CN103366850B - 一种湿式催化氧化法处理放射性阴离子交换树脂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域,特别涉及一种湿式催化氧化法处理放射性阴离子交换树脂的方法。该方法将溶胀酸化后的阴离子交换树脂与一定量Fe2+和Ce3+同时置于反应器中搅拌,反应温度为80~99℃,同时H2O2以一定速率滴加入反应器,反应过程中继续滴加Fe2+和Ce3+溶液,通过反应产生的氧化性自由基(如·OH)将阴离子交换树脂氧化分解。本发明设备简单、操作条件温和,废树脂分解彻底且无二次污染,减容效果好,经济高效,具有较大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域,特别涉及一种湿式催化氧化法处理放射性阴离子交换树脂的方法。
背景技术
离子交换树脂常用于化学分离、纯化、制备等,在核电站、核工业厂矿、同位素制备、放射化学研究中也被广泛应用。其中,应用较多的阴离子交换树脂通常是苯乙烯型强碱树脂,呈粉状或粒状,其粒径通常为0.3~1.2mm,基体为二乙烯苯交联的聚苯乙烯,交换功能团为季铵根离子。它具有三维立体网状结构,以下面的结构式为代表:
由此产生的废树脂是弥散性物质,采用一般包装容器不能直接进行处置;树脂是有机物,可燃,长期堆积易引起火灾;废树脂体积变化大、质量轻,自然界难以降解,因此必须对其进行妥善处置以减少其对环境的潜在威胁。
目前针对废树脂(尤其是放射性废树脂)的常见处理方法有固化法(水泥固化、塑料固化、沥青固化、聚合物固化等)、高整体性容器直接包装法、热压法、氧化分解法、生化分解法、洗脱处理法等。水泥固化法工艺比较成熟,但成本较高。热压法需要超级压实机和加热装置,要解决压实过程中产生的废液和废气,推广应用受到一定限制。生化分解法仅适宜处理比活度较低的废树脂,至今尚未见到工业应用的报道。洗脱处理法操作繁琐,易产生二次废物。其中,湿式催化氧化法通过Fenton反应(即亚铁盐和过氧化氢反应)产生氧化性很强的羟基自由基(·OH),可氧化分解各种有机物质,受到了国内外专家学者的广泛关注。目前已有文献报道了Ni2+/Cu2+-H2O2、Mn2+/Cu2+-H2O2、Fe2+/Cu2+-H2O2和Cu2+-H2O2体系氧化分解废树脂,但是未见文献报道采用Fe2+/Ce3+-H2O2体系。稀土元素铈为过渡金属,性质活泼,是优良的还原剂,与Fe2+可产生协同作用,进而提高体系的降解速率;并且,有文献报道Ce3+/Ce4+与Fe2+/Fe3+类似,也能与H2O2发生类Fenton反应产生·OH。采用该催化剂的湿式催化氧化法分解阴离子交换树脂,最后生成二氧化碳、水和少量无机残液,无放射性的阴离子交换树脂经处理后可妥善处置;含有放射性核素的无机残液经浓缩后可水泥固化,大大减小了废树脂的体积,节约了废物的贮存、运输和处置费用,具有简单易行、无二次污染、经济有效等优点,显示出广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术不足,本发明提供了一种湿式催化氧化法处理放射性阴离子交换树脂的方法。
一种湿式催化氧化法处理放射性阴离子交换树脂的方法,其具体方案如下:
首先将阴离子交换树脂置于有机酸中浸泡至少24h,并用有机酸调整溶胀后的阴离子交换树脂的pH值为2.0~3.0,之后将溶胀后的阴离子交换树脂与一定量Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液同时置于反应器中搅拌反应,反应温度为80~99℃,同时将一定量H2O2水溶液滴加入反应器,反应过程中同时向反应器中滴加一定量Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液,通过反应产生的氧化性自由基将阴离子交换树脂氧化分解;
此方法中各组分反应物用料配比为:当阴离子交换树脂的处理量为10~30g时,反应器中初始Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液用量为10~100mL,滴加入的H2O2水溶液的总量为30~200mL,滴加入的Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液的总量为10~100mL。
所述阴离子交换树脂为苯乙烯型强碱性粒状湿树脂,含水率为60wt%~80wt%。
所述有机酸为乙酸、乙二酸、酒石酸或者柠檬酸。
所述Fe2+溶液为浓度为0.5mol/L的FeSO4·7H2O溶液,Ce3+溶液为浓度为0.5mol/L的Ce(NO3)3·6H2O溶液,所述Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液中Fe2+与Ce3+的摩尔比范围为(1~3):1。
所述H2O2为体积分数30%的H2O2水溶液。
反应在初始阶段如有较严重的气泡现象,在反应过程中滴加消泡剂以消除泡沫。
所述反应器为四口圆底烧瓶,搅拌装置为机械搅拌或者磁力搅拌,加热装置为水浴、油浴、电热套或者加热磁力搅拌器。
反应产生的气体经过冷凝回流后直接排放,反应器中的残液经浓缩后固化处置。
湿式催化氧化法处理阴离子交换树脂的主要工作原理为:
通过有机酸络合在阴离子交换树脂表面的Fe2+与H2O2发生Fenton反应产生羟基自由基(·OH),见式1;Ce3+也能与H2O2发生类Fenton反应产生·OH,见式2。由于存在反应(3),Ce3+的引入可提高Fe2+的催化效率。随后引发一系列链式氧化反应,产生氧化性较差的自由基·OOH,使Fe2+再生(式4和6)。反应过程中,同时存在着一些副反应,见式7~12。***中产生的·OH与阴离子交换树脂接触后即发生反应,树脂转化为水溶性直链聚苯乙烯、氨水、二氧化碳和水。此后直链聚苯乙烯继续被进一步氧化为二氧化碳和水。将阴离子交换树脂以单分子表示,则树脂中带有官能团部分结构的氧化分解总反应见式(13),交联剂和苯乙烯基体的分解反应见式(14)和(15)。
Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-(1)
Ce3++H2O2→Ce4++·OH+OH-(2)
Fe3++H2O2→Fe2++·OOH+H+(4)
H2O2+·OOH→·OH+H2O+O2(5)
Fe3++·OOH→Fe2++O2+H+(6)
H2O2+·OH→H2O+·OOH(7)
Fe2++·OH→Fe3++OH-(8)
Fe2++·OOH+H+→Fe3++H2O2(9)
·OOH+·OOH→H2O2+O2(10)
·OOH+·OH→H2O+O2(11)
·OH+·OH→H2O2(12)
C12H19NO+31H2O2→12CO2+NH4OH+38H2O(13)
C10H10+25H2O2→10CO2+30H2O(14)
C8H8+20H2O2→8CO2+24H2O(15)
本发明的有益效果为:
本发明方法设备简单,操作条件温和,无需高温高压;可高效、快速地氧化分解阴离子交换树脂,不产生有毒有害气体,无二次废物处理问题;减容效果好,经济可行,具有较大的应用前景。
具体实施方式
本发明提供了一种湿式催化氧化法处理放射性阴离子交换树脂的方法,下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
采用湿式催化氧化法处理AmberliteIRN78强碱性季铵I型阴离子交换树脂(Rohm&Haas公司,909型,核子级),处理量为10g,含水率为60wt%,采用乙酸溶胀酸化至pH为2.0,同时往反应器中加入总量为10mL的浓度为0.5mol/L的FeSO4·7H2O和浓度为0.5mol/L的Ce(NO3)3·6H2O溶液的混合溶液,其中Fe2+和Ce3+的摩尔比为3:1;机械搅拌,反应温度为96±1℃。往反应器中滴加体积分数为30%的H2O2水溶液,反应时间为2h,总用量为50mL;反应过程中同时向反应器中滴加浓度为0.5mol/L的FeSO4·7H2O和浓度为0.5mol/L的Ce(NO3)3·6H2O溶液的混合溶液(其中Fe2+和Ce3+的摩尔比为3:1),总用量为20mL。H2O2滴加完后继续搅拌反应0.5h。在不同反应时间时记录处理结果,见表1:
表1湿式催化氧化法处理IRN78阴离子交换树脂处理结果数据表
处理时间(min) | 树脂分解率(%) | TOC去除率(%) | 减重率(%) |
15 | 28 | 19 | - |
30 | 52 | 36 | - |
60 | 79 | 64 | - |
90 | 91 | 82 | - |
120 | 99 | 91 | - |
150 | 100 | 99 | 72 |
检测方法:树脂采用紫外可见分光度计(Lambda25,PerkinElmer)和高效液相色谱(Agilent1200Series,Agilent,USA)测定,TOC值采用总有机碳/总氮分析仪(MultiN/C2100TOC/TN,Jena,Germany)测定,重量采用ML204分析天平(Mettler-Toledo,瑞士)测定。
表1结果表明,本发明采用的湿式催化氧化法可快速有效的氧化分解阴离子交换树脂,反应150min后,树脂分解率高达100%,TOC去除率为99%,减重率为72%。
实施例2
采用湿式催化氧化法处理IRN78阴离子交换树脂,处理量为30g,含水率为70wt%,采用柠檬酸溶胀酸化至pH为3.0,同时往反应器中加入总量为10mL的浓度为0.5mol/L的FeSO4·7H2O和浓度为0.5mol/L的Ce(NO3)3·6H2O溶液的混合溶液,其中Fe2+和Ce3+的摩尔比为2:1;机械搅拌,反应温度为98±1℃。往反应容器中滴加一定体积的体积分数为30%的H2O2水溶液,浓度为0.5mol/L的FeSO4·7H2O和浓度为0.5mol/L的Ce(NO3)3·6H2O溶液的混合溶液(其中Fe2+和Ce3+的摩尔比为2:1),总用量为40mL,反应时间为2h,分别记录使用不同体积的体积分数为30%的H2O2水溶液用量的处理结果,见表2:
表2湿式催化氧化法处理IRN78阴离子交换树脂处理结果数据表
H2O2用量(mL) | 树脂分解率(%) | TOC去除率(%) | 减重率(%) |
50 | 35 | 24 | 21 |
100 | 66 | 47 | 41 |
150 | 91 | 80 | 65 |
200 | 100 | 99 | 75 |
检测方法:同实施例1。
表2结果表明,反应时间为2h,滴加不同用量的H2O2溶液,阴离子交换树脂的氧化分解效率也不同,即H2O2溶液的用量越大,阴离子交换树脂氧化分解越彻底。滴加200mL的H2O2,反应2h后,树脂被完全分解,TOC去除率高达99%,减重率为75%。
实施例3
采用湿式催化氧化法处理IRN78阴离子交换树脂,处理量为20g,含水率为60wt%,采用乙二酸溶胀酸化至pH为2.5;机械搅拌,反应温度为95±1℃;往反应容器中滴加体积分数为30%的H2O2水溶液,反应时间为2h,总用量为150mL。反应过程中同时向反应器中滴加40mL浓度为0.5mol/L的FeSO4·7H2O溶液或总量为40mL的浓度为0.5mol/L的FeSO4·7H2O和浓度为0.5mol/L的Ce(NO3)3·6H2O溶液的混合溶液(其中Fe2+和Ce3+的摩尔比为1:1),比较这两种条件下树脂的处理结果,见表3:
表3比较实验处理结果记录表
检测方法:同实施例1。
表3结果表明,采用Fe2+和Ce3+作为催化剂对阴离子交换树脂的分解效果、TOC去除率、减重率以及H2O2利用率都更高,这是由于Ce3+的引入可提高Fe2+的催化效率,并且Ce3+也能与H2O2发生类Fenton反应产生·OH,促进了阴离子交换树脂的氧化分解效率。该发明所述的湿式催化氧化法处理阴离子交换树脂操作简单易行,容易控制和管理,具有较大的应用价值。
Claims (8)
1.一种湿式催化氧化法处理放射性阴离子交换树脂的方法,其特征在于,具体方案如下:
首先将阴离子交换树脂置于有机酸中浸泡至少24h,并用有机酸调整溶胀后的阴离子交换树脂的pH值为2.0~3.0,之后将溶胀后的阴离子交换树脂与一定量Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液同时置于反应器中搅拌反应,反应温度为94~99℃,同时将一定量H2O2水溶液滴加入反应器,反应过程中同时向反应器中滴加一定量Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液,通过反应产生的氧化性自由基将阴离子交换树脂氧化分解;
此方法中各组分反应物用料配比为:当阴离子交换树脂的处理量为10~30g时,反应器中初始Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液用量为10~100mL,滴加入的H2O2水溶液的总量为30~200mL,滴加入的Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液的总量为10~100mL。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述阴离子交换树脂为苯乙烯型强碱性粒状湿树脂,含水率为60wt%~80wt%。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述有机酸为乙酸、乙二酸、酒石酸或者柠檬酸。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述反应器中初始Fe2+溶液和Ce3+溶液与滴加入的Fe2+溶液和Ce3+溶液的种类及浓度均相同;所述Fe2+溶液为浓度为0.5mol/L的FeSO4·7H2O溶液,Ce3+溶液为浓度为0.5mol/L的Ce(NO3)3·6H2O溶液,所述Fe2+溶液和Ce3+溶液的混合溶液中Fe2+与Ce3+的摩尔比范围为(1~3):1。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述H2O2为体积分数30%的H2O2水溶液。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:反应在初始阶段如有较严重的气泡现象,在反应过程中滴加消泡剂以消除泡沫。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述反应器为四口圆底烧瓶,搅拌装置为机械搅拌或者磁力搅拌,加热装置为水浴、油浴、电热套或者加热磁力搅拌器。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:反应产生的气体经过冷凝回流后直接排放,反应器中的残液经浓缩后固化处置。
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