麻省理工学院设计出一种新的高效方法来去除核废水中的污染物

在实验室中，这里使用了一个小型设备，以演示基于冲击波的新型系统从核电厂冷却水中去除放射性污染物的有效性。

核电继续在全球范围内扩张，这在一定程度上推动了核电的产生，因为它产生的温室气体很少，同时提供稳定的电力输出。但是，伴随着这种扩展，处理用于冷却这些植物的大量水的需求也越来越大，而这些水已被需要长期特殊处置的放射性同位素污染。

现在，麻省理工学院开发的一种方法提供了一种方法，可以大大减少需要处理的污水量，而不是浓缩污染物，并使其余的水通过工厂的冷却系统进行循环利用。拟议的系统在《环境科学与技术》杂志上进行了描述，该论文由研究生Mohammad Alkhadra，化学工程学教授Martin Bazant教授和其他三篇论文进行了描述。

该方法利用了称为电渗析的过程，该过程利用电场在水中产生去离子激波。冲击波将带电粒子或离子推到装满带电多孔材料的管子的一侧，这样就可以将集中的污染物流与其余的水分离开来。该小组发现，可以从还含有硼酸和锂的水中选择性地去除两种放射性核素污染物-钴和铯的同位素。清除水流中的钴和铯污染物后，可以在反应器中重复使用。

该图说明了该过程，其中污染的水从左侧进入，并受到离子冲击波（用紫色虚线表示），该离子冲击波将铯和钴的放射性核素从纯净水（浅色的一侧）浓缩到一侧（顶部的较暗区域）。彩色的下部区域）。清洁的水可以再循环到反应器中，而浓缩的污染物可以安全地处理掉。

冲击电渗析工艺最初是由Bazant及其同事开发的，是一种从水中去除盐分的通用方法，正如四年前他们的第一个可扩展原型中所展示的那样。现在，该团队将重点放在这一更具体的应用上，这可能有助于改善正在运行的核电站的经济和环境影响。在进行中的研究中，他们还将继续开发一种从饮用水中去除其他污染物（包括铅）的系统。

Bazant说，新系统不仅价格低廉且可扩展至大尺寸，而且原则上还可以处理各种污染物。他说：“这是一台设备，可以针对任何特定应用执行整个范围的分离。”

在他们早期的海水淡化工作中，研究人员使用对水的电导率的测量来确定去除了多少盐。从那以后的几年中，该小组开发了其他方法来检测和量化浓缩放射性废物和清洁水中的物质的细节。

E.G.的Bazant说：“我们会仔细衡量进出的所有物品的成分。”Roos化学工程教授以及数学教授。“这确实为我们的研究开辟了新的方向。”他们开始集中精力于出于健康原因而有用的分离过程，或者将浓缩具有高价值的材料用于再利用或抵消处置成本的分离过程。

他们开发的方法适用于海水淡化，但对于该应用而言，这是一个相对耗能的过程。当该方法用于从稀流（如核电站冷却水）中进行离子选择分离时，能源成本将大大降低。他说，对于这种需要昂贵处理的应用来说，该方法具有经济意义。它还达到了团队的两个目标：处理高价值的材料并帮助维护健康。应用程序的规模也很大-单个大型核电厂每年可通过其冷却系统循环约1000万立方米的水，Alkhadra说。

在对该系统进行测试时，研究人员使用了由三菱重工提供的配方为基础的模拟核废水，三菱重工是该研究的赞助商，也是核电站的主要制造商。在该小组的测试中，经过三步分离过程，他们能够去除水中99.5％的钴放射性核素，同时保留了约43％的纯净水，以便可以重复使用。研究小组发现，如果清除水平降低到去除的污染物的98.3％，则可以再利用多达三分之二的水。

Bazant说，尽管整体方法有许多潜在应用，但核废水的分离是“我们认为[可以用这种方法解决的第一个问题，没有其他解决方案可以解决”。他补充说，没有找到其他实用，连续，经济的方法来分离出钴和铯的放射性同位素，钴和铯是核废水的两种主要污染物。

尽管该方法可用于常规清理，但在处理更极端的情况（例如日本受损的福岛第一核电站中的数百万加仑的污水）时，也可能会产生很大的不同，这些污水中积累了威胁要遏制旨在防止其泄漏到邻近太平洋的安全壳系统。虽然到目前为止，新系统仅在较小的规模上进行了测试，但巴赞特说，这种基于这种方法的大规模去污系统可能在“几年之内”成为可能。

该研究团队还包括麻省理工学院的博士后Kameron Conforti和高涛，以及研究生Huanhuan Tian。

参考：Mohammad A.Alkhadra，Kameron M.Conforti，Tao Gao，Thuanhuan Tian和Martin Z.Bazant撰写的“通过冲击电渗析从污染水中连续分离放射性核素”，环境科学与技术，DOI：
10.1021 / acs.est.9b05380