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摘要：进行树脂热分解和固化小规模试验研究，目的是力图找到一种适合于在设计核电厂废树脂处理采用的处理工艺。目前我国核电厂普遍还是采用水泥固化处理废树脂，主要原因还是处理方法比较简单，处理成本也较低，但水泥固化处理废树脂的许多缺点现在还没有完全表现出来，水泥固化处理废树脂的缺点主要表现在：（1）废物包容率低，最终产生的废物量大；（2）放射性核素浸出率高，遇水浸泡放射性核素流失率较大；（3）长期稳定性较差，固化体易失水收缩再吸水膨胀，造成固化体破碎。
关键词：离子交换；树脂
引言：
我国核电厂新采用的废树脂处理方法有热态压实和直接装高整体容器，这两种处理方法也都存在较多明显的缺点。三门核电厂采用的热态压实方法处理废树脂存在的问题包括：首先，减容效果并不完全满足设计时的要求；其次，操作处理过程相当复杂（研磨、干燥、压实）；再次，因为废物体不能满足我国放射性废物近地表处置标准需要采用高整体容器二次包装，更使得最终废物体积很大。
海阳核电厂采用的直接装高整体容器的方法存在的问题亦较多：首先，废树脂装入高整体容器后可能属于B型货包（装入2.8m3废树脂），在运输时需要装入专用运输容器；其次，这种高整体容器的机械强度无法实现在处置场直接堆码，需要采用能够达到强度要求的二次包装，或在处置场处置单元内设置相应的小隔间以保护高整体容器的完整性；再次，因为废树脂在贮存和处置期间都保持有机物状态，其长期稳定性和安全性也受到质疑（有机物降解）。
ACP1000计划采用的湿法氧化处理工艺减容效果最好，操作温度低、树脂分解程度高；但也存在流程复杂、设备材料要求高、运行成本高等缺点。
据美国EnergySolutions公司介绍，该公司1999年在美国田纳西ERWIN建立了一座蒸汽重整处理设施，用于处理美国42个核电机组产生的废树脂以及少量放射性干废物，处理能力为400kg/h。至今已经运行了15年。蒸汽重整是采用650℃-750℃的过热蒸汽，对废树脂及其他有机废物进行分解，最终生成性能稳定的颗粒物，装入HIC送处置。但我们对于这种处理工艺的实际情况还不是很了解。
1 树脂热分解
废树脂热分解和固化处理是首先将废树脂在200~230℃的温度下烘烤进行分解（根据相关树脂差热资料，树脂在该温度下烘烤达不到完全碳化的程度），热分解后废树脂的水份不再存在，活性基团一部分遭到破坏。热分解产生的气体（水蒸汽、（NH3）3N、SO2等），经处理（洗涤吸收和过滤）后排出。热分解残余物主要是含有原树脂结构骨架材料聚苯乙烯的褐色至黑色颗粒物。这种颗粒物可以作为填充物进行水泥固化，也可以采用沥青固化进行包容。由于热分解已经将树脂中的大部分活性基团破坏，从而消除了废树脂在固化过程中（阴、阳树脂）和固化体（对水的敏感性）的弊端。而且这几种固化体的浸出率都很低，能够满足废物体直接在近地表处置的要求，不需要再装入高整体容器作二次包装。
废树脂热分解过程是一个缓慢、平稳的操作（温度很容易控制，压力为微负压），设备不复杂（不需要特殊防腐材料），尾气处理也不难，这些都比较容易实现。在废树脂热分解过程中主要的难点是热分解设备的形式和结构。
废树脂热分解后残留物的固化是常规的固化操作，由于原废树脂中的大部分活性基团已被破坏，因此固化操作更容易实现。
根据以上情况进行的试验，试验结果如下。
2 树脂热分解试验
试验用树脂：除盐水处理系统卸出的废树脂。
加热器：电烘箱。
将湿树脂直接放入烘箱（最高温度230℃），烘烤2小时。树脂在烘烤过程中脱水和分解，颜色从开始的浅黄色逐渐变成棕色，最后大部分成为黑色。树脂烘烤后残留的质量和体积大约均为原树脂质量和体积的三分之一，有完整记录的几次试验结果见表1。
3 烘烤残余树脂水泥固化试验
水泥：普通硅酸盐水泥，牌号P.O42.5。
水：除盐水。
树脂：经烘箱烘烤后的残余树脂。
将烘烤残余树脂与按一定比例配制的水泥浆混合，搅拌均匀后倒入固化样品模具中放置养护，直至凝固成水泥固化样块。
烘烤残余树脂水泥固化试验结果见表2。
4 烤残余树脂沥青固化试验
沥青：70号道路石油沥青和10号建筑石油沥青。
树脂：经烘箱烘烤后的残余树脂。
将烘烤残余树脂与按一定比例与熔融沥青混合，搅拌均匀后倒入固化样品模具中冷却，直至凝固成沥青固化样块。
烘烤残余树脂理清固化试验结果见表2。
5 试验结果分析
5.1 树脂在电烤箱烘烤后的残余物的重量和体积大约都为原树脂的三分之一；
5.2 烘烤后树脂残余物水泥固化包容率在40%时仍然有较好的物理性能，浸水后未见性能衰减；
5.3 废树脂采用热分解后水泥固化处理的最终体积少于原废树脂的体积，且不需要装入高整体容器，因此，最终处置废物可以比原有水泥固化和热态压实水泥固定再装入HIC的体积要少得多；
5.4 废树脂采用热分解后沥青固化处理的最终体积少于原废树脂的体积，且不需要装入高整体容器，因此，最终处置废物可以比原有水泥固化和热态压实水泥固定再装入HIC的体积要少得多；比废树脂热分解后水泥固化处理的体积少。
5.5 工艺过程和操作都很简单，不添加任何添加剂。
6 后续研究的考虑
6.1 目前试验树脂采用的是水处理系统卸出的废树脂，这种树脂与核电厂水处理使用的树脂有差异，差异主要是核电厂使用的树脂颗粒更大（核电厂使用的树脂直径1mm左右，而民用水处理系统使用的树脂为0.5mm左右）；
6.2 由于树脂热分解后的稳定性提高，是否可以进一步提高包容率；
6.3 树脂热分解后的残余物尝试采用沥青固化，包容率进一步提高。
6.4 对树脂热分解及固化体性能（抗压强度、抗冲击性能、抗浸出性、抗浸泡性、抗冻融性、耐辐照性）进行定量测定。
7 结论
综上所述，废树脂热分解和固化处理可能是一种处理废树脂的较好方法，主要对树脂热分解温度、分解时间，分解残留物的成分、结构，以及残留物与固化基材的相容性和包容量等研究。
论文作者:张瑞
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/22
标签：树脂论文; 分解论文; 核电厂论文; 水泥论文; 沥青论文; 体积论文; 残余论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;