压水反应堆水处理系统介绍
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对pH值变化不敏感。 在反应堆运行中, 冷却剂中硼 酸的浓度变化很大, pH值随之变化. 强酸(碱)性树脂 在很宽pH值范围内都具有良好的离子交换作用. 稳定性好, 耐热性能、耐辐照性能都较强, 机械强度 高, 树脂的磨损率低.
核级树脂杂质含量低, 颗度均匀, 转型率高.
3 放射性核素的离子交换过程
离子交换基团的引入
• 强酸性阳离子交换树脂
白球的磺化反应是在加热条件下, 在二氯乙烷和
浓硫酸作用下完成的
• 强碱性阴离子交换树脂 向白球上引进季铵基团则要先经氯甲基化, 然后再 用叔胺(R3N)处理
离子交换树脂的主要物理性能
外形和颗度 离子交换树脂是一种半透明的网状球形物质, 颜 色有白、黄、黑和赤褐色数种. 树脂的颜色与性能 关系不大. 在使用过程中, 随着树脂渐趋饱和, 颜色
工作交换容量除了与交换过程的物理化学条件有 关外, 还取决于出水的水质要求. 出水水质越高, 工 作交换容量越低.
工作交换容量与总交换容量之比称为离子交换树 脂的利用率. 离子交换的净化效率和去污因子 净化效率定义：流经树脂床后溶液中杂质被去除 的份额, 常用百分数表示. C1和C2分别为树脂床进出口溶液中核素浓度, 或进 出口料液的比放放射性.
在核动力堆中，设置离子交换系统 主要目的： 去除微量的放射性核素 运行环境： 在含有常量浓度的阳离子(如Li+, NH4+) 和阴离子(如硼酸离子)溶液中进行. 微量放射性元素在离子交换过程中的行为 在正常情况下, 一回路冷却剂中单个放射性核素的 浓度还不到μg/kg级水平, 其行为十分复杂. 它们除 了以离子态形式存在外. 还可以其它多种形式出现, 如中性分子(I2), 络合物, 胶体粒子(粒径10-3--1微米) 以及悬浮固体粒子(粒径大于1微米)等.
1 离子交换树脂基础知识
离子交换树脂的结构 最常用的有机合成离子交换树脂的本体(又称骨 架)由苯乙烯与二乙烯苯聚合而成的高分子化合物.
通过加入适量表面活性剂并连续搅拌, 可得到一定 颗粒度的聚合体小球, 通常称为白球. 这是一种三度空 间的网状结构聚合体, 其中苯乙烯的长链被二乙烯苯 “交联”成一个整体. 聚合物中二乙烯苯的百分含量称 为交联度. 一般商品树脂的交联度为8-10%. 向聚合体骨架上引进各种交换基团, 可以得到不同 性能的离子交换树脂, 根据交换基团的酸碱性强弱, 这 些树脂分别称为强酸(碱)性树脂或弱酸(碱)性树脂. 其 中强酸和强碱性树脂已在核工业中广泛应用.
离子交换树脂的交换容量：单位体积或重量树脂 能够交换的离子数量. 在树脂网状结构中，交换基 团的密度越高, 交换容量就越大. 总交换容量 指树脂完全失效、全部交换基团都起作用时的交 换能力. 可用单位体积或重量的离子交换剂中交换 基团的总数表示,单位一般为毫克当量/毫升湿树脂. 工作交换容量 又称穿透容量, 在动态条件下单位体积或重量树脂 中能够参加交换反应的基团数, 单位也为毫克当量 /毫升湿树脂.
热稳定性和机械强度 温度对树脂机械强度和交换容量有很大影响, 温
度过高易使交换基团分解, 温度过低树脂的强度降
低.当水温达到零度时, 其内部水分的冻结能将树脂
胀裂, 因此不可将树脂存放在冰点温度以下.
树脂的机械强度与交联度有关, 交联度越大, 机 械强度越好. 在实际操作条件下树脂会磨损破碎, 年 损耗率一般为3-7%. 为防止破碎树脂颗粒流出, 在净 化树脂床后, 设有高效率过滤器.
使树脂交联网孔增大，树脂体积也因此增大，这种
现象称为树脂的溶胀. 溶胀率: 溶胀前、后树脂的体积比，即树脂层体积 变化的百分比。
树脂溶胀性和含水率均与交联度有关，交联度越大,
溶胀性越小， 含水率也越低。 树脂的溶胀性还与交换基团和交换离子的特性有关， 交换基团的电离度越大，或交换离子的水合度以及 水合离子的半径越大， 树脂的溶胀率也越高。 强酸性阳离子交换树脂离子交换时溶胀率的大小顺 K 序为: H Li Na NH4 强碱性阴离子交换树脂离子交换时溶胀率的大小顺 序为: OH HCO3 CO32 SO42 Cl NO3
去污因子定义：树脂床进出料液中特定核素的浓 度或放射性强度之比.
2 核级离子交换树脂性能
核工业应用的离子交换树脂在性能上的要求: 出水水质纯度高 。无论从补给水的纯度, 还是从废 水处理的放射性物质去除的程度考虑, 都必须优于 商用树脂. 通常采用核级强酸和强碱性树脂, 它们具 备交换速度快、交换能力强、对选择性低的离子， 如硅酸根, 铯离子等也有较好的去除效果.
离子交换机理
若将含有M±离子的溶液在一定的温度下, 以一 定的速度通过结构为R-A±型树脂床, 并测量进、 出口溶液浓度的变化, M±离子能被相当彻底地去 除,以后树脂逐渐饱和, 交换能力下降, 直至完全失 效.这一离子交换过程表示为: RA M RM A
离子交换树脂的选择性 离子电荷 在低浓度水溶液中, 交换离子的电荷越大, 越易被 树脂吸附, 对阳离子有下列顺序: Th4+＞A13+＞Ca2+＞Na+ 对阴离子则有： PO43-＞SO42- ＞NO3
往往逐渐加深.
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树脂颗粒大小对树脂的交换能力、净化效率、
水流通过树脂层的压力降以及水流分布的均匀程度
都有一定影响。树脂颗粒越小，离子在其内的扩散
路程越短，交换过程就越迅速、越充分。但颗粒过
小将引起树脂床压降剧增，逆洗时容易流失。
常用树脂的粒度在16-50目之间，相应的颗粒直
径为0.3-1.2毫米.
溶胀性和含水率 树脂一经浸入水中，水即扩散到树脂网状结构 的空隙中，这时交换基团发生离解，形成水合离子，
但在高浓度水溶液中, 选择性差别缩小, 高浓度的 低价离子往往具有较高的交换“势”, 这就是树脂 的再生原理.
离子半径与水合作用 低浓度水溶液中, 相同电荷的离子, 水合半径越小, 或离子的水合能越小, 就越容易被交换吸附. 原子 序数越大, 水合能越小, 越易吸附. 选择性吸附顺序:
Cs Rb K Na Li
Ra2 Ba2 Sr 2 Ca2 Mg 2 Be2
I Br Cl F
但随着温度或浓度增高, 同价离子交换“势”的差 别逐渐缩小, 甚至出现反常. 因此, 分离溶液浓度不 宜太高, 但树脂再生溶液浓度却应稍高些.
离子交换树脂的交换容量与净化效率
核级树脂杂质含量低, 颗度均匀, 转型率高.
3 放射性核素的离子交换过程
离子交换基团的引入
• 强酸性阳离子交换树脂
白球的磺化反应是在加热条件下, 在二氯乙烷和
浓硫酸作用下完成的
• 强碱性阴离子交换树脂 向白球上引进季铵基团则要先经氯甲基化, 然后再 用叔胺(R3N)处理
离子交换树脂的主要物理性能
外形和颗度 离子交换树脂是一种半透明的网状球形物质, 颜 色有白、黄、黑和赤褐色数种. 树脂的颜色与性能 关系不大. 在使用过程中, 随着树脂渐趋饱和, 颜色
工作交换容量除了与交换过程的物理化学条件有 关外, 还取决于出水的水质要求. 出水水质越高, 工 作交换容量越低.
工作交换容量与总交换容量之比称为离子交换树 脂的利用率. 离子交换的净化效率和去污因子 净化效率定义：流经树脂床后溶液中杂质被去除 的份额, 常用百分数表示. C1和C2分别为树脂床进出口溶液中核素浓度, 或进 出口料液的比放放射性.
在核动力堆中，设置离子交换系统 主要目的： 去除微量的放射性核素 运行环境： 在含有常量浓度的阳离子(如Li+, NH4+) 和阴离子(如硼酸离子)溶液中进行. 微量放射性元素在离子交换过程中的行为 在正常情况下, 一回路冷却剂中单个放射性核素的 浓度还不到μg/kg级水平, 其行为十分复杂. 它们除 了以离子态形式存在外. 还可以其它多种形式出现, 如中性分子(I2), 络合物, 胶体粒子(粒径10-3--1微米) 以及悬浮固体粒子(粒径大于1微米)等.
1 离子交换树脂基础知识
离子交换树脂的结构 最常用的有机合成离子交换树脂的本体(又称骨 架)由苯乙烯与二乙烯苯聚合而成的高分子化合物.
通过加入适量表面活性剂并连续搅拌, 可得到一定 颗粒度的聚合体小球, 通常称为白球. 这是一种三度空 间的网状结构聚合体, 其中苯乙烯的长链被二乙烯苯 “交联”成一个整体. 聚合物中二乙烯苯的百分含量称 为交联度. 一般商品树脂的交联度为8-10%. 向聚合体骨架上引进各种交换基团, 可以得到不同 性能的离子交换树脂, 根据交换基团的酸碱性强弱, 这 些树脂分别称为强酸(碱)性树脂或弱酸(碱)性树脂. 其 中强酸和强碱性树脂已在核工业中广泛应用.
离子交换树脂的交换容量：单位体积或重量树脂 能够交换的离子数量. 在树脂网状结构中，交换基 团的密度越高, 交换容量就越大. 总交换容量 指树脂完全失效、全部交换基团都起作用时的交 换能力. 可用单位体积或重量的离子交换剂中交换 基团的总数表示,单位一般为毫克当量/毫升湿树脂. 工作交换容量 又称穿透容量, 在动态条件下单位体积或重量树脂 中能够参加交换反应的基团数, 单位也为毫克当量 /毫升湿树脂.
热稳定性和机械强度 温度对树脂机械强度和交换容量有很大影响, 温
度过高易使交换基团分解, 温度过低树脂的强度降
低.当水温达到零度时, 其内部水分的冻结能将树脂
胀裂, 因此不可将树脂存放在冰点温度以下.
树脂的机械强度与交联度有关, 交联度越大, 机 械强度越好. 在实际操作条件下树脂会磨损破碎, 年 损耗率一般为3-7%. 为防止破碎树脂颗粒流出, 在净 化树脂床后, 设有高效率过滤器.
使树脂交联网孔增大，树脂体积也因此增大，这种
现象称为树脂的溶胀. 溶胀率: 溶胀前、后树脂的体积比，即树脂层体积 变化的百分比。
树脂溶胀性和含水率均与交联度有关，交联度越大,
溶胀性越小， 含水率也越低。 树脂的溶胀性还与交换基团和交换离子的特性有关， 交换基团的电离度越大，或交换离子的水合度以及 水合离子的半径越大， 树脂的溶胀率也越高。 强酸性阳离子交换树脂离子交换时溶胀率的大小顺 K 序为: H Li Na NH4 强碱性阴离子交换树脂离子交换时溶胀率的大小顺 序为: OH HCO3 CO32 SO42 Cl NO3
去污因子定义：树脂床进出料液中特定核素的浓 度或放射性强度之比.
2 核级离子交换树脂性能
核工业应用的离子交换树脂在性能上的要求: 出水水质纯度高 。无论从补给水的纯度, 还是从废 水处理的放射性物质去除的程度考虑, 都必须优于 商用树脂. 通常采用核级强酸和强碱性树脂, 它们具 备交换速度快、交换能力强、对选择性低的离子， 如硅酸根, 铯离子等也有较好的去除效果.
离子交换机理
若将含有M±离子的溶液在一定的温度下, 以一 定的速度通过结构为R-A±型树脂床, 并测量进、 出口溶液浓度的变化, M±离子能被相当彻底地去 除,以后树脂逐渐饱和, 交换能力下降, 直至完全失 效.这一离子交换过程表示为: RA M RM A
离子交换树脂的选择性 离子电荷 在低浓度水溶液中, 交换离子的电荷越大, 越易被 树脂吸附, 对阳离子有下列顺序: Th4+＞A13+＞Ca2+＞Na+ 对阴离子则有： PO43-＞SO42- ＞NO3
往往逐渐加深.
wk.baidu.com
树脂颗粒大小对树脂的交换能力、净化效率、
水流通过树脂层的压力降以及水流分布的均匀程度
都有一定影响。树脂颗粒越小，离子在其内的扩散
路程越短，交换过程就越迅速、越充分。但颗粒过
小将引起树脂床压降剧增，逆洗时容易流失。
常用树脂的粒度在16-50目之间，相应的颗粒直
径为0.3-1.2毫米.
溶胀性和含水率 树脂一经浸入水中，水即扩散到树脂网状结构 的空隙中，这时交换基团发生离解，形成水合离子，
但在高浓度水溶液中, 选择性差别缩小, 高浓度的 低价离子往往具有较高的交换“势”, 这就是树脂 的再生原理.
离子半径与水合作用 低浓度水溶液中, 相同电荷的离子, 水合半径越小, 或离子的水合能越小, 就越容易被交换吸附. 原子 序数越大, 水合能越小, 越易吸附. 选择性吸附顺序:
Cs Rb K Na Li
Ra2 Ba2 Sr 2 Ca2 Mg 2 Be2
I Br Cl F
但随着温度或浓度增高, 同价离子交换“势”的差 别逐渐缩小, 甚至出现反常. 因此, 分离溶液浓度不 宜太高, 但树脂再生溶液浓度却应稍高些.
离子交换树脂的交换容量与净化效率