至德鋼業(yè)不銹鋼管的電解去污實(shí)驗(yàn)分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司采用金屬球?qū)щ姺▽?duì)不銹鋼管進(jìn)行電解去污，考察了電流密度、電解液濃度和溫度以及電極間距等對(duì)電解去污效率的影響,并與常規(guī)槽式電解法進(jìn)行了比較。钚污染模擬樣的電解去污試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)電流密度大于0.2A/cm²時(shí)，對(duì)電解敞，電解5分鐘可實(shí)現(xiàn)對(duì)污染表面的去污。該方法對(duì)不同形狀的金屬部件均可實(shí)現(xiàn)有效去污，也可用于退役核設(shè)施的去污。

 在放射性污染的去污研究中，電化學(xué)法去污備受人們關(guān)注。電化學(xué)法去污可用于被放射性核素污染的土壤和水體（通常稱作電滲析），但主要的應(yīng)用方向是被放射性污染的設(shè)備、管道等金屬部件的去污，還可用于退役核設(shè)施的去污和在役核設(shè)施的放射性去污。對(duì)電化學(xué)去污的研究主要借助于金屬材料的去污，如板狀金屬和不銹鋼管的去污，研究?jī)?nèi)容除了探討最佳的電解條件外，更多的是研究電極形式，如設(shè)計(jì)移動(dòng)式陰極。改變陽(yáng)極型式的電解去污技術(shù)鮮見報(bào)道，本工作對(duì)這種新型電解去污技術(shù)在不銹鋼管去污方面的應(yīng)用進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)，旨在為退役核設(shè)施提供新的去污技術(shù)。

一、實(shí)驗(yàn)

 1. 實(shí)驗(yàn)裝置

    實(shí)驗(yàn)裝置示意圖示于圖，直流電源的陽(yáng)極通過(guò)金屬小球給待去污金屬管（不銹鋼管）供電。金屬球放置在填充器中，給電陽(yáng)極埋設(shè)在金屬球中，而陰極則為穿過(guò)金屬管中心的不銹鋼絲。電解槽內(nèi)設(shè)有攪拌器。電解槽和小球填充器采用有機(jī)玻璃自制。

 2. 主要設(shè)備及儀器

    主要設(shè)備：直流穩(wěn)壓電源，型號(hào)為HY1791-20S，電流范圍0～20 A，電壓范圍0～30 V；電動(dòng)攪拌器和自制紅外線烘干箱。

    主要測(cè)量?jī)x器：電光分析天平，最大量程為200克，測(cè)量精度為0. 0001克，；(,表面沾污儀，型號(hào)為FJ-2207，本底值為3min-l）。

 3. 實(shí)驗(yàn)試劑及樣品   

   實(shí)驗(yàn)樣品：待電解的樣品由不銹鋼管加工制樣。

 4. 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

    通過(guò)測(cè)量不銹鋼管電解前后的失重來(lái)考察特定條件下的電解去污效果。樣品（不銹鋼管）電解后用紅外線烘干，然后稱重。去污前后的污染水平采用α、β表面沾污儀測(cè)量。

    首先確定不銹鋼管電解去污的最佳條件，包括陽(yáng)極材料、電解液的組成、濃度及溫度、電極間距、電流密度等；然后對(duì)比普通槽式電解法與本電解法的差異；最后對(duì)钚污染模擬樣品進(jìn)行電解去污。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

  1. 條件實(shí)驗(yàn)

    條件實(shí)驗(yàn)主要是選擇陽(yáng)極和電解液，考察影響電解去污效率的因素，諸如電流密度、電解液濃度及溫度、電極間距等。

  a. 電極材料及電解液的選擇

    實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于陽(yáng)極型式。采用導(dǎo)電性好、抑制電壓低、在電解液中難溶的球狀金屬材料與待去污金屬管接觸，由于接觸點(diǎn)均勻分布，使得金屬管的電流密度分布均勻，提高電解去污效率。通過(guò)對(duì)幾種常用金屬材料（如銅、鈦、鉛等）在不同電解液中的篩選實(shí)驗(yàn)，最終確定給電陽(yáng)極為鈦棒(5mm)、金屬小球?yàn)殂U粒（粒徑1mm左右），陰極為不銹鋼絲(尺寸1mm×100mm)；電解液為稀溶液。

  b. 電流密度對(duì)去污效率的影響

    電流密度、電解液性質(zhì)和電極間距等因素影響電解去污效率。

    由圖可看出：電流密度越大，電解去污效率越高，這與電量衡算結(jié)果相符。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需綜合考慮電流效率，因?yàn)殡娏髅芏却?，電流和流密度大，電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物增加，從而降低了電流效率。此外，還需考慮電源的電流輸出能力。

  c. 電解液濃度對(duì)去污效率的影響

    在電解去污中，電解液濃度對(duì)去污效率有很大影響。選用溶液作電解液，電解去污效率隨電解液濃度的變化示于圖。

    從圖可看出：在電解液（硫酸溶液）濃度低于5%時(shí)，電解去污效率隨著電解液濃度的增加明顯增大；高于5%后，去污效率增加較為緩慢。這是因?yàn)椋谙∪芤褐?，離子濃度隨溶液濃度的增加較為顯著，離子濃度高，電流效率高；在高于5%的電解液中，自由離子彼此碰撞結(jié)合的幾率大，降低了自由離子的實(shí)際濃度。

 e. 溫度對(duì)去污效率的影響

    電解液的溫度對(duì)電解去污效率的影響主要體現(xiàn)在影響離子活度上。

    由圖可看出：電解液溫度在40~60℃范圍內(nèi)對(duì)去污效率有明顯影響，溫度高于一定值（對(duì)5%硫酸電解液為60℃）時(shí)，去污效率幾乎不再增加。這是因?yàn)?，溫度升高，離子遷移性好，離子活度大，去污效率高；溫度達(dá)到一定值時(shí)，溶液中離子的活度已趨于最大值，繼續(xù)升高溫度對(duì)離子活度的影響已不明顯。

  g. 電極間距的影響

    在實(shí)際應(yīng)用中，電解去污往往針對(duì)不同直徑的金屬管。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不銹鋼管的半徑相當(dāng)于陰、陽(yáng)兩電極的間距。對(duì)不同直徑的不銹鋼管進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)，考察電極間距對(duì)電解去污效率的影響。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：除樣品2(直徑為30 mm)的電解去污效率稍高外，其它直徑的不銹鋼管的電解速率相當(dāng)。這說(shuō)明，在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件下（間距變化不大、恒電流電解）進(jìn)行電解去污，不銹鋼管直徑，即電極間距對(duì)去污效率的影響不明顯。

   2. 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)比較了本電解法（金屬球?qū)щ姡┡c常規(guī)電解法（不用金屬球?qū)щ姡┑碾娊馑俾?，結(jié)果示于圖。

    在相同的電解條件（電解液濃度和電流密當(dāng)。實(shí)驗(yàn)中可觀測(cè)到，采用金屬球?qū)щ娺M(jìn)行電解時(shí)的電壓比常規(guī)電解時(shí)的電壓低得多(實(shí)驗(yàn)測(cè)得電壓分別為7和IIV)。從能耗的角度考慮，本實(shí)驗(yàn)采用的電解法在單位時(shí)間內(nèi)的能耗比常規(guī)電解法的低得多。

    另外，由于采用金屬球?qū)щ姡饘偾蚨逊e間有空隙，電解產(chǎn)生的氣體（包括電解產(chǎn)生的氣體和由于加熱溢出的溶解空氣）可順利釋放，不會(huì)聚集成大氣泡，利于提高電解液的電導(dǎo)率，從而提高了電解去污效率。

  3.钚污染不銹鋼管電解去污試驗(yàn)

    制備钚污染的不銹鋼管樣品，采取側(cè)面和端面多處取點(diǎn)測(cè)量a計(jì)數(shù)的方法，測(cè)量污染樣品電解去污前后的污染水平，計(jì)算不銹鋼管的電解去污效率。

   a. 污染樣品制備

    將不銹鋼管浸入活度約103的钚標(biāo)準(zhǔn)液(酸度約為4 mol/L)中，分別浸泡24、48和72小時(shí)，取出后，常溫下分別老化7和30天后用稀酸洗滌；酸洗前后測(cè)量平均a計(jì)數(shù)率。酸洗滌前后的平均儀計(jì)數(shù)率變化不大，表明樣品表面已基本形成固定污染。不同的不銹鋼管的表面形態(tài)各異，但浸泡時(shí)間和老化時(shí)間對(duì)金屬的污染程度無(wú)明顯影響。

   b. 電解去污試驗(yàn)

    將制得的不銹鋼管污染樣品置于5%電解液中，在電流密度為0.2 A.cm-2條件下電解5分鐘，測(cè)量不銹鋼管表面的及計(jì)數(shù)。根據(jù)電解前后的平均污染水平計(jì)算不銹鋼管表面的钚污染去污率（去除的核素量／電解前表面污染量）。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電解去污5分鐘后，不同程度钚污染的不銹鋼管表面污染水平均接近于儀器本底值(3min-1)。本電解法對(duì)钚污染的不銹鋼管能有效去污。

三、結(jié)論

    對(duì)陽(yáng)極采用金屬球?qū)щ姷男滦碗娊馊ノ鄯ㄔ诓讳P鋼管道去污中的應(yīng)用進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在選定了電極材料和電解液后，影響電解效率的因素主要是電流密度、電解液濃度和電極間距。電解去污效率隨著電流密度和電解液濃度的增大而增加，電極間距對(duì)電解效率影響不明顯。

    在相同的電解條件下，導(dǎo)電小球電解法和常規(guī)槽式電解法的電解速率相當(dāng)，但前者的能耗比后者的低，且適用范圍更廣。

    在已優(yōu)化的電解條件下，對(duì)制備的钚污染不銹鋼管試樣進(jìn)行電解，電解后的表面污染水平均接近測(cè)量?jī)x器的本底值(3 min-l)，去污效果良好。