施虎林

（中核四川環(huán)保工程有限責任公司，四川 廣元 628000）

傳統(tǒng)的電解去污系統(tǒng)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(yīng)區(qū)域反應(yīng)不足導(dǎo)致很難去污。電化學(xué)去污過程中使用了硫酸、磷酸、硫酸鈉等各種電解質(zhì)。其中，如果使用中性鹽電解質(zhì)，則不需要中和二次廢物，并且產(chǎn)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(xué)去污工藝對放射性金屬廢物去污的適用操作參數(shù)，如電流密度、反應(yīng)時間、電解質(zhì)濃度等。

1 實驗材料和方法

設(shè)計并制造了小型和大型實驗室規(guī)模的電化學(xué)去污裝置。一個小型電化學(xué)去污裝置由可編程數(shù)字直流電子裝載機、磁力攪拌器、電極支架和通風系統(tǒng)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(yīng)器和10 個電極支撐體被設(shè)計用于同時使用，如圖1 所示。

圖1 小型電化學(xué)去污裝置

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

圖2 大型實驗室規(guī)模改造電化學(xué)去污系統(tǒng)

2 實驗方法和分析

在小型系統(tǒng)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(xué)改性系統(tǒng)中尺寸為100 mm×200 mm×3 mm。常規(guī)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(zhì)量損失和厚度變化[2]。大型實驗室尺度改造電化學(xué)去污系統(tǒng)原理如圖3 所示。

圖3 大型實驗室尺度改造電化學(xué)去污系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)果

3.1 電化學(xué)去污方法的影響

常規(guī)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(guī)和改性電化學(xué)去污實驗條件

研究結(jié)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(tǒng)的金屬廢棄物質(zhì)量損失為7.7 mg/m2，厚度變化為9.8 μm，而在常規(guī)系統(tǒng)中分別為2.9 mg/m2和3.7 μm。說明改性電化學(xué)去污優(yōu)于傳統(tǒng)去污效果。

3.2 反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)時間，金屬廢料表面腐蝕為16 μm。

圖4 反應(yīng)時間與腐蝕深度的關(guān)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(zhì)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(guī)模的影響

基于小型改進型去污實驗中的操作參數(shù)，進行了放大效應(yīng)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(guī)模實驗中，碳鋼的厚度變化為12 μm，而在放大規(guī)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(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)論

在硫酸鈉溶液中對模擬金屬廢物碳鋼進行了常規(guī)電解去污實驗和改進電解去污實驗。研究了反應(yīng)時間、電流密度和電解質(zhì)濃度對改性電解去污系統(tǒng)去除模擬放射性金屬廢物表面污染的影響。結(jié)果顯示，改性電化學(xué)去污工藝通過施加不同的陽極材料，產(chǎn)生更高的感應(yīng)電動勢，比傳統(tǒng)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(yīng)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(yù)計可去除放射性金屬廢料中的大部分表面污染。實驗結(jié)果表明，小型和大型電化學(xué)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(tǒng)的應(yīng)用有望在不久的將來對放射性金屬廢物的去污發(fā)揮相當大的作用。