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EP1786000A1 - Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Ionenaustauscherharze - Google Patents

Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Ionenaustauscherharze Download PDF

Info

Publication number
EP1786000A1
EP1786000A1 EP05024365A EP05024365A EP1786000A1 EP 1786000 A1 EP1786000 A1 EP 1786000A1 EP 05024365 A EP05024365 A EP 05024365A EP 05024365 A EP05024365 A EP 05024365A EP 1786000 A1 EP1786000 A1 EP 1786000A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ion exchange
exchange resins
exchange resin
salt
slurry
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05024365A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Horst-Otto Bertholdt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Areva GmbH
Original Assignee
Areva NP GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Areva NP GmbH filed Critical Areva NP GmbH
Priority to EP05024365A priority Critical patent/EP1786000A1/de
Publication of EP1786000A1 publication Critical patent/EP1786000A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28Treating solids
    • G21F9/30Processing

Definitions

  • the invention relates to a method for conditioning radioactive ion exchange resins.
  • Ion exchange resins are used, for example, in the operation of nuclear facilities to clean the coolant of the primary system, ie water. The aim of this cleaning is the avoidance of unwanted deposits, the prevention of corrosion and the reduction of contamination in the primary circuit of the plant.
  • acidic cation exchangers which extract radioactive metal ions, for example cobalt 60, from the primary coolant, basic anion exchangers are also used.
  • spent ion exchange resins Before spent ion exchange resins can be put into a repository, they must be conditioned. This is generally understood as the transfer of a radioactive waste into a final storable form.
  • the object of the invention is to propose a method for conditioning radioactive ion exchange resins, with which the waste volume can be reduced with low equipment and cost.
  • ion exchange resins which are usually present in granular form, mixed with water, that is, a slurry is prepared.
  • a slurry is now preferably passed through a reaction zone at a temperature of more than 30 ° C. in a circuit in which hydroxyl radicals are formed by means of a device present there, whereby the oxidative degradation of the ion exchange resins is considerably accelerated.
  • An overpressure that requires pressure-resistant and therefore expensive containers and pipelines is not required.
  • a plasma is generated by means of the device.
  • the required energy supply can be done in various ways, namely by thermal excitation, by radiation excitation, such as by UV light, and by electrostatic and electromagnetic Fields.
  • a plasma is generated by means of an arc.
  • the oxidative degradation of the ion exchange resins is significantly accelerated by the energetic particles, in particular radicals such as hydroxyl radicals attack not only already formed fragments of the macromolecules but also act decomposing on the surface of macroscopic particles of the ion exchange resins.
  • radicals such as hydroxyl radicals attack not only already formed fragments of the macromolecules but also act decomposing on the surface of macroscopic particles of the ion exchange resins.
  • oxygen-containing oxidants in particular of hydrogen peroxide
  • a very high proportion of hydroxyl radicals is present.
  • the interaction of the resulting radicals and the added oxidizing agent thus results in a considerable acceleration of the oxidative degradation of the ion exchange resins.
  • the majority of the technically relevant resins based on crosslinked styrene-divinylbenzene copolymers which in the case of acidic cation exchanger sulfone, phosphonic or carboxylic acid groups and in the case of basic anion exchangers, eg. B. quaternary ammonium groups or primary, secondary or tertiary ammino groups.
  • the reaction products of the oxidative degradation are mainly CO 2 and water, the CO 2 is discharged from the process cycle.
  • Remains essentially water, in which the acid groups of the acidic exchange resins in the form of the corresponding acids or the ammonium and amino groups of the basic exchange resins are dissolved in the form of corresponding ammonium or amino salts.
  • the volume of waste can be reduced by a factor of about 10 using the proposed method.
  • a device for UV irradiation is present in the reaction section.
  • the energy of the UV radiation is chosen so that a plasma does not arise, at least to a considerable extent.
  • the wavelength range of the UV light is selected such that, on the one hand, covalent bonds of the ion exchange resin are separated and, on the other hand, hydroxyl radicals are formed, for example, from an oxygen-containing oxidizing agent. Even with such a procedure results in a significant acceleration of the oxidative degradation of the ion exchange resins.
  • the above-mentioned reaction products namely mainly CO 2 and water.
  • the solution specified in claim 4 provides, finally, that anodic oxidation of the ion exchange resins or of the molecule fragments formed therefrom is carried out with the device present in the reaction zone.
  • the device essentially comprises at least two electrodes, namely an anode and a cathode.
  • the added oxidizing agent is first effective in this process variant. This separates out of the polymer matrix of the ion exchange resin molecule fragments, which are then further oxidatively degraded at the anode and of course by the oxidant itself.
  • the oxidizing agents used in all process variants are preferably hydrogen peroxide, ammonium peroxide disulfate and gaseously metered-in oxygen, alone or in a mixture, although hydrogen peroxide is particularly preferred.
  • the oxidative decomposition may further by addition a catalyst can be accelerated.
  • a particularly in connection with hydrogen peroxide a significant acceleration of the oxidative degradation causing catalyst are iron-II and / or iron-II salts, Cu-I and / or Cu-II salts or mixtures of said Fe and Cu salts. These catalyze the formation of hydroxyl radicals from hydrogen peroxide. The proportion of these radicals in the reaction mixture is thereby further increased, so that accelerates the oxidative degradation of the ion exchange resins.
  • a portion of the water of the slurry is preferably vaporized during decomposition by energization to thereby further restrict the volume of residual liquid.
  • the energy supplied with one of the above-mentioned facilities used for evaporation so that additional heating devices may not be required.
  • the content of the water in the residual solution is adjusted by evaporation so that the subsequent incorporation of the residual solution into a solid matrix can be carried out without a further additional treatment.
  • the content of the water is in the range of about 10 to 15 wt.% Of the final matrix or the solidified end product.
  • the residual solution present at the end of the reaction is solidified with the aid of a binder, cement preferably being used.
  • Hardening with cement is carried out with the addition of salts whose cations with sulphate ions form a precipitate that is difficult to dissolve in water.
  • the harmful influence of sulfate ions on the solidification of the cement is thereby significantly reduced. Accordingly, a smaller amount of cement is required to bind the residual liquid.
  • alkaline earth oxides and hydroxides used.
  • oxides and / or hydroxides of aluminum and / or silicon may be added.
  • a pH ⁇ 8 preferably from 1 to 3 is set. Under such conditions, the oxidation effect of hydrogen peroxide is particularly pronounced. In addition, all cations and the activity as sulfate salts remain in solution, which facilitates the further processing of the residual solution.
  • a pH of> 7, preferably from 10 to 14 is maintained.
  • Such ratios are self-adjusting due to the basic exchanger groups.
  • Some oxidants, such as hydrogen peroxide, show a reduced oxidation effect in a basic environment. It is now conceivable to arrive by the addition of acids in the acidic range. However, this would have the disadvantage that it would increase the amount of waste to be disposed of.
  • the basic conditions are left and instead of a reduction in pH under these conditions, effective oxidizing agents, preferably oxygen and / or ozone, are used.
  • this procedure produces iron, nickel, chromium and activity hydroxides which are removed from the residual solution by means of a mechanical separation process (filtration, centrifuging, etc.).
  • the drawing shows in a greatly simplified schematized form a plant for the decomposition of ion exchange resins, which comprises a reaction zone or an oxidation reactor 1.
  • This is essentially formed by an example barrel-shaped container.
  • a ring line 2 is connected to the oxidation reactor 1 above and below a ring line 2 .
  • the oxidation reactor 1 can be charged with an aqueous slurry of ion exchange resins.
  • acids such as phosphonic or sulfonic acids are formed from their exchange groups, so that a pH value which is clearly in the acidic range is established on its own.
  • a concentration of hydrogen peroxide of 5 to 10,000 mg / l solution is set.
  • the amount of hydrogen peroxide is based on the particular technique used to generate hydroxyl radicals (underwater plasma, anodic oxidation, UV light).
  • iron (II) / iron (III) ions and / or copper (I) copper (II) ions are added in the form of soluble salts.
  • a concentration of greater than 0.05 mmol / l preferably adjusted from 0.05 to 0.25 mmol / l by continuously or intermittently the slurry is added a corresponding amount.
  • the iron or copper ions are preferably added simultaneously with the hydrogen peroxide.
  • a decomposition of the ion exchange resins into CO 2 , water and a residual solution can be carried out in a relatively short time.
  • a significant acceleration of the oxidative degradation of the resin is made possible by a device 4 arranged in the oxidation reactor 1.
  • the device 4 is a volume range of the reaction mixture Energy supplied eg in the form of electrical current or electromagnetic radiation. This energy supply is generally such that the oxidative processes are accelerated, preferably by formation of hydroxyl radicals.
  • the device 4 serves to generate a plasma.
  • at least two electrodes arranged at a distance from one another, for example made of chromium steel, are used.
  • the distance between the electrodes is selected so that the circulating through the circuit by means of a pump 5 can flow between the electrodes.
  • An alternating current of at least 30V and a frequency of more than 100 Hz is applied to the electrodes.
  • An alternative is a DC operation, in which a voltage of more than 100 V prevails between the electrodes and the current flowing between two opposing electrodes is regulated to values greater than 0.1 A, preferably from 0.1 to approximately 10 A.
  • the arc which forms between at least two electrodes generates a plasma in which, inter alia, hydroxyl radicals are formed which, with cleavage of covalent bonds, entrain an electron from the carbon skeleton of the ion exchange resin or the molecular fragments resulting therefrom.
  • the energy is supplied in the form of a UV irradiation, but their intensity is not sufficient to produce a plasma.
  • the frequency range of the UV source is in the range of 100 nm to 800 nm, preferably from 200 nm to 400 nm.
  • the UV irradiation on the one hand causes a cleavage of covalent bonds of the ion exchange resin or intermediates formed therefrom.
  • hydroxyl radicals are formed from the hydrogen peroxide added as oxidizing agent, which reacts further in accordance with the reaction scheme given above.
  • anodic oxidation is carried out with the aid of the device 4.
  • there are at least two pairs of electrodes that is to say an anode and a cathode, which are connected to a direct current source.
  • the electrode surface is about 100 to 200 cm 2 / l slurry.
  • the electrodes consist for example of solid metal material, graphite and / or, for example, with metals of the Pt group of the PSE or diamond coated material.
  • the reaction mixture is pumped in the circulation, where here, as in the other two process variants, the reaction volume up to 1000 times per hour through the oxidation reactor 1 is performed.
  • reaction products CO 2 and water and next to the from the exchange groups emerging substances such as sulfuric acid, sulfonic acid, phosphoric acid or in the case of basic exchangers ammonium compounds, possibly also nitrite and nitrate ions.
  • the carbon dioxide formed during the oxidative degradation is removed during the degradation process via a discharge port 6 of the reaction mixture.
  • the power supply via the device 4 can be controlled so that a portion of the water of the slurry evaporates, the water vapor exiting the oxidation reactor, for example via said opening 6.
  • a pH of equal to or less than 8, preferably from 1 to 3 is maintained.
  • the oxidizing agent used is preferably hydrogen peroxide, which is very effective at the indicated pH values, in particular at pH values of 1 to 3.
  • the sulfates or phosphates formed from the exchanger groups are soluble in the acidic and slightly basic range. A reduction in volume of such residual solutions is carried out by evaporation.
  • cation and anion exchange resins accumulate simultaneously in a nuclear installation, so that it is expedient to condition the two resins together, but to choose the mixing ratio of the resins such that acidic conditions are established in the slurry.
  • a residual solution is present in which all reaction products are in dissolved form, s that excess water is expediently carried out by evaporation.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Ionenaustauscherharze, bei dem das Ionenaustauscherharz in einer wässrigen, wenigstens ein Oxidationsmittel enthaltenden Aufschlämmung im Kreislauf durch eine Reaktionsstrecke hindurchgeführt wird, in der mittels einer dort vorhandenen Einrichtung (4) Hydroxylradikale gebildet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Ionenaustauscherharze. Ionenaustauscherharze werden beispielsweise beim Betrieb kerntechnischer Anlagen dazu verwendet, das Kühlmittel des Primärsystems, also Wasser, zu reinigen. Ziel dieser Reinigung ist die Vermeidung von nicht gewünschten Ablagerungen, die Vermeidung von Korrosionen sowie die Verminderung des Kontaminationsaufbaus im Primärkreislauf der Anlage. Neben sauren Kationenaustauschern, die dem Primärkühlmittel unter anderem radioaktive Metallionen, beispielsweise Kobalt 60 entziehen, werden auch basische Anionenaustauscher eingesetzt. Bevor verbrauchte Ionenaustauscherharze in ein Endlager verbracht werden können, müssen sie konditioniert werden. Darunter versteht man allgemein die Überführung eines radioaktiven Abfalls in eine endlagerungsfähige Form. Im Falle kerntechnischer Anlagen werden verbrauchte Ionenaustauscherharze zunächst in anlageneigenen Harzabfallbehältern aufbewahrt und später zum Zwecke der Zwischenlagerung getrocknet und zum Zwecke der Endlagerung in eine feste Matrix eingebettet, beispielsweise einzementiert. Die Einbettung der Ionentauscherharze in eine feste Matrix führt zu einer Volumenvermehrung um mehr als das Sechsfache. Auf Grund der großen Menge anfallenden Abfalls ergeben sich für den Betreiber eines Kernkraftwerks erhebliche Kosten für die Zwischen- oder Endlagerung. Es wurden daher Konzepte entwickelt, das Volumen der Ionenaustauscherharze zu verringern. Eines dieser Konzepte sieht eine Verbrennung vor. Dies erfordert jedoch aufwändige Filteranlagen, um einen Austritt von Radioaktivität in die Umgebung zu verhindern. Ein zweites Konzept sieht eine Nassoxidation der Harze unter sehr hohem Druck vor. Bei beiden Konzepten ist der technische Aufwand so hoch, dass Kernkraftwerksbetreiber bisher auf konventionelle Lösungen zurückgreifen, nämlich zum einen Trocknen der Harze und Zwischenlagerung in Fässern und zum anderen Einbindung der unbehandelten Harze in eine feste Matrix wie z.B. Zement oder Bitumen und Endlagerung in Fässern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Ionenaustauscherharze vorzuschlagen, mit dem bei geringem gerätetechnischen und Kostenaufwand das Abfallvolumen verringert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Ionenaustauscherharze, die üblicherweise in Granulatform vorliegen, mit Wasser vermischt, also eine Aufschlämmung hergestellt wird. Eine derartige Aufschlämmung wird nun vorzugsweise bei einer Temperatur von mehr als 30 °C in einem Kreislauf durch eine Reaktionsstrecke hindurchgeführt, in der mittels einer dort vorhandenen Einrichtung Hydroxylradikale gebildet werden, wodurch der oxidative Abbau der Ionenaustauscherharze erheblich beschleunigt wird. Ein Überdruck, der druckfeste und dementsprechend teure Behälter und Rohrleitungen erfordert ist dabei nicht erforderlich.
  • Bei der in Anspruch 2 angegebenen Lösung wird mit Hilfe der Einrichtung ein Plasma erzeugt. Die dazu erforderliche Energiezufuhr kann auf verschiedene Weise erfolgen, nämlich durch thermische Anregung, durch Strahlungsanregung, etwa durch UV-Licht, sowie durch elektrostatische und elektromagnetische Felder. Vorzugsweise wird ein Plasma mit Hilfe eines Lichtbogens erzeugt. Durch die Energiezufuhr entstehen aus Wassermolekülen, Molekülen des Oxidationsmittels und den Makromolekülen des Ionenaustauscherharzes sowie aus Bruchstücken der Makromoleküle ionisierte Teilchen, Elektronen und Radikale. Dadurch wird der oxidative Abbau der Ionenaustauscherharze erheblich beschleunigt, indem die energiereichen Teilchen, insbesondere Radikale wie Hydroxylradikale nicht nur bereits gebildete Bruchstücke der Makromoleküle angreifen sondern auch auf die Oberfläche von makroskopischen Partikeln der Ionenaustauscherharze zersetzend einwirken. Bei Anwesenheit sauerstoffhaltiger Oxidationsmittel, insbesondere von Wasserstoffperoxid ist ein sehr hoher Anteil von Hydroxylradikalen vorhanden. Aus dem Zusammenwirken der entstehenden Radikale und dem zugesetzten Oxidationsmittel ergibt sich somit eine erhebliche Beschleunigung des oxidativen Abbaus der Ionenaustauscherharze. Die Mehrzahl der technisch relevanten Harze basiert auf vernetzten Styrol-Divinylbenzol-Kopolymeren, welche im Falle sauerer Kationenaustauscher Sulfon-, Phosphon- oder Karbonsäuregruppen und im Falle basischer Anionenaustauscher, z. B. quartäre Ammonium-Gruppen oder primäre, sekundäre oder tertiäre Ammino-Gruppen aufweisen. Als Reaktionsprodukte des oxidativen Abbaus entstehen hauptsächlich CO2 und Wasser, wobei das CO2 aus dem Verfahrenskreislauf ausgeschleust wird. Übrig bleibt im Wesentlichen Wasser, in dem die Säuregruppen der sauren Austauscherharze in Form der entsprechenden Säuren bzw. die Ammonium- und Aminogruppen der basischen Austauscherharze in Form entsprechender Ammonium- bzw. Aminosalze gelöst sind. Das Abfallvolumen kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens etwa um den Faktor 10 verringert werden.
  • Bei der Lösung gemäß Anspruch 3 ist in der Reaktionsstrecke eine Einrichtung zur UV-Bestrahlung vorhanden. Im Gegensatz zu der weiter oben beschriebenen Verfahrensweise wird die Energie der UV-Strahlung so gewählt, dass ein Plasma zumindest im merklichen Ausmaße nicht entsteht. Der Wellenlängenbereich des UV-Lichts ist so gewählt, dass zum einen kovalente Bindungen des Ionenaustauscherharzes aufgetrennt und zum anderen z.B. aus einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel Hydroxylradikale gebildet werden. Auch bei einer solchen Verfahrensweise ergibt sich eine erhebliche Beschleunigung des oxidativen Abbaus der Ionenaustauscherharze. Auch hier entstehen die oben schon erwähnten Reaktionsprodukte, nämlich hauptsächlich CO2 und Wasser.
  • Die in Anspruch 4 angegebene Lösung sieht schließlich vor, dass mit der in der Reaktionsstrecke vorhandenen Einrichtung eine anodische Oxidation der Ionenaustauscherharze bzw. der daraus entstandenen Molekülbruchstücke durchgeführt wird. Die Einrichtung umfasst im Wesentlichen mindestens zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode. Zu Beginn des Abbaus der Ionenaustauscherharze ist bei dieser Verfahrensvariante zunächst das zugesetzte Oxidationsmittel wirksam. Dieses trennt aus der Polymermatrix des Ionenaustauscherharzes Molekülbruchstücke heraus, die dann an der Anode und natürlich auch durch das Oxidationsmittel selbst weiter oxidativ abgebaut werden.
  • Als Oxidationsmittel werden bei allen Verfahrensvarianten vorzugsweise Wasserstoffperoxid, Ammoniumperoxid-Disulfat und gasförmig zudosierter Sauerstoff allein oder in Mischung eingesetzt, wobei jedoch Wasserstoffperoxid besonders bevorzugt ist. Die oxidative Zersetzung kann weiterhin durch Zusatz eines Katalysators beschleunigt werden. Ein insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoffperoxid eine erhebliche Beschleunigung des oxidativen Abbaus bewirkender Katalysator sind Eisen-II und/oder Eisen-II-Salze, Cu-I und/oder Cu-II-Salze oder Mischungen der genannten Fe- und Cu-Salze. Diese katalysieren die Bildung von Hydroxylradikalen aus Wasserstoffperoxid. Der Anteil an diesen Radikalen in der Reaktionsmischung wird dadurch weiter erhöht, so dass sich der oxidative Abbau der Ionenaustauscherharze beschleunigt.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Teil des Wassers der Aufschlämmung vorzugsweise während der Zersetzung durch Energiezufuhr verdampft wird, um dadurch das Volumen der Restflüssigkeit weiter einzuengen. Vorzugsweise dient zur Verdampfung die mit einer der oben genannten Einrichtungen zugeführte Energie, so dass zusätzliche Heizungseinrichtungen gegebenenfalls nicht erforderlich sind. Der Gehalt des Wassers in der Restlösung wird durch Verdampfung so eingestellt, dass die anschließende Einbindung der Restlösung in eine feste Matrix ohne eine weitere Zusatzbehandlung durchgeführt werden kann. Der Gehalt des Wassers liegt dabei im Bereich von etwa 10 bis 15 Gew. % der Endmatrix bzw. des verfestigten Endprodukts.
  • Die am Reaktionsende vorliegende Restlösung wird mit Hilfe eines Bindemittels verfestigt, wobei vorzugsweise Zement verwendet wird. Die Verfestigung mit Zement wird unter Zusatz von Salzen vorgenommen, deren Kationen mit Sulfationen einen in Wasser schwer löslichen Niederschlag bilden. Der schädliche Einfluss der Sulfationen auf die Verfestigung des Zements wird dadurch deutlich verringert. Dementsprechend ist eine geringere Menge an Zement erforderlich, um die Restflüssigkeit zu binden. Vorzugsweise werden Erdalkalioxide und -hydroxide eingesetzt. Um die Druckfestigkeit des Zement-Endprodukts zu erhöhen, können Oxide und/oder Hydroxide des Aluminiums und/oder des Siliziums zugesetzt werden.
  • Bei der oxidativen Zersetzung von Kationen-Austauscherharzen wird ein pH-Wert ≤ 8, vorzugsweise von 1 bis 3 eingestellt. Bei solchen Bedingungen ist die Oxidationswirkung von Wasserstoffperoxid besonders stark ausgeprägt. Außerdem bleiben alle Kationen sowie die Aktivität als Sulfatsalze in Lösung, was die Weiterverarbeitung der Restlösung erleichtert.
  • Im Falle eines Anionen-Austauscherharzes wird ein pH-Wert > 7, vorzugsweise von 10 bis 14 eingehalten. Solche Verhältnisse stellen sich aufgrund der basischen Austauschergruppen von selbst ein. Manche Oxidationsmittel, etwa Wasserstoffperoxid, zeigen in basischer Umgebung eine reduzierte Oxidationswirkung. Es ist nun denkbar, durch Zugabe von Säuren in den sauren Bereich zu gelangen. Dies hätte aber den Nachteil, dass damit die zu entsorgende Abfallmenge erhöht würde. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante werden daher die basischen Verhältnisse belassen und statt einer pH-Wertreduzierung bei diesen Bedingungen wirksame Oxidationsmittel, vorzugsweise Sauerstoff und/oder Ozon eingesetzt. Bei dieser Verfahrensweise fallen im Zuge der oxidativen Zersetzung der Ionenaustauscherharze Eisen-, Nickel-, Chrom-, Aktivitäts-Hydroxide an, die mittels eines mechanischen Trennverfahrens (Filtration, Zentrifugieren etc.) aus der Restlösung entfernt werden.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
  • Die Zeichnung zeigt in stark vereinfachter schematisierter Form eine Anlage zur Zersetzung von Ionenaustauscherharzen, welche eine Reaktionsstrecke bzw. einen Oxidationsreaktor 1 umfasst. Dieser ist im wesentlichen von einem beispielsweise tonnenförmigen Behälter gebildet. An den Oxidationsreaktor 1 ist ober- und unterseits eine Ringleitung 2 angeschlossen. Über eine Öffnung 3 ist der Oxidationsreaktor 1 mit einer wässrigen Aufschlämmung von Ionenaustauscherharzen beschickbar. Bei der oxidativen Behandlung von sauren Kationenaustauscherharzen entstehen aus deren Austauschergruppen Säuren wie Phosphon- oder Sulfonsäuren, so dass sich hier von alleine ein pH-Wert einstellt, der deutlich im sauren Bereich liegt. Im laufenden Prozess der oxidativen Ionenaustauscherharzzersetzung wird eine Konzentration an Wasserstoffperoxid von 5 bis 10.000 mg/l Lösung eingestellt. Die Menge an Wasserstoffperoxid orientiert sich hierbei an der jeweils verwendeten Technik zur Erzeugung von Hydroxylradikalen (Unterwasser-Plasma, anodische Oxidation, UV-Licht). Zur Reaktionsbeschleunigung werden Eisen-II/Eisen-III-Ionen und/oder Kupfer-I/Kupfer-II-ionen in Form löslicher Salze zudosiert. Dabei wird eine Konzentration von größer 0,05 mMol/l, vorzugsweise von 0,05 bis 0,25 mmol/l eingestellt, indem stetig oder intermittierend der Aufschlämmung eine entsprechende Menge zudosiert wird. Die Eisen- oder Kupferionen werden vorzugsweise gleichzeitig mit dem Wasserstoffperoxid zudosiert.
  • Mit der beschriebenen Verfahrensweise lässt sich eine Zersetzung der Ionenaustauscherharze zu CO2, Wasser und einer Restlösung in bereits relativ kurzer Zeit durchführen. Eine erhebliche Beschleunigung des oxidativen Harzabbaus wird durch eine im Oxidationsreaktor 1 angeordnete Einrichtung 4 ermöglicht. Mit der Einrichtung 4 wird einem Volumenbereich der Reaktionsmischung Energie z.B. in Form elektrischen Stroms oder elektromagnetischer Strahlung zugeführt. Diese Energiezufuhr erfolgt ganz allgemein derart, dass die oxidativen Prozesse, vorzugsweise durch Bildung von Hydroxylradikalen beschleunigt werden. Bei einer ersten Verfahrensvariante dient die Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Plasmas. Dazu werden mindestens zwei mit Abstand zueinander angeordnete Elektroden etwa aus Chromstahl zum Einsatz gebracht. Der Abstand zwischen den Elektroden ist so gewählt, dass die mit Hilfe einer Pumpe 5 im Kreislauf zirkulierende Aufschlämmung zwischen den Elektroden hindurchströmen kann. An die Elektroden wird ein Wechselstrom von mindestens 30V und eine Frequenz von mehr als 100 Hz angelegt. Eine Alternative ist ein Gleichstrombetrieb, bei dem zwischen den Elektroden eine Spannung von mehr als 100 V herrscht und der zwischen zwei gegenpoligen Elektroden fließende Strom auf Werte größer 0,1 A, vorzugsweise von 0,1 bis etwa 10 A eingeregelt wird. Der zwischen wenigstens zwei Elektroden sich ausbildende Lichtbogen erzeugt ein Plasma in dem unter anderem Hydroxylradikale entstehen, welche unter Spaltung kovalenter Bindungen dem Kohlenstoffgerüst des Ionenaustauscherharzes oder den daraus hervorgegangenen Molekülbruchstücken ein Elektron entreißen. Durch Einsatz von Eisen-II und/oder Eisen-III-Ionen wird eine Radikalkettenrektion in Gang gesetzt bzw. beschleunigt. Diese lässt sich vereinfacht wie folgt wiedergeben: H 2 O 2 + Fe 2 + Fe 3 + + OH - + OH
    Figure imgb0001
    OH + RH H 2 O + R
    Figure imgb0002
    R + Fe 3 + Fe 2 + + R
    Figure imgb0003
    OH + Fe 2 + Fe 3 + + OH -
    Figure imgb0004
    2 R R - R
    Figure imgb0005
    R + Fe 2 + + H + Fe 3 + + RH
    Figure imgb0006
  • Bei einer zweiten Verfahrensvariante erfolgt die Energiezufuhr in Form einer UV-Bestrahlung, wobei aber deren Intensität nicht ausreicht um ein Plasma zu erzeugen. Der Frequenzbereich der UV-Quelle liegt dabei im Bereich von 100 nm bis 800 nm, vorzugsweise von 200 nm bis 400 nm. Die UV-Bestrahlung bewirkt zum einen eine Spaltung kovalenter Bindungen des Ionenaustauscherharzes oder daraus gebildeter Zwischenprodukte. Zum anderen werden aus dem als Oxidationsmittel zugesetzten Wasserstoffperoxid Hydroxylradikale gebildet, die etwa entsprechend dem oben angegebenen Reaktionsschema weiter reagieren.
  • Bei einer dritten Verfahrensvariante schließlich wird mit Hilfe der Einrichtung 4 eine anodische Oxidation durchgeführt. Dazu sind mindestens zwei Elektrodenpaare, also eine Anode und eine Katode vorhanden, welche an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind. Bei einem Stromfluss von 20 bis 40 A und einer Spannung von 5 bis 20 V beträgt die Elektrodenfläche ca. 100 bis 200 cm2/l Aufschlämmung. Die Elektroden bestehen beispielsweise aus metallischem Vollmaterial , Graphit und/oder beispielsweise aus mit Metallen der Pt-Gruppe des PSE oder Diamant beschichtetem Material. Auch bei dieser Verfahrensvariante wird die Reaktionsmischung im Kreislauf gepumpt wobei hier, wie auch bei den beiden anderen Verfahrensvarianten, das Reaktionsvolumen bis zu 1000 Mal pro Stunde durch den Oxidationsreaktor 1 geführt wird.
  • Bei allen drei Verfahrensvarianten entstehen als Reaktionsprodukte CO2 und Wasser und daneben die aus den Austauschergruppen hervorgegangenen Stoffe wie Schwefelsäure, Sulfonsäure, Phosphorsäure oder im Falle von basischen Austauschern Ammoniumverbindungen, eventuell auch Nitrit- und Nitrationen. Das während des oxidativen Abbaus gebildete Kohlendioxid wird während des Abbauprozesses über eine Ablassöffnung 6 der Reaktionsmischung entzogen. Die Energiezufuhr über die Einrichtung 4 kann so gesteuert werden, dass ein Teil des Wassers der Aufschlämmung verdampft, wobei der Wasserdampf den Oxidationsreaktor beispielsweise über die genannte Öffnung 6 verlässt.
  • Bei der Konditionierung von Kationen-Austauscherharzen wird ein pH-Wert von gleich oder kleiner 8, vorzugsweise von 1 bis 3 eingehalten. Solche pH-Werte bzw. saure Verhältnisse stellen sich bei den genannten Austauscherharzen in der Regel von selbst ein, so dass eine Zugabe von Säuren, die das zu entsorgende Abfallvolumen vergrößern würden, nicht erforderlich ist. Als Oxidationsmittel wird bevorzugt Wasserstoffperoxid verwendet, das bei den angegebenen pH-Werten, insbesondere bei pH-Werten von 1 bis 3 sehr effektiv ist. Die aus den Austauschergruppen gebildeten Sulfate oder Phosphate sind im sauren und leicht basischen Bereich löslich. Eine Volumenverringerung derartiger Restlösungen erfolgt durch Verdampfen. Im Falle der Konditionierung von Anionenaustauscherharzen herrschen aufgrund der basischen Austauschergruppen basische Verhältnisse bzw. pH-Werte bis 12, insbesondere von 10 bis 12 vor. Eine pH-Wert-Einstellung durch Zudosieren einer Base, was auch hier die zu entsorgenden Abfallmenge erhöhen würde, ist in der Regel nicht erforderlich. Als im basischen Bereich effektiv arbeitende Oxidationsmittel werden der Aufschlämmung Sauerstoff und/oder Ozon gasförmig zudosiert. In der Restlösung enthaltende Metalle wie beispielsweise Eisen, Nickel oder Chrom fallen im alkalischen Bereich in Form ihrer Hydroxide aus. Eine Volumenreduzierung kann daher durch eine Filtration, eine Zentrifugation oder ein sonstiges Trennverfahren erfolgen, wobei der Restlösung bzw. der Restsuspension Wasser entzogen und diese danach mit Hilfe eines Bindemittels verfestigt werden. Meist fallen Kationen- und Anionentauscherharze in einer kerntechnischen Anlage gleichzeitig an, so dass es zweckmäßig ist, die beiden Harze gemeinsam zu konditionieren, dabei aber das Mischungsverhältnis der Harze so zu wählen, dass sich in der Aufschlämmung saure Verhältnisse einstellen. Am Ende der Konditionierung liegt dann eine Restlösung vor, in sämtliche Reaktionsprodukte in gelöster Form vorliegen, s dass überschüssiges Wasser zweckmäßigerweise durch eine Verdampfung erfolgt.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Ionenaustauscherharze, bei dem
    das Ionenaustauscherharz in einer wässrigen, wenigstens ein Oxidationsmittel enthaltenden Aufschlämmung im Kreislauf durch eine Reaktionsstrecke hindurchgeführt wird, in der mittels einer dort vorhandenen Einrichtung (4) Hydroxylradikale gebildet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit Hilfe der Einrichtung (4) ein Plasma erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Aufschlämmung mit Hilfe der Einrichtung (4) mit UV-Licht bestrahlt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit Hilfe der Einrichtung (4) eine anodische Oxidation der Ionenaustauscherharze durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,,
    gekennzeichnet durch
    die Verwendung wenigstens eines Oxidationsmittels aus der Gruppe Wasserstoffperoxid, Ammoniumperoxidisulfat, Sauerstoff und Ozon.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Zersetzung des Ionenaustauscherharzes unter Zusatz wenigstens eines Salzes aus der Gruppe Fe-II-, Fe-III-, Cu-I-, und Cu-II-Salz durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die mit der Einrichtung (4) zugeführte Energie zur Verdampfung eines Teils des Wassers der Aufschlämmung verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das bei der Zersetzung des Ionenaustauscherharzes gebildete CO2, gegebenenfalls zusammen mit Wasserdampf, aus der Aufschlämmung entfernt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine als Reaktionsprodukt verbleibende Restlösung durch Zusatz eines Bindemittels verfestigt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Bindemittel Zement verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zusätzlich ein Salz zugesetzt wird, dessen Kation mit Sulfationen ein in Wasser schwerlösliches Salz bildet.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Erdalkalisalz zugesetzt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zusätzlich oxydische Produkte zugesetzt werden, die die Druckfestigkeit des Zement-Endproduktes erhöht.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Oxide und/oder Hydroxide des Aluminiums und/oder Siliziums zugesetzt werden.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem im Falle eines Kationen-Austauscherharzes ein pH-Wert ≤ 8 eingehalten wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein pH-Wert von 1 bis 3 eingestellt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem im Falle eines Anionen-Austauscherharzes ein pH-Wert > 7 eingehalten wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein pH-Wert von 10 bis 12 eingestellt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem als Oxidationsmittel Sauerstoff und/oder Ozon eingesetzt werden.
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