碳纤维蒸发帘强化蒸发池低放射性废水自然蒸发

曾志伟，王 攀，战景明，薛向明，段宇建，付建宇

（1.中国辐射防护研究院，山西 太原 030006；2.中核安徽计量检测有限公司，安徽 阜阳 236500；3.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149）

截至2020年，中国核电装机容量逐年递增到5.1×107kW，核电装机总容量位居世界第三〔1〕。但在核电稳步发展取得丰硕成果的同时，作为核电“粮仓”的铀矿冶，其放射性“三废”的产生量也在迅猛增加，特别是低放射性废水的体量增加最快。目前，国内外铀矿冶企业普遍采用天然蒸发池技术处理铀矿山产生的低放射性废水〔2〕。天然蒸发池技术利用废水自然蒸发的物理规律实现废水处理，具有处理成本低、工艺简单、碳排放量低〔3〕的优点，其技术核心是把蒸发池废水中含量最多的非放射性液态水以水蒸气的形式逸散到大气环境中，难挥发的放射性核素如铀、钍、镭等残留在蒸发池中并结晶形成底泥。

内蒙古某地浸铀矿企业采用蒸发池技术处理低放射性废水，该放射性废水总α为763 Bq/L，总β为394 Bq/L，主要离子SO42-、Cl-、Na+的质量浓度分别为56.3、1.31、46.7 g/L；随着企业增产以满足核电供应需要，现有蒸发池废水处理量已经无法适应企业生产需求，亦无多余土地扩建新的蒸发池。

使用比表面积大、毛细效应明显和可吸收红外辐射的蒸发帘作为蒸发载体，可强化蒸发池低放射性废水的自然蒸发。蒸发帘蒸发模型见图1。蒸发池中的废水被潜水泵抽取喷淋在蒸发帘上；由于毛细效应，蒸发帘内部及表面充盈着废水，达到了扩大废水表面积的作用；被废水浸透的蒸发帘在太阳辐射和风力的作用下进行自然蒸发，水分子从蒸发帘表面逸散至空气中。

图1 蒸发帘强化蒸发池废水自然蒸发模型Fig.1 Natural evaporation model of wastewater in evaporation pool enhanced by evaporation curtain

本研究在不影响现有铀矿冶企业地浸采铀环保安全性，且受制于无法增加蒸发池面积的情况下，提出蒸发帘强化自然蒸发技术，利用蒸发帘浸水-速干性能试验探究可行性、小型室内蒸发模拟试验验证、现场实际测试蒸发效果3方面开展了蒸发帘强化蒸发池低放射性废水自然蒸发的研究。

1 实验部分

1.1 蒸发帘浸水-速干性能试验

本研究选取具有耐酸碱腐蚀、比表面积大、透气性能好、毛细效应明显、可吸收红外辐射等优点的碳纤维编织布作为制作蒸发帘的备选材料〔4-9〕。碳纤维编织布的型号有W7021平纹型、W7011斜纹型、W3021平 纹 型、W3011斜 纹 型、W1021平 纹 型、W1011斜纹型，形貌见图2。

图2 碳纤维编织布形貌Fig.2 Morphology of carbon fiber woven fabric

为掌握碳纤维编织布的浸水-速干情况，选出浸水-速干性能最好的碳纤维编织布材料制作蒸发帘，依据《纺织品 吸湿速干性的评定 第1部分：单项组合试验法》（GB/T 21655.1—2008）和《纺织品 吸湿速干性的评定 第2部分：动态水分传递法》（GB/T 21655.2—2009）设计碳纤维编织布材料的浸水-速干性能试验。

剪取尺寸为10 cm×10 cm的碳纤维编织布试样并浸泡在盛有1 000 mL去离子水的烧杯中，将烧杯放置在45℃的电热恒温水浴振荡器中振荡60 min，清洗样品表面的污渍、浮灰、碎屑等；将清洗完毕的样品放入电热恒温干燥箱中，60℃烘干3 h；将干燥后的样品放于含水率测定仪（艾科瑞德，QL-720A）上，称量样品未蘸水时的初始质量，重复称量3次取平均值，记作m0；随后将样品放于烧杯中吸水10 min，再次称重，材料饱和浸湿质量记作m1。设置含水率测定仪加热蒸发温度分别为20、40、60℃〔10〕，每1 min记录1次材料质量，记作mj（j=1、2、3…10 min）；10 min后切断含水率测定仪电源，取出实验样品。

为方便衡量试验材料的浸水程度，定义浸水率ω，即单位质量试验材料吸收水的质量，计算方法见式（1）。

式中：ω——试验材料的浸水率，%；

m1，m0——试验材料吸水饱和和未吸水时的质量，kg。

为方便衡量试验材料的失水速干能力，定义蒸发率σ，即试验材料浸水达到饱和后在单位面积、单位时间内含水量的损失情况，计算方法见式（2）。

式中：σ——试验材料的蒸发率，kg/（m2·h）；

mj，mj-1——试验材料在j、j-1时刻的质量，kg；

A——试验材料的表面积，m2；

t——蒸发时间，h。

1.2 小型室内蒸发模拟试验

利用恒温恒湿舱提供恒温恒湿实验环境，在实验室搭建小型室内蒸发模拟装置。W1021平纹型碳纤维编织布尺寸为1 m×18 m，蒸发帘间隔10 cm；蒸发帘走向与风向平行，以便最大化利用风力资源〔11-12〕；使用工业风机模拟自然风，采用硫酸钠配制水样代替蒸发池废水〔13〕。实验装置见图3。

图3 小型化室内蒸发模拟实验装置Fig.3 Miniaturized indoor evaporation simulation experimental device

在模拟蒸发水槽中盛放足够用量的蒸发配制水，记录蒸发水槽在恒温恒湿舱内的自然蒸发量并作为本底蒸发量。使用变流量潜水泵将蒸发配制水抽到布液管中，布液管再将水均匀持续喷淋在蒸发帘上5 min，然后蒸发10 min；往复间歇供水蒸发，实验时间为8 h。测试不同环境温度和风速条件下碳纤维蒸发帘强化自然蒸发的情况。

1.3 现场测试试验

为定量测量碳纤维蒸发帘的蒸发效果，在内蒙古地浸铀矿企业进行现场测试试验。该企业建有4个面积约6 000 m2的蒸发池，年平均风速＞3 m/s，年平均温度为3.8℃，是非常合适的测试地点。在蒸发池边搭建2个规格一致的1.5 m×1.5 m×0.4 m的试验池，测试场地见图4。

图4 现场测试试验Fig.4 Field test experiment

在2个试验池中加入同等深度的蒸发池废水，将采用碳纤维蒸发帘强化自然蒸发技术的装置放入其中1个蒸发水池，编号为1#（图4左）；另1个试验池作为对照组测量当地的自然本底蒸发量，编号为2#（图4右）。现场测试连续进行10 d，日测试时长为8 h。

2 结果与讨论

2.1 蒸发帘浸水-速干性能试验结果

强化水分子的自然蒸发，首先要考虑蒸发帘材料的浸水-速干性能：（1）材料本身是否能够充盈废水；（2）材料在饱和含有废水后的失水速干情况。只有同时满足上述2项指标，蒸发帘才能实现强化自然蒸发的效果。首先对6种碳纤维材料制作的蒸发试样进行标况（25℃）下的浸泡吸水试验，试验时长10 min，计算各碳纤维材料的浸水率ω。然后在不同温度下对蒸发试样进行失水速干能力测试，得到蒸发率σ随时间的变化曲线，结果见图5。

图5 试验样品浸水率和蒸发率的变化Fig.5 Immersion rate and evaporation rate of test samples

由图5（a）可知，6种不同型号碳纤维编织布制作的试样中，浸水率ω从高至低依次为W1011斜纹型、W1021平 纹 型、W3011斜 纹 型、W3021平 纹 型、W7011斜纹型、W7021平纹型。试样吸水质量大于试样干重，表明试样具有不错的吸水性能。随着试样干重增加，试样吸水质量也随之增加，试样吸收容纳的水越多。对比斜纹型和平纹型试样的干重和吸水质量，编织方式对试样的吸水性能影响不大。

由图5（b）～（d）可知，不同型号碳纤维编织布制作的试样的蒸发率均随时间的延长逐渐减小，蒸发率在1 min时较大，10 min时 最 小。W1021平 纹 型 编织布的失水速干能力明显大于其他试样。随着蒸发温度的降低，蒸发率随时间的变化曲线逐渐向下偏移，表明试样的蒸发率随温度降低而减小，蒸发效果下降。蒸发率从高至低依次为W1021平纹型、W1011斜 纹 型、W3021平 纹 型、W3011斜 纹 型、W7021平纹型、W7011斜纹型。这是由于蒸发温度降低时，试样中水分子从环境中吸收的热能减少，动能大于分子间作用力的水分子数量减少，可从蒸发试样表面逸出至空气环境中的水分子数量减少。值得注意的是，同样厚度、不同编织方式的碳纤维蒸发试样，采用平纹编织方式要比斜纹编织方式的蒸发率大一些，这是由于碳纤维束采用平纹编织时空隙度要大于斜纹编织，试样的空隙度大对应着透气性好，利于传热以及水分子从空隙蒸发至空气中。

综上，温度会影响碳纤维蒸发帘的蒸发率，并且宜选取浸水率和蒸发率都比较大的W1021平纹型编织布制作蒸发帘。

2.2 小型化室内蒸发模拟试验结果

利用小试试验探究一定面积蒸发帘强化自然蒸发的实际效果，并掌握在蒸发帘面积不变时，温度、风速对蒸发帘实际蒸发效果的影响，结果见图6。

从图6可以看出，碳纤维蒸发帘的蒸发水量要高于本底蒸发量。对于一定面积的碳纤维蒸发帘，相同温度条件下，蒸发水量随风速的增大而增加，原因是随着风速的增加，从蒸发帘表面蒸发出的水分子更容易被风力吹到远离蒸发帘的空气环境中，从而减少了液化返回蒸发帘的水分子数量。对于面积恒定的蒸发帘，在相同风速条件下，碳纤维蒸发帘的蒸发水量随着温度的升高而增加，原因是存在于碳纤维蒸发帘内的水分子可从较高室温环境中获得更多热量，微观上表现为动能大的水分子更多，宏观上表现为蒸发水量增加〔14〕。

图6 风速和温度对碳纤维蒸发帘增效蒸发影响Fig.6 Effect of wind speed and temperature on carbon fiber evaporation curtain

综上，小型实验室模拟蒸发试验验证了蒸发帘具有强化自然蒸发的效果。环境温度相同时，随着风速的增加，蒸发水量增加；风速相同时，蒸发水量会随着环境温度的升高而增加。

2.3 现场测试试验结果

本研究设计了1套搭载三维立体型蒸发帘的现场试验装置。该装置主要由浮筒装置、辅助旋转电机系统、框架结构组成。在浮筒平台边缘水面位置固定1台潜水泵抽取池中废水，沿框架结构布置塑料软管将废水引流至喷淋装置，在喷淋装置下方垂挂W1021平纹型碳纤维蒸发帘。装置基本参数：尺寸为1 m×1 m×1.5 m，浮筒平台满载浮力为3 430 N，装置净重48 kg，额定功率45 W。装置结构见图7。该蒸发帘固定于浮筒平台而漂浮在蒸发池中，不会占用蒸发池外土地面积，有效地节约了土地资源。

图7 蒸发帘强化自然蒸发装置示意Fig.7 schematic diagram of evaporation curtain enhanced natural evaporation device

利用该实验装置进行的现场试验结果见表1。

表1 现场测试数据Table 1 Field test data

现场测试结果表明，使用碳纤维蒸发帘的1#试验池水位下降明显，而2#试验池水位基本无变化。由表1可知，在连续10 d的测试中，1#试验池的平均日蒸发水量为5.4 mm/d，2#试验池为2.1 mm/d。由此，对于同环境下的池内蒸发，采用碳纤维蒸发帘蒸发方式的蒸发水量是普通自然蒸发水量的2.57倍，碳纤维蒸发帘能够将原本的自然蒸发水量提升157.14%。

工程实际应用中的蒸发装置如图8所示。

图8 应用中的强化蒸发装置Fig.8 Enhanced evaporation device in application

3 结论

本研究依据内蒙古地浸铀矿企业废水治理为工程背景，采用蒸发帘形式扩大蒸发池废水的蒸发水量。主要获得以下结论：

（1）碳纤维编织布具有不错的吸水性能和蒸发性能，W1021平纹型编织布更适宜制作蒸发帘。

（2）碳纤维蒸发帘的蒸发水量高于本底蒸发量，碳纤维蒸发帘可强化自然蒸发。提高温度和风速可增大碳纤维蒸发帘蒸发水量。

（3）现场试验验证了采用碳纤维蒸发帘能够将低放射性废水的自然蒸发水量提升157.14%。

（4）蒸发帘强化自然蒸发具备良好的效果，可有效缓解铀矿冶企业低放射性废水的处理压力，为需要提升自然蒸发水量的企业提供指导。