测控流程如图1 所示，蒸发系统产生的二次蒸汽冷凝液先进入阳柱和阳树脂进行离子交换，再进入阴柱和阴树脂进行离子交换， 最后进入混柱和阳、阴树脂进行离子交换，从混柱出来的废水经后过滤器、在线γ 监测仪后，合格的废水进入排放水槽。

在离子交换系统中，主要监测的参数有阳柱入口电导率CI-01、混柱入口电导率CI-02 和出口电导率CI-03。 电导率表征废水导电的性能，该参数与废水中的含盐量有一定关系，电导率越大则导电性能越强。 因此，常用于推测废水中离子的总浓度或含盐量。

2 电导率测量系统

2.1 电导率基本定义

电导率σ以数字表示溶液传送电流的能力，是电阻率ρ的倒数，即：

σ=1/ρ

纯水的电导率很小，当水中含有无机酸、碱、盐时，电导率的值就变大。

2.2 测量系统

在线电导率装置用来测量并显示经过离子交换前后废水的电导率。 完整的电导率测量系统由测量元件和转换器组成［2］，具体包括电导式测量电极、专用电缆和分析仪表（图2）。

图2 电导率测量系统结构示意图

在线电导率装置的测量原理：电极传感器浸泡在被测废水中，与废水充分接触，电极信号通过专用屏蔽电缆连接到分析仪表上，分析仪表通过信号转换以μS/cm 为单位显示电导率的测量值，同在分析仪表上显示的还有被测介质的补偿温度。 分析仪表上带4～20mA 的电流隔离输出，这个信号可以远传接入PLC 系统的上位机或数显表上，便于操作人员在控制室观测电导率的在线监测状况。

3 在线电导率装置的选型及安装

3.1 传感器的选型

工业电导率仪按其结构分为电极式和电磁感应式两大类。 电极式电导率仪适用于测量电导率低、介质洁净的溶液，常用于工业用水处理装置的水质分析等场合［3］。

电导率传感器也称为电导电极，是测量电导率最重要的部分，其电极常数也是造成测量误差的重要原因之一。 电导电极一般分为二电极式和四电极式。 二电极式测量低电导率溶液，四电极式测量高浓度溶液。 二电极式电导电极是目前国内使用最多的电导电极类型，在线电导率仪上使用的二电极常制成圆柱形对称的电极。

选择电导电极时需要注意电导率的测量范围和选配电极，温度对电极的影响以及安装的结构。

3.1.1 电导率的测量范围和选配电极

在图1 中，阳柱、阴柱、混柱是串级使用的，也就是二次蒸汽冷凝液先经阳柱与阳离子树脂交换，再经阴柱与阴离子树脂交换，最后进入混柱与混合树脂交换，采用的是阳柱→阴柱→混柱的工艺方式，并且分别在阳柱、混柱入口管线上和混柱出口管线上设置电导率测量装置，用于测量阳柱入口电导率、阴柱出口电导率和混柱出口电导率。 正常情况下，二次蒸汽冷凝液经过阳柱、阴柱、混柱净化后，电导率成量级降低，因此阳柱入口电导率最高，混柱出口电导率最低。 若阳柱、阴柱、混柱任一交换柱的树脂失效了，可以根据电导率的大小来判断。 离子交换系统中电导率的测量要求见表1。

表1 离子交换系统电导率的测量范围

从表1 可以看出，二次蒸汽冷凝液经过三级交换柱后，电导率越来越低，表示废水的净化品质越来越好。

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电导率测量范围取决于电导电极的电极常数，根据被测溶液的性质和电导率范围选择相应的电导电极［4］。

在本项目中，电导率测量量程可以扩大为正常测量范围的两倍，根据以下公式选出相应的电极：

式中 k——电极常数；

S——电导率读数；

σmax——电导率测量最大值。

电导率读数指的是分析仪表上显示的最大读数值，显示读数有1～3 000μS/cm、1～2 000μS/cm挡， 配有电极常数分别为0.1、0.01、0.001、1.0 的电极。 根据工艺要求的测量范围，电导率读数选择1～2 000μS/cm 挡，代入式（1），有：

根据式（2）可以选出与电导率的测量范围相配的电极，见表2。

表2 离子交换系统电导率电极的选配

电导率的测量受温度影响很大， 废水温度低，离子间的运动阻力增大，废水的电导率降低；相反，温度升高，离子的活跃程度增加，废水的电导率增大。 同一种溶液在不同温度下的电导率是不同的，在测量时，将不同温度下的废水电导率补偿成基准温度（25℃）下的电导率值［5］，以消除温度变化对测量准确度的影响。

因此，电极上带有温度补偿电缆，接入到分析仪表上，电导率仪表上的显示值是被测废水补偿成基准温度（25℃）下的电导率值。

3.1.3 安装结构

电极的安装结构有螺纹连接、法兰连接及三夹头连接等多种方式。 在离子交换系统中，电极采用G3/4"螺纹连接。

3.2 变送器的选型

在线电导率仪的变送器称为分析仪表，从现场供给电源配置情况和维护人员的安全性方面考虑，选用24V（DC）四线制仪表，变送器技术指标如下：

显示方式 LED 数字显示

测量范围 0～100μS/cm

分辨率 0.001μS/cm、0.1℃

温补范围（25℃） 自动0～99.9℃

手动0～99.9℃

精度 ±1.0%FS、±0.3℃

电流隔离输出 4～20mA

3.3 电导率装置的安装

电导率装置的安装主要考虑传感器电极的安装。 从电极结构来看，电极不能直接安装在工艺管道上，需带流通池安装，流通池的结构形式根据工艺管道的管径、电极的长度和过程连接形式设计。

电极要充分浸泡在废水中，为防止气泡和废水残渣聚集在电极上，影响电极常数，进而影响测量精度，因此进出流通池的废水流向必须采用低进入高出口方式，工艺主管道的敷设最好采用垂直安装，相应地，废水从流通池底部进料口进入，从高出料口流出。 电极在工艺管道上的安装如图3 所示。

图3 电极在工艺管道上的安装示意图

4 结束语

在离子交换电导率测量系统中，电导率不仅受被测介质废水的温度、浓度、机械压力、腐蚀性的影响，而且与电极的安装方式有很大关系，要准确测量废水电导率，在线电导率仪表的选型、安装和信号传输非常重要。 通过对电导率参数的监测，可以得知放射性废水经过阳柱、阴柱、混柱中的树脂离子交换后，电导率越来越小，废水的品质越来越好。 通过对电导率参数的变化情况还能清晰地判断树脂的正常和失效情况，指导运行人员安装新树脂或卸掉废树脂。