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▽?a href="http://m.518bxw.com/" target="_blank" title="不銹鋼管">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)，對電解敞，電解5分鐘可實(shí)現(xiàn)對污染表面的去污。該方法對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，研究內(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。改變陽極型式的電解去污技術(shù)鮮見報(bào)道，本工作對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，直流電源的陽極通過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，給電陽極埋設(shè)在金屬球中，而陰極則為穿過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。

    主要測量儀器：電光分析天平，最大量程為200克，測量精度為0. 0001克，；(,表面沾污儀，型號為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

    通過測量不銹鋼管電解前后的失重來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表面沾污儀測量。

    首先確定不銹鋼管電解去污的最佳條件，包括陽極材料、電解液的組成、濃度及溫度、電極間距、電流密度等；然后對比普通槽式電解法與本電解法的差異；最后對钚污染模擬樣品進(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。通過對幾種常用金屬材料（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. 電解液濃度對去污效率的影響

    在電解去污中，電解液濃度對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)?，在稀溶液中，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. 溫度對去污效率的影響

    電解液的溫度對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)對去污效率有明顯影響，溫度高于一定值（對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、陽兩電極的間距。對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，即電極間距對去污效率的影響不明顯。

   2. 對比實(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?，金屬球堆積間有空隙，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)測量a計(jì)數(shù)的方法，測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)間對金屬的污染程度無明顯影響。

   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)。本電解法對钚污染的不銹鋼管能有效去污。

三、結(jié)論

    對陽極采用金屬球?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量儀器的本底值(3 min-l)，去污效果良好。