十大加速器排名

10电子束辐照技术在废水处理中的基本应用

-电子束 -污水 -处置

电子束加速器辐照

1. 江苏省辐射环境掩护咨询中央, 江苏 南京 210019 ;
2. 环境掩护部核与辐射安全中央

收稿日期:2014-02-13;修回日期:2014-05-06

作者简介:洪天祺(1980-), 男, 四川遂宁人, 工学硕士, 从事核产业类环境影响评价工作.

本文研究的产业辐照电子加速器电子最大能量为10 MeV, 流强最大为5 mA, 功率最大为50 kW, 重要用于对医疗机器、食品辐照灭菌和电子元器件、电缆连接件等辐照产品 [ 1 ] 。辐照产品通过不锈钢传输带主动传送收支辐照室, 电子束固定朝下举行辐照加工。电子在运动中受到产品、传输钢带或其他物质拦截时会产生韧致辐射, 差别的拦截质料和差别的方向, 韧致辐射的强度差别。由于加速器由上向下辐照, 辐照室底部为地基, 因此辐照室屏蔽重要思量附近墙体对90°方向产生的韧致辐射和顶部对180°方向产生的韧致辐射防护。

1 辐射剂量率理论盘算

加速器辐照时, 电子束固定朝下照射, 电子束大概轰击的物质有3种:①辐照产品, 重要为医疗机器、食品辐照灭菌、电子元器件和电缆连接件等; ②辐照产品传输带(不锈钢质料); ③混凝地皮面。在这3种轰击物质中不锈钢Z值(原子序数)最大, X射线发射率最高, 偏安全思量选取电子束轰击不锈钢来举行辐射防护盘算。查《辐射防护导论》(方杰主编) [ 2 ] 图 3.3和思量修正因子后:90°方向上的X射线发射率 δ α (90°)取6 Gy · m 2 /mA·min; 180°方向上的X射线发射率 δ α (180°)取1.5 Gy · m 2 /mA·min (90°和180°方向上的X射线的发射率修正因子取0.5, 180°方向上的X射线的发射率可以按等效为3 MeV电子在0°方向上的X射线的发射率选取)。

根据《辐射防护导论》101页3.51~3.53公式可导出公式(1)对辐照室的附近混凝土墙体差别厚度处的辐射剂量率举行盘算。

1)

式中 δ α 是间隔辐射源(即靶)1 m处的吸取剂量指数率, Gy · m 2 ·mA -1 · min -1 ; I 是电子束流强度, mA; q 为居留因子, 辐射剂量率盘算时取1; r 为参考点至辐射源的间隔, m; η X 为透射比。由于90°的低级X射线的能谱比0°方向的低级X射线的能谱软, 180°的低级X射线的能谱比90 °方向的低级X射线的能谱软, 因此透射比 η x 应按射线能量选取(查《辐射防护导论》图 3.25 10 MeV电子90°和180°方向等效入射电子能量分别取6 MeV和3 MeV)。查《辐射防护导论》图 3.22, 入射电子能量为6 MeV和3 MeV时, 差别厚度混凝土墙体的透射比盘算效果见 表 1 和 表 2 。根据公式(1)带入相关参数盘算90°方向辐照室附近墙体屏蔽体差别厚度处的辐射剂量率效果见 表 1 取 δ α 为6 Gy·m 2 ·mA -1 ·min -1 , I 为5 mA。

表 1 Table 1

表 1 90°方向辐照室附近墙体屏蔽体差别厚度处的辐射剂量率理论盘算效果 表 1 90°方向辐照室附近墙体屏蔽体差别厚度处的辐射剂量率理论盘算效果

表 2 Table 2

表 2 180°方向的辐照室顶部屏蔽体差别厚度处的辐射剂量率理论盘算效果 表 2 180°方向的辐照室顶部屏蔽体差别厚度处的辐射剂量率理论盘算效果

根据公式(1)带入相关参数盘算180°方向的辐照室顶部屏蔽体差别厚度处的辐射剂量率效果见 表 2 取 δ α 为1.5 Gy · m 2 · mA -1 · min -1 , I 为6 mA。

2 辐射剂量率的MCNP5模仿盘算

首先使用MCNP5软件模仿盘算电子束轰击铁靶时90°方向和180°方向X射线的发射率。源项为一束10 MeV电子束沿Z轴方向垂直入射铁靶, 束流截面为半径为0.5 mm的圆平面, 距靶3.6 cm。MCNP5模仿盘算90°方向X射线发射率时, 靶为半径为1.4 cm, 高度为4.0 cm的圆柱体; 盘算180°方向X射线发射率时, 靶为半径为1.4 cm, 高度为0.3 cm的圆柱体。分别使用MCNP5中的F5卡(半径为1 cm的点探测器, 通过DE/DF卡修改F5卡计数实现粒子注量率与剂量率的转换, 通量剂量转换因子选择MCNP5附表H.2 [ 3 ] 中数据, 电子和光子截断能量为0.05 MeV, 混凝土密度为2.36 g/cm 3 , 跟踪样本总数为2 × 10 6 )盘算90°方向和180°方向X射线发射率和差别屏蔽体厚度处的辐射剂量率。使用MCNP5中F5卡盘算得到归一化的90°方向1m处的X射线发射率为6.86 ×10 -12 rem/h, 相当于6.3 Gy · m 2 /mA · min; F5卡盘算得到归一化的180°方向1 m处的X射线发射率为9.86 ×10 -13 rem/h, 转换后相当于1.0 Gy · m 2 /mA · min。当 I 为5 mA时F5卡盘算得到90°方向墙体差别厚度处辐射剂量率模仿盘算效果及转换效果见 表 3

表 3 Table 3

表 3 90°方向墙体差别厚度处辐射剂量率MCNP5盘算效果 表 3 90°方向墙体差别厚度处辐射剂量率MCNP5盘算效果

使用MCNP5中F5卡盘算得到180°方向屋顶差别厚度处辐射剂量率模仿效果及转换效果见 表 4

表 4 Table 4

表 4 180°方向屋顶差别厚度处辐射剂量率MCNP5盘算效果 表 4 180°方向屋顶差别厚度处辐射剂量率MCNP5盘算效果
3 效果及比较分析

对比MCNP5盘算效果与查图法得到的0°方向和90°方向X射线发射率符合较好。比较 表 1 与 表 3 和 表 2 与 表 4 效果, MCNP5与理论盘算得到的90°和180°方向上差别混凝土厚度处的辐射剂量率效果相差(0~1)个数目级。效果表明理论模式在10 MeV产业辐照电子加速器辐射防护盘算中与MCNP5相比是偏安全的。

导读

由于人们生产活动的多样性,污水中的污染物质非常庞杂,仅使用传统的污水处置措施很难彻底解决废水净化问题。这就需要有一种新型、高效、经济的技能来解决现在碰到的困难。随着电子束辐照技能的发展,其在污水处置方面体现出巨大的潜力:干净、高效、无二次污染,可以或许剖析处置多种污染物质,因这天益受到人们的重视。

电子束辐照技能 就是使用被加速的电子束流轰击或照射被处置对象,使之发生常规方法难以引发的物理化学及生物学反响,从而到达优化产品格量、进步产品性能、净化物质等目标。污水处置则是使用加速后的电子束流对污水举行辐照.使。水中的污染物发生剖析或降解、有害微生物发生变性等,来到达消毒净化废水的目标。

由于电子束流的辐照能量大部分会沉积在水分子中,在电子束流作用下,当电子束辐照能量超越水分子化学键的键能和分子的电离势能时,化学键和分子的联合能就会被粉碎,污水便被辐照剖析天生较强的氧化物质(如OH、H202、02-等),这些氧化物质与水中的污染物质、细菌相互作用,到达氧化剖析和消毒的目标。

电子加速器装置 由一系列高精度的机器电子装备体系和庞杂的控制体系构成,是电子束处置污水的焦点装备。涉及多个学科范畴,如高真空、高气压、电子学、高频与微波技能、盘算机与主动控制!、机器计划与制造、质料学、束流丈量、辐射防护等。辐照加速器的重要构成:

(1)电子枪;

(2)加速器主机,包括加速高频体系、控制磁场体系、真空体系;

(3)电子束流的束缚、引出及应用装置;

(4)控制体系部分。

现在作为辐照源的加速器重要分为低能段(0.15~0.5MeV)、中能段(0.5~5.0MeV)、高能段(5.0~10.0MeV)等3类加速器。随着加速器技能的不停发展,研制的加速器在布局大将越发紧凑、操作轻便,可根据需要举行参数的调解,易于维护。

现在,很多国度,如澳大利亚、匈牙利、印度、日本、约旦、波兰、葡萄牙、土耳其、美国,正在使用电子束辐射(EB)举行废水处置,用于种种用途,如废水和都市垃圾的去污,淘汰有毒农药的浓度,非生物降解质料,微生物污染的饮用水的消毒等。环球早期电子束废水处置厂分布如下图所示。

1 、韩国大邱工场

产业废水污染物含量非常庞杂,由于科技进步和产业历程的多样性,添加剂和衍生物种类繁多。这意味着该行业急迫需要一种可以或许看待它们的极其通用的工艺。这些废水包括庞杂的有机化合物和有色废水,电子束技能在处置这些污染物方面有着奇特的结果。由于该技能对于很多种类的废水都是有用的,而且对全部这些废水可以使用雷同的装备,因此它是一种非常通用的处置方法。从本钱方面来讲,海外的很多研究也表明使用电子束处置废水比较经济。

韩国在大邱建设了一个电子束和生化法联合的污水处置厂,将开端沉淀处置后的重度纺织业废水经电子辐照和生化降解后,可使水的污染物含量低落一半左右,工场流程图如下图所示。

该厂是一个天天处置1000立方米染色废水的试验工场,它使用能量为1MeV的加速器,产生400千瓦的光束功率。为了匀称照射水,使用宽度为1.5m的喷嘴型喷射器。


废水通过喷射器在电子束照射地区下注入,以得到充足的穿透深度。可以改变注射速率以到达肯定的应用结果。该体系与生化技能相联合,证实了化学试剂消耗的淘汰,以及保存时间的淘汰,去除服从进步了30~40倍,废水中总有机碳(TOC)、化学需氧量(COD)、。生化需氧量(BOD)等污染物指标都比原处置方法低落一半左右。

2 、美国迈阿密工场

美国

芝加哥都市污水回收局(MWRD)在电子束处置都市污水方面做了很多底子性的研究,研制出了可产业应用的电子束加速器,并与军方和一些贸易部分开展互助,以期将这一技能大范围贸易化应用。

由于都市污水中包括可以回收使用的有机物,以是芝加哥都市污水回收局(MWRD)的电子束处置工场不但包括污水处置装备,还包括大量的回收装备,以将这些有机物转化为农作物肥料等可用副产品。其布局图如下。

使用这些技能,美国在迈阿密建成了环球最大的都市污水电子束处置装置,总功率1MW,天天处置12亿加仑污水,处置本钱只有每加仑1.5~2美分,在处置都市污水和有机废物消毒方面取得了非常好的结果。该处置厂不但可以对污水举行净化,还可以将部分污染物转化为生产肥料。

3 、中广核金华工场

中国拥有一个大型产业体系,使用电子束举行废水处置将越发具有本钱优势。比年来,中国污水处置厂商不停在为其处置流程投入更多资金,并盼望接纳新的创新解决方案。中国首个使用电离辐射技能处置产业废水的示范工程于2017年在浙江金华启动运行,逐日可处置印染企业排放废水1500~2000立方米。辐照处置的水样比原处置技能化学需氧量(COD)和透明度都有明显改进。

金华示范项目在二次沉淀池中将难以通过传统本领降解的污水引入调治池使用电子束辐照技能举行处置,通过与传统的物化、生物、膜处置等工艺有机联合,电子束技能可以形成技能可行、经济本钱公道的解决方案。随着电子束处置产业废水技能臻于成熟,已具备大范围产业化应用的条件。

4 、移动式处置装备

除了固定式污水处置厂外,电子束辐照污水处置技能还可以安装在移动装备上,以满意多样化和机动性的小型污水处置需求。下图为一种电脑控制的电子束试验装置,安装在集装箱内,电子束需要接纳精良的关闭步伐,可以对废水和烟气举行净化处置,液体处置本领为天天500m3,气体处置本领为2,000Nm3 /h。

总结

电子束污水处置技能是污水处置范畴的新兴技能,西方发达国度在这方面已经有几十年的发展史,处置装置已有试验室进入大范围商用阶段,其处置服从比传统生化处置方法超过至少一倍,是将来污水处置范畴的重要发展方向。我国金华电子束污水处置厂的试验验证已取得阶段性希望,相信在不远的未来,环球将会建设更多的电子束污水处置装置,以满意越来越多样化的污水处置需求。

参考文献

[1]赵银桃,田明伟,张宪胜,曲丽君,朱士凤.电子束辐照技能在纺织范畴的应用[J].山东纺织科技,2018.

[2]张玉宝,郑辉,张晓东,梁爽,杨仲秋,宋翼天.使用辐射法处置污水的技能[J].黑龙江科学,2011.

[3]陈建平,张会杰,米正辉,白杨.加速器电子束辐照技能在污水处置中的应用[J].产业水处置,2014.

[4]SeungJoo Lim,Tak-Hyun Kim. Combined treatment of swine wastewater by electron beamirradiation and ion-exchange biological reactor system[J]. Separation andPurification Technology,2015.

[5]M.Emami-Meibodi,M.R. Parsaeian,R. Amraei,M. Banaei,F. Anvari,S.M.R. Tahami,B.Vakhshoor,A. Mehdizadeh,N. Fallah Nejad,S.P. Shirmardi,S.J. Mostafavi,S.M.J.Mousavi. An experimental investigation of wastewater treatment using electronbeam irradiation[J]. Radiation Physics and Chemistry,2016.

[6]WeihuaSun,Jun Chen,Lujun Chen,Jianlong Wang,Yongming Zhang. Coupled electron beamradiation and MBR treatment of textile wastewater containing polyvinylalcohol[J]. Chemosphere,2016.

[7]Hang-SikShin,Yu-Ri Kim,BumSoo Han,Igor E Makarov,Alexandr V Ponomarev,Alexei K Pikaev.Application of electron beam to treatment of wastewater from papermill[J].Radiation Physics and Chemistry,2002.

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电子加速器辐照装置

编辑 锁定

产生、加速、引出

电子束

流用于辐射加工的装置

[1]

中文名
电子加速器辐照装置
外文名
irradiation facility of electron accelerator

电子加速器辐照装置 组成

由束流产生装置、束流加速装置、束流引出和

辐射场

形成装置以及控制及其他辐射装置组成。

电子加速器辐照装置 分类:

电子加速器辐照装置按加速原理主要分为直流高压型和高频谐振型两大类。

(1) 直流高压型电子加速器辐照装置产生的束流是连续束流,常用的有:电子帘型、绝缘芯变压器型、中频谐振变压器型、高压倍加器型、高频高压型、电子静电型和三相变压器型。直流高压型电子加速器辐照装置的工作原理是利用带电粒子同性相斥、异性相吸,从而使电子可以在电位场中得到加速而获得能量,电子的能量由电位场中电位差决定。

(2) 高频谐振电子加速器辐照装置产生的束流多为脉冲束流,常用的有:直线型、单腔脉冲型和单腔多次加速型。高频谐振型电子加速器辐照装置工作原理是使电子束流多次通过交变电场区,每次都在同一个电压相位到达这个电场区,电子将得到一定的能量增益。最终,电子束流达到预定能量值之后,引出应用。

电子加速器辐照装置按能量分类

(1) 低能电子加速器辐照装置的能量范围在0.3MeV以下。特点是没有加速管和扫描装置、自屏蔽,机型为电子帘加速器。主要用于涂层固化,薄膜和片材的辐射加工等。

(2) 中能电子加速器辐照装置的能量范围在0.3MeV至5MeV之间。特点是主机为圆柱形扫描加速器。主要机型有地那米(高频高压)型、绝缘芯变压器型、中频变压器型、高频单腔脉冲型等加速器装置。主要用于电线电缆、发泡材料、热缩材料、橡胶等辐照加工。

(3) 高能电子加速器辐照装置的能量范围在5MeV至10MeV之间。特点是扫描型加速器,电子束流可以转换为X射线。主要机型有辐照用电子直线加速器装置、花瓣型电子加速器装置及5MeV以上地那米加速器装置。主要用于医疗用辐射消毒、食品保鲜、原材杀虫、复合材料辐射固化等

[2]

参考资料
  • 1. GB/T 25306-2010 辐射加工用电子加速器工程通用规范
  • 2. 黄正新. 电子辐照加速器装置[M]. 中国同位素与辐射行业协会辐射加工专业委员会, 2011