含Sr模拟废树脂碳酸熔盐氧化过程研究
摘要
离子交换树脂是一种可以与接触的废液进行离子交换的高分子，它本身不溶于离子
交换体系，只有相关的离子与废液交换。离子交换树脂常用于核燃料循环、放射性废液
处理等，随着核工业发展，越来越多的放射性废树脂亟待处理，长期暂存的废树脂易发
生辐解并产生易爆气体，为环境和社会造成了安全隐患。因此，急需提出一种妥当的废
树脂处理方法。熔盐氧化与热解、固化、焚烧等处理废树脂方法相比，具有氧化效率高、
减容比大、产生酸性气体少等优点。本文以ZG-ANR-50型阳离子树脂为实验对象，对
Sr
熔盐氧化的条件进行了筛选；研究了阳离子树脂和掺杂阳离子交换树脂的氧化过程
以及掺杂Sr对其氧化过程的影响；研究了混合树脂和掺杂Sr混合树脂的氧化过程以及
掺杂Sr对其氧化过程的影响。
N
本文首先将阳离子树脂分别在氛围下和空气氛围下进行了热重测试，发现在空
2
气下氧化树脂比在N氛围下氧化树脂在TG曲线多了一个失重峰，对其产物进行了XRD、
2
红外、气相色谱等测试发现：相比N氛围，多的一个阶段为无定形碳被氧化为CO的
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过程。然后对阳离子树脂氧化过程参数进行了探究。将阳离子树脂分别在不同速率空气
（0mL/s、1.5mL/s、3mL/s、4.5mL/s）条件下进行熔盐氧化，对其氧化效率、减容比
和截硫率进行了对比，氧化产物残渣和废盐进行了研究，分析得到最佳空气速率。在最
0.5h1h1.5h2h
佳空气速率条件下对氧化时间（、、、）进行了进一步探究，得出最佳
的氧化时间。发现在800℃、空气速率为3mL/s和4.5mL/s、氧化时间为2h时，其氧
化效率均可达到99.50%，减容比可以达到3.70以上，S元素的截留率可达73.4%，均满
足熔盐氧化废树脂技术指标要求。考虑实际工艺运行成本，选择实验条件为空气速率3
mL/s，时间为2h。
其次，本论文在探究出最佳实验参数的基础上，对阳离子树脂和含Sr阳离子交换
Sr
树脂进行了研究，探究在树脂氧化过程中起到的作用。将两种树脂分别在不同温度
下氧化2h，对其氧化产物、氧化效率等进行对比分析。结合热重、XPS和红外发现Sr
元素的存在影响了阳离子树脂官能团的分解过程，磺酸基团分解由两步转变为一步。另
SrXPS
外阳离子树脂官能团分解的终止温度因元素的加入而提前。经碳硫分析和可知
在三元碳酸盐熔融前，Sr元素对树脂氧化起抑制作用，在盐熔融后，Sr元素对树脂的氧
化起促进作用，其促进主要体现在Sr元素的加入减少了硫桥（-S-）的生成。通过ICP
XRDSrSrS
测试和可知，碳酸盐对元素和酸性气体有很强的截留能力，和两种元素是
哈尔滨工程大学硕士学位论文
相互促进截留的作用。
Sr
同时本文也对混合树脂和含混合交换树脂在最佳条件、不同温度下进行熔盐氧
化，并探究Sr元素和阴离子树脂的加入对氧化过程的影响。混合树脂中阴离子树脂官
能团先于阳离子树脂官能团分解，Sr元素的加入使得阴离子官能团分解的终止温度延后
10℃Sr
，元素对混合树脂氧化的影响主要体现在阳离子树脂分解过程，主要是磺酸基团
的分解由两步转为一步，并且减少了硫桥的产生，此结果与对阳离子树脂氧化过程造成