Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности

Сенченко В.А., Магдыч Е.А., Лямцева И.В.

Лабораторный практикум

по дисциплине

«Теоретические основы обращения с РАО»

Севастополь

2013 г.

Сенченко В.А., Магдыч Е.А., Лямцева И.В.

Лабораторный практикум по дисциплине: «Теоретические основы обращения с радиоактивными отходами:» Учебно-методическое пособие. – Севастополь: СНУЯЭиП, 2013. – 24с.

Рецензенты: к.пед.н., доцент, зав. кафедрой ХТ АЭС С.А. Федорова

старший преподаватель кафедры

дозиметрии ГО ХИ Поцелуев Е.Ф,

ст. преподаватель кафедры ХТЯТЦ И.С. Апостол

Введение

Практикум по дисциплине «Теоретические основы обращения радиоактивными отходами» предназначен для студентов очной формы подготовки, по специальности 7.091609 «Химическая технология редких рассеянных элементов и материалов на их основе». Практикум составлен в строгом соответствии с программой курса. Данное учебное пособие знакомит студентов на лабораторной работе с модельными установками и химическими процессами, протекающими при обращении с РАО.

Выполняя эксперименты, студенты приобретают навыки работы с основными приборами, оборудованием и системами регулирования и контроля процессов, которые используются в производствах направленных на переработку РАО. Вместе с тем у них вырабатывается умение производить основные технологические расчеты.

В теоретической части каждой работы кратко рассмотрены основные закономерности и особенности процесса, а затем подробно порядок выполнения лабораторной работы и порядок расчета основных показателей процесса. Объем большинства работ рассчитан на четырехчасовое занятие. Оно включает сдачу теоретического материала, выполнение эксперимента, расчет и оформление работы, а так же ее защиту.

Лабораторная работа №1 Исследование процесса ионообменной сорбции в динамическом режиме

Целью предполагаемой работы по исследованию массообменных процессов является ознакомление студентов с процессами ионного обмена (ионообменной сорбции) – как одного из основных видов массообменных процессов в химической технологии.

Теоретическая часть

Ионный обмен – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита. Метод ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать различные химические соединения, очищать поверхностные и сточные воды. Реакции обмена происходят в воде, содержащейся в ионите; её обычно называют гелевой водой. Содержание воды в ионите (влагосодержание) может составить более 50% его общей массы. Ионный обмен является основой большого количества технологических процессов, главные из которых: умягчение, химобессоливание и разделение. В ионном обмене в качестве адсорбента используются нерастворимые в воде и обычных растворителях полиэлектролиты – ионообменные смолы (иониты). Синтетические ионообменные смолы – это нерастворимые в воде органические высокомолекулярные соединения. В зависимости от типа ионогенных групп иониты подразделяются на катиониты (катионообменные смолы), содержащие в качестве подвижного иона (противоиона) катионы, и на аниониты ( анионообменные смолы), содержащие в качестве подвижного иона анионы. К катионитам относятся такие марки, как: Amberlite IR 120, Dowex HCR, Duolite C 20, Lewatit S 100, Ку-2-8. К анионитам относятся иониты марок – Duolite A 101, Duolite A 102, Duolite A 378, Duolite A 365. Катиониты и аниониты в зависимости от константы ионизации ионообменных групп классифицируются по силе кислотности (основности) или по типу ионогенных групп. Различают следующие виды ионитов:

- сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO₃H⁺, и сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания или третичные аминогруппы;

- слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные СООН^- и фенольные группы, диссоциирующие при рН > 7, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные и вторичные аминогруппы, диссоциирующие при рН < 7;

- иониты амфотерные, проявляющие свойства сильных и слабых кислот или оснований.

Сильнокислотные катиониты позволяют проводить ионный обмен в щелочной, кислой и нейтральной средах, а слабокислотные и промежуточного типа – только в щелочных и нейтральных растворах.

Сильноосновные аниониты могут поглощать любые анионы. Слабоосновные аниониты обменивают анионы сильных кислот на ионы слабых кислот. Основное достоинство сильнокислотных и сильноосновных ионитов – постоянство их обменной емкости в широком интервале рН.

Реакции ионного обмена протекают по следующей схеме при контакте с катионитом:

RH + Na⁺ ↔ RNa + H⁺ (1)

При контакте с анионитом:

R-OH + Cl⁺ ↔RCl + OH^- (2)

Среди основных характеристик ионитов можно выделить две – селективность и емкость.

Селективность – это свойство преимущественного поглощения ионитом противоионов одного сорт по сравнению с другими противоионами.

Емкость – это количественная мера способности ионита поглощать противоионы. Емкость определяет количество ионообменного материала, необходимого для данной конкретной цели. При идеальных условиях емкость определенного количества ионита является постоянной величиной, которая не зависит от природы противоионов и от состояния ионита (размер зерна и т.д). Емкость разделяется на полную обменную емкость (ПОЕ) и рабочую обменную емкость (РОЕ) – часть полной обменной емкости, используемой в процессе обмена. Величина РОЕ зависит от следующих факторов: концентрации и свойств сорбируемых ионов, скорости фильтрования, температуры, высоты слоя ионита, типа, концентрации и количества регенерационного раствора. К другим свойствам, которыми должны обладать иониты относятся: пористость, стабильность и срок службы, химическая стабильность матрицы, термическая устойчивость активных групп, механическая и осмотическая стабильность, плотность, размер зерен ионитов и др. Ионообменные смолы получают, как правило, методом полимеризации или полимераналогичных превращений.

Фронтом сорбции (десорбции) называют ту перемещающуюся вдоль колонны зону, в которой происходит основное изменение концентрации сорбируемого (десорбируемого) вещества, так, что вне этой зоны изменение концентрации пренебрежимо мало. Фронт сорбции формируется по мере того, как слои ионита во входной части колонны приходят в равновесие с подаваемым раствором, а состав вдали от входа становится равновесным с исходным составом ионита.