改性电化学体系在放射性金属废物表面去污中的应用研究

施虎林

（中核四川环保工程有限责任公司，四川 广元 628000）

传统的电解去污系统以放射性金属废物为阳极电极，因此当在去污后处理放射性金属废料时，放射性扩散是一个严重的问题。各种形状的放射性金属废物由于在电解反应区域反应不足导致很难去污。电化学去污过程中使用了硫酸、磷酸、硫酸钠等各种电解质。其中，如果使用中性盐电解质，则不需要中和二次废物，并且产生的放射性核素沉积物易于过滤处理。本研究的目的是研究同时使用正极和负极的改良电化学去污工艺对放射性金属废物去污的适用操作参数，如电流密度、反应时间、电解质浓度等。

1 实验材料和方法

设计并制造了小型和大型实验室规模的电化学去污装置。一个小型电化学去污装置由可编程数字直流电子装载机、磁力搅拌器、电极支架和通风系统组成。该实验装置的电极面积为30 cm2，电流密度为0.013 A/cm2。5 个反应器和10 个电极支撑体被设计用于同时使用，如图1 所示。

图1 小型电化学去污装置

在小型装置的基础上，设计制造了大型实验室电化学去污系统。该系统由废弃物收集部分、超声波-电化学去污反应器和废水循环部分组成。由于超声波振荡器附着在电解去污反应器的底部，所以没有必要安装额外的洗涤槽。该系统也被设计为通过金属废物的循环来净化两侧的金属废物[1]。大型实验室规模改造电化学去污系统如图2 所示。

图2 大型实验室规模改造电化学去污系统

2 实验方法和分析

在小型系统中采用碳钢作为模拟金属废物，尺寸为30 mm×70 mm×2 mm，在大型实验室尺度的电化学改性系统中尺寸为100 mm×200 mm×3 mm。常规工艺采用模拟金属废料作为阳极，钛作为阴极。另一方面，改进的工艺采用因科镍和哈氏合金作为阳极，钛作为阴极，在两个电极中间安装碳钢。制备浓度为0.5～1.7 mol/L 的硫酸钠溶液，室温下实验时间为10～60 min，电流密度为0.06～0.41 A/cm2。对特征进行分析，如去污后金属废物的质量损失和厚度变化[2]。大型实验室尺度改造电化学去污系统原理如图3 所示。

图3 大型实验室尺度改造电化学去污系统原理图

3 结果

3.1 电化学去污方法的影响

常规和改进的电解去污实验是在浓度为1.7 mol/L的硫酸钠溶液中进行，电流密度为0.3 A/cm2。实验条件如表1 所示。

表1 常规和改性电化学去污实验条件

研究结果表明：在电流密度为0.3 A/cm2、硫酸钠浓度为1.7 mol/L 的条件下，改性电解去污系统的金属废弃物质量损失为7.7 mg/m2，厚度变化为9.8 μm，而在常规系统中分别为2.9 mg/m2和3.7 μm。说明改性电化学去污优于传统去污效果。

3.2 反应时间的影响

探究了改进电解去污实验的最佳去污时间，分别使用哈氏合金和钛模拟金属废物的阳极和阴极。实验条件如表2 所示。

表2 实验条件对去污反应时间的影响

图4 展示了上述条件下模拟金属废料的厚度变化图。随着反应时间从10 min 增长到60 min，金属废料的腐蚀深度变化从5.2 μm 增长到30.5 μm。30 min 是一个适宜的反应时间，金属废料表面腐蚀为16 μm。

图4 反应时间与腐蚀深度的关系图

3.3 对电流密度和电去污的影响

为了找到中性电解质的最佳浓度和电流密度，在浓度为0.5～1.7 mol/L 的硫酸钠溶液中进行了改进的电解去污实验，其中电流密度为0.06～0.41 A/cm2。实验条件如表3 所示。

表3 电流密度和电解液浓度选择的实验条件

图5 为模拟金属废物在上述条件下的不同腐蚀深度变化曲线图。硫酸钠浓度从0.5 mol/L 增加到1.7 mol/L，电流密度从0.06 A/cm2增加到0.41 A/cm2，模拟金属的腐蚀深度从0.4 μm 变化到15.8 μm，去污效率随电流密度的增大而增大。当电流密度为0.4 A/cm2，硫酸钠浓度为1.5 mol/L 时，金属废料表面腐蚀深度为15.8 μm。

3.4 实验装置规模的影响

基于小型改进型去污实验中的操作参数，进行了放大效应的去污效率实验。实验条件如表4 所示。

表4 扩大研究的实验条件

在小规模实验中，碳钢的厚度变化为12 μm，而在放大规模实验中，碳钢的厚度变化为11.4 μm，这意味着尺寸增加不会对去污效果产生不利影响。

4 结论

在硫酸钠溶液中对模拟金属废物碳钢进行了常规电解去污实验和改进电解去污实验。研究了反应时间、电流密度和电解质浓度对改性电解去污系统去除模拟放射性金属废物表面污染的影响。结果显示，改性电化学去污工艺通过施加不同的阳极材料，产生更高的感应电动势，比传统去污工艺更有效。当实验条件为硫酸钠浓度为0.5 mol/L，电流密度为0.4 A/cm2，反应时间为30 min，放射性金属废料的主要材料碳钢的腐蚀深度变化为16 μm，预计可去除放射性金属废料中的大部分表面污染。实验结果表明，小型和大型电化学改性体系对金属废物的去污效果基本一致。这种改进的电解去污系统的应用有望在不久的将来对放射性金属废物的去污发挥相当大的作用。