超临界水氧化技术及其在放射性废物处理的应用

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0855

摘要/Abstract

摘要：

超临界水氧化技术（SCWO）自1980年被提出以来得到了快速的发展，在废物处理、尤其是有机危废的处理上发挥了重要的作用。从超临界水自身的特性出发，系统地介绍了SCWO的特点，并从基础研究进展、技术应用领域、关键技术难题及其解决方案等方面综述了SCWO的发展历程，重点对SCWO在放射性废物处理领域的研究和应用进行了总结和分析。针对目前SCWO工艺的废水增容问题，指出了废水最小化的建议，提出通过提高现有SCWO体系的氧化容量和提高SCWO工艺过程中水的利用率实现废水减容的措施。

关键词: 超临界水氧化, 放射性有机废物, 废水最小化

Abstract:

Supercritical water oxidation technology（SCWO） has been developed rapidly since it was proposed in 1980，and has played an important role in waste treatment，especially the treatment of organic hazardous waste. Starting from the characteristics of supercritical water，the advantages of SCWO are systematically introduced. The development process is also systematically reviewed，in terms of scientific research progress，technical application，key problems and solutions and so on. Importantly，the research and application of SCWO in the field of radioactive waste treatment were summarized and analyzed. In particular，in view of the increase in waste water caused by the current SCWO process，suggestions for wastewater minimization were pointed out. A solution to reduce the volume of wastewater by jointly increasing the oxidation capacity of the existing SCWO system and achieving high water utilization in the SCWO process was proposed.

Key words: supercritical water oxidation, radioactive wastes, minimization of wastewater

中图分类号:

X703

秦强, 夏晓彬, 李世斌, 王帅. 超临界水氧化技术及其在放射性废物处理的应用[J]. 工业水处理, 2022, 42(9): 38-45.

Qiang QIN, Xiaobin XIA, Shibin LI, Shuai WANG. Supercritical water oxidation technology and its application in radioactive waste treatment[J]. Industrial Water Treatment, 2022, 42(9): 38-45.

https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I9/38

图/表 3

参考文献 60

1	BELLISSENT-FUNEL M C. Structure of supercritical water［J］. Journal of Molecular Liquids，2001，90（1/2/3）：313-322. doi:10.1016/s0167-7322(01)00135-0
2	MARSHALL W L， FRANCK E U. Ion product of water substance，0-1 000 ℃，1-10 000 bars new international formulation and its background［J］. Journal of Physical & Chemical Reference Data，1981，10（2）：295-304. doi:10.1063/1.555643
3	LÜMMEN N， KVAMME B. Kinetics of NaCl nucleation in supercritical water investigated by molecular dynamics simulations［J］. Physical Chemistry Chemical Physics，2007，9（25）：3251-3260. doi:10.1039/b703430j
4	TIAN Yiling， MICHELBERGER T， FRANCK E U. High-pressure phase equilibria and critical curves of （water+n-butane） and （water+n-hexane） at temperatures to 700 K and pressures to 300 MPa［J］. The Journal of Chemical Thermodynamics，1991，23（1）：105-112.
5	MANDAL A， OJHA K， DE A K，et al. Removal of catechol from aqueous solution by advanced photo-oxidation process［J］. Chemical Engineering Journal，2004，102（2）：203-208. doi:10.1016/j.cej.2004.05.007
6	LI Yanhui， WANG Shuzhong. Supercritical water oxidation for environmentally friendly treatment of organic wastes［M］. Advanced Supercritical Fluids Technologies. Intech Open，2019：1-28.
7	KOSARI M， GOLMOHAMMADI M， TOWFIGHI J，et al. Decomposition of tributhyl phosphate at supercritical water oxidation conditions：Non-catalytic，catalytic，and kinetic reaction studies［J］. Journal of Supercritical Fluids，2018：S0896844617304199. doi:10.1016/j.supflu.2017.09.012
8	戴航，黄卫红，钱晓良，等. 超临界水氧化法水处理技术进展［J］. 化工环保，2001，21（2）：79-83. doi:10.3969/j.issn.1006-1878.2001.02.005
	DAI Hang， HUSNG Weihong， QIAN Xiaoliang，et al. Progress in supercritical water oxidation process for water treatment［J］. Environmental Protection of Chemical Industry，2001，21（2）：79-83. doi:10.3969/j.issn.1006-1878.2001.02.005
9	TESTER J W， MARRONE P A， HODES M，et al. Salt precipitation and scale control in supercritical water oxidation-Part A：Fundamentals and research［J］. The Journal of Supercritical Fluids，2004，29（3）：265-288.
10	BROCK E E， SAVAGE P E. Detailed chemical kinetics model for supercritical water oxidation of C₁ compounds and H₂ ［J］. AIChE Journal，1995，41（8）：1874-1888. doi:10.1002/aic.690410806
11	TAN Yujia， YANG Bowen， GAO Xiaoping，et al. A novel synergistic denitrification mechanism during supercritical water oxidation［J］. Chemical Engineering Journal，2019，382：123004. doi:10.1016/j.cej.2019.123004
12	JIANG Zhuohang， LI Yanhui， WANG Shuzhong，et al. Review on mechanisms and kinetics for supercritical water oxidation processes［J］. Applied Sciences，2020，10（14）：4937. doi:10.3390/app10144937
13	LI Jianna， WANG Shuzhong， LI Yanhui，et al. Supercritical water oxidation of glyphosate wastewater［J］. Chemical Engineering Research and Design，2021，168：122-134. doi:10.1016/j.cherd.2021.02.002
14	TOP S， AKGÜN M， KPAK E，et al. Treatment of hospital wastewater by supercritical water oxidation process［J］. Water Research，2020，185：116279. doi:10.1016/j.watres.2020.116279
15	MYLAPILLI S， REDDY S N. Sub and supercritical water oxidation of pharmaceutical wastewater［J］. Journal of Environmental Chemical Engineering，2019，7（3）：103165. doi:10.1016/j.jece.2019.103165
16	YANG Jianqiao， WANG Shuzhong， LI Yanhui，et al. Novel design concept for a commercial-scale plant for supercritical water oxidation of industrial and sewage sludge［J］. Journal of Environmental Management，2019，233：131-140. doi:10.1016/j.jenvman.2018.11.142
17	ZHANG Yishu， WANG Shuzhong， SONG Wenhan，et al. Characteristics of sodium sulfate deposition in hydrogen production from supercritical water gasification：A review［J］. International Journal of Hydrogen Energy，2019，44（56）：29467-29482. doi:10.1016/j.ijhydene.2019.05.125
18	SCHUBERT M， AUBERT J， MÜLLER J B，et al. Continuous salt precipitation and separation from supercritical water. Part 3：Interesting effects in processing type 2 salt mixtures［J］. Journal of Supercritical Fluids，2012，61：44-54. doi:10.1016/j.supflu.2011.08.011
19	MAKAEV S V， BITOKHOV T M， KRAVCHUK K G，et al. Salt deposition from hydrothermal solutions in a flow reactor［J］. Russian Journal of Physical Chemistry B，2011，5（7）：1045-1055. doi:10.1134/s1990793111070062
20	张平，王景昌，张晓冬，等. 超临界水氧化法进行废水处理的研究进展［J］. 环境保护科学，2003（5）：15-17. doi:10.3969/j.issn.1004-6216.2003.05.006
	ZHANG Ping， WANG Jiangchang， ZHANG Xiaodong，et al. Progress on waste water treatment of supercritical water oxidation［J］. Environmental Protection Science，2003（5）：15-17. doi:10.3969/j.issn.1004-6216.2003.05.006
21	TRACY WOFFORD III W， GRIFFITH J W， HUMPHRIES R W，et al. Apparatus and method for applying an oxidant in a hydrothermal oxidation process：US，6475396［P］. 2002-11-05.
22	KHAN M S. Deposition of sodium carbonate and sodium sulfate in supercritical water oxidation systems and its mitigation［D］. Vancouver：The University of British Columbia，2005.
23	GONG Weijin， LI Fang， XI Danli. Supercritical water oxidation of acrylic acid production wastewater in transpiring wall reactor［J］. Environmental Engineering Science，2009，26（1）：131-136. doi:10.1089/ees.2007.0279
24	XU Donghai， WANG Shuzhong， GAO Yanmeng，et al. A novel concept reactor design for preventing salt deposition in supercritical water［J］. Chemical Engineering Research & Design，2010，88（11）：1515-1522. doi:10.1016/j.cherd.2010.03.003
25	BAUR S， SCHMIDT H， KRÄMER A，et al. The destruction of industrial aqueous waste containing biocides in supercritical water：Development of the SUWOX process for the technical application［J］. Journal of Supercritical Fluids，2005，33（2）：149-157. doi:10.1016/j.supflu.2004.07.005
26	MARRONE P A， HODES M， SMITH K A，et al. Salt precipitation and scale control in supercritical water oxidation—Part B：Commercial/full-scale applications［J］. Journal of Supercritical Fluids，2004，29（3）：289-312. doi:10.1016/s0896-8446(03)00092-5
27	PENG Q J， TEYSSEYRE S， ANDRESEN P L. Stress corrosion crack growth in type 316 stainless steel in supercritical water［J］. Corrosion，2007，63（11）：1033-1041. doi:10.5006/1.3278318
28	FÉRON D. Nuclear corrosion science and engineering［M］. Elsevier，2012：880-896. doi:10.1533/9780857095343.1.31
29	GAO Xin， WU Xinqiang， ZHANG Zhanen，et al. Characterization of oxide films grown on 316L stainless steel exposed to H₂O₂-containing supercritical water［J］. Journal of Supercritical Fluids，2007，42（1）：157-163. doi:10.1016/j.supflu.2006.12.020
30	SUN Chuanwen， HUI R， QU Wei，et al. Progress in corrosion resistant materials for supercritical water reactors［J］. Corrosion Science，2009，51（11）：2508-2523. doi:10.1016/j.corsci.2009.07.007
31	KRITZER P. Corrosion in High-temperature and supercritical water and aqueous solutions：A review［J］. Journal of Supercritical Fluids，2004，29（1）：1-29. doi:10.1016/s0896-8446(03)00031-7
32	YANG Jianqiao， WANG Shuzhong， WANG Jiahua，et al. Effect of high flow velocity on corrosion behavior of Ni based and Ni-Fe based alloys in supercritical water oxidation environment［J］. Journal of Supercritical Fluids，2021，170：105126. doi:10.1016/j.supflu.2020.105126
33	MICKAËL P， LOÏC M， MICHEL T，et al. Corrosion mechanism of a Ni-based alloy in supercritical water：Impact of surface plastic deformation［J］. Corrosion Science，2015，100：47-56. doi:10.1016/j.corsci.2015.06.032
34	ASSELIN E， ALFANTAZI A， ROGAK S. Corrosion of Nickel-chromium alloys，stainless steel and niobium at supercritical water oxidation conditions［J］. Corrosion Science，2010，52（1）：118-124. doi:10.1016/j.corsci.2009.08.053
35	MARRONE P A， HONG G T. Corrosion control methods in supercritical water oxidation and gasification processes［J］. Journal of Supercritical Fluids，2009，51（2）：83-103. doi:10.1016/j.supflu.2009.08.001
36	CHEN Yanhai， REN Lu， YI Guoming，et al. Oxidation resistance of Fe-Cr-Ni laser cladding layer under supercritical water［J］. Surface Topography Metrology and Properties，2020，8（2）：025035. doi:10.1088/2051-672x/ab9b6a
37	陈忠，王光伟，陈鸿珍，等. 气封壁高浓度有机污染物超临界水氧化处理系统［J］. 环境工程学报，2014，8（9）：3825-3831．
	CHEN Zhong， WANG Guangxu， CHEN Hongzhen，et al. Gas seal supercritical water oxidation system for treatment of concentrated organic wastes［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering，2014，8（9）：3825-3831.
38	WANG Jianlong， WAN Zhong. Treatment and disposal of spent radioactive ion-exchange resins produced in the nuclear industry［J］. Progress in Nuclear Energy，2015，78：47-55. doi:10.1016/j.pnucene.2014.08.003
39	HUANG Y J， WANG H P， LI C T，et al. Minimization of cobalt nuclide emissions in supercritical water oxidation of spent resin［J］. Chemosphere，2000，40（4）：347-349. doi:10.1016/s0045-6535(99)00221-0
40	AKAI Y， YAMADA K， SAKO T. Ion-exchange resin decomposition in supercritical water［J］. High Pressure Research，2001，20（1/2/3/4/5/6）：515-524. doi:10.1080/08957950108206199
41	LEYBROS A， RUIZ J C， D’HALLUIN T，et al. Treatment of spent ion exchange resins：Comparison between hydrothermal and acid leaching processes［J］. Journal of Environmental Chemical Engineering，2020，8（4）：103873. doi:10.1016/j.jece.2020.103873
42	XU Tiantian， WANG Shuzhong， LI Yanhui，et al. Optimization and mechanism study on destruction of the simulated waste ion-exchange resin from the nuclear industry in supercritical water［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research，2020，59（40）：18269-18279. doi:10.1021/acs.iecr.0c02732
43	KIM K， SON S H， KIM K S，et al. Treatment of radioactive ionic exchange resins by super-and sub-critical water oxidation（SCWO）［J］. Nuclear Engineering & Design，2010，240（10）：3654-3659. doi:10.1016/j.nucengdes.2010.06.018
44	KIM K， KIM K S， CHOI M，et al. Treatment of ion exchange resins used in nuclear power plants by super-and sub-critical water oxidation：A road to commercial plant from bench-scale facility［J］. Chemical Engineering Journal，2012，189：213-221. doi:10.1016/j.cej.2012.02.060
45	杨林月，张振涛. 超临界水氧化技术处理磷酸三丁酯的实验研究［J］. 原子能科学技术，2016，50（12）：2138-2144. doi:10.7538/yzk.2016.50.12.2138
	YANG Linyue， ZHANG Zhentao. Experiment study on treating tributylphosphate by supercritical water oxidation［J］. Atom Energy Science and Technology，2016，50（12）：2138-2144. doi:10.7538/yzk.2016.50.12.2138
46	李腾，包良进，鲜亮，等. 超临界水氧化处理放射性废TBP/煤油技术研究［J］. 原子能科学技术，2021，55（4）：594-602． doi:10.7538/yzk.2020.youxian.0349
	LI Teng， BAO Liangjin， XIAN Liang，et al. Study on radioactive TBP/kerosene treatment by supercritical water oxidation［J］. Atom Energy Science and Technology，2021，55（4）：594-602． doi:10.7538/yzk.2020.youxian.0349
47	WANG Shuai， QIN qiang， XIA Xiaobin，et al. Supercritical water oxidation of spent extraction solvent simulants［J］. Nuclear Science and Techniques，2015，26（3）：30601.
48	QIN Qiang， WANG Shuai， WANG Hongyu，et al. Treatment of radioactive spent extraction solvent by supercritical water oxidation［J］. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry，2017，314（2）：1169-1176. doi:10.1007/s10967-017-5445-1
49	QIN Qiang， WANG Shuai， PENG Honghua，et al. Solubility of radioactive inorganic salt in supercritical water［J］. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry，2018，317（2）：947-957. doi:10.1007/s10967-018-5939-5
50	SUGIYAMA W， YAMAMURA T， PARK K C，et al. An Extreme disposition method for low-level radioactive wastes using supercritical water（3）［J］. Progress in Nuclear Energy，2005，47（1/2/3/4）：448-453. doi:10.1016/j.pnucene.2005.05.046
51	SUGIYAMA W， PARK K C， YAMAMURA T，et al. Decomposition of radioactive organic wastes with supercritical water medium containing RuO₂ ［J］. Journal of Nuclear Science and Technology，2005，42（2）：256-258. doi:10.1080/18811248.2005.9726387
52	SUGIYAMA W， YAMAMURA T， PARK K C，et al. Recovery of radioactivity as solids from nonflammable organic low-level radioactive wastes using supercritical water mixed with RuO₂ ［J］. Journal of Supercritical Fluids，2005，35（3）：240-246. doi:10.1016/j.supflu.2005.02.003
53	AKAI Y， OHMURA H， YAMADA K，et al. Liquid scintillation counter cocktail decomposition in supercritical water［J］. Journal of Nuclear Science and Technology，2007，44（8）：1089-1094． doi:10.1080/18811248.2007.9711350
54	卜君如，周新凯，刘欢，等. 超临界芬顿氧化法处理对氨基苯酚［J］. 石油化工，2019，48（2）：143-148. doi:10.3969/j.issn.1000-8144.2019.02.008
	BU Junru， ZHOU Xinkai， LIU Huan，et al. Treatment of p-aminophenol by supercritical Fenton oxidatin［J］. Petrochemical Technology，2019，48（2）：143-148. doi:10.3969/j.issn.1000-8144.2019.02.008
55	KRONHOLM J， METSÄLÄ H， HARTONEN K， al et，et al. Oxidation of 4-chloro-3-methylphenol in pressurized hot water/supercritical water with potassium persulfate as oxidant［J］. Environmental Science & Technology，2001，35（15）：3247-3251. doi:10.1021/es000275e
56	CHANG Kengchen， LI Lixiong， GLOYNA E F. Supercritical water oxidation of acetic-acid by potassium-permanganate［J］. Journal of Hazardous Materials，1993，33（1）：51-62. doi:10.1016/0304-3894(93)85063-k
57	DELL’ORCO P C，FOY B， WILMANNS E，et al. Hydrothermal oxidation of organic compounds by nitrate and nitrite［J］ Innovations in Supercritical Fluids，1995，12：179-196. doi:10.1021/bk-1995-0608.ch012
58	DELL’ORCO P C， GLOYNA E F， BUELOW S J. Reactions of nitrate salts with ammonia in supercritical water［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research，1997，36（7）：2547-2557. doi:10.1021/ie9605894
59	LEE S H， PARK K C， MAHIKO T，et al. Supercritical water oxidation of polychlorinated biphenyls based on the redox reactions promoted by nitrate and nitrite salts［J］. Journal of supercritical fluids，2006，39（1）：54-62. doi:10.1016/j.supflu.2006.01.002
60	刘子煜.工业废水的产生、治理及回收利用［J］. 化工管理，2021（10）：33-34.
	LIU Ziyu. Analysis of industrial wastewater production，treatment and recycling［J］. Chemical Enterprise Management，2021（10）：33-34.

项目	水	超临界水
温度/℃	25	374.3
压力/MPa	0.1	22.1
比容/（m³·kg^-1）	0.001	0.004
导热系数/（W·m^-1·℃^-1）	0.607	0.457
黏度/（m²·s^-1）	8.927×10^-7	1.343×10^-7
介电常数	78.408	3.838
氧溶解度/（mg·L^-1）	8	∞
解离常数	10^-14	10^-18

项目	水	超临界水
温度/℃	25	374.3
压力/MPa	0.1	22.1
比容/（m³·kg^-1）	0.001	0.004
导热系数/（W·m^-1·℃^-1）	0.607	0.457
黏度/（m²·s^-1）	8.927×10^-7	1.343×10^-7
介电常数	78.408	3.838
氧溶解度/（mg·L^-1）	8	∞
解离常数	10^-14	10^-18

[1]	刘悦, 刘岩, 柴涛, 田楠, 王晨. 甲基肼废水的超临界/过热近临界水氧化降解研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(2): 76-81.
[2]	张亚朋, 侯吉礼, 崔龙鹏, 王志强, 刘艳芳, 郎子轩. 催化超临界水氧化技术研究进展[J]. 工业水处理, 2022, 42(1): 29-37.
[3]	姜伟立,公彦猛,舒胜,陆嘉昂. 吡啶的超临界水氧化处理实验研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(3): 35-39.
[4]	兰树仁,柴涛,刘玉存,侯瑞琴,刘雯雯. 催化超临界水氧化技术处理硝酸肼和无水肼[J]. 工业水处理, 2020, 40(9): 80-84.
[5]	郑烨,陈淼超. RSM优化SCWO处理高浓度氨氮化肥废水的研究[J]. 工业水处理, 2019, 39(6): 43-47.
[6]	公彦猛, 姜伟立, 李爱民. 垃圾渗滤液膜滤浓缩液的超临界水氧化处理[J]. 工业水处理, 2018, 38(1): 74-78.
[7]	李世刚, 王万福, 孟庭宇, 李聃, 章昀昊, 蹇欢, 刘冰. 工业污泥超临界水氧化处理的研究进展[J]. 工业水处理, 2018, 38(1): 1-5.
[8]	石晓康, 王黎. SCWO处理轮胎裂解脱硫废液的响应面法优化[J]. 工业水处理, 2017, 37(10): 72-77.
[9]	王玉珍, 高芬, 王来升, 赵高扬, 孙盼盼, 王树众, 方长青. 超临界水氧化系统中氧回用工艺经济性评估[J]. 工业水处理, 2016, 36(3): 39-42.
[10]	公彦猛, 王树众, 肖旻砚, 梁琛. 垃圾渗滤液超临界水氧化处理的研究现状[J]. 工业水处理, 2014, 34(1): 5-9.
[11]	于广欣, 于航, 王建伟, 王玉珍, 王树众. 煤气化废水的超临界水氧化处理实验[J]. 工业水处理, 2013, 33(4): 65-68.
[12]	黄晓慧, 王增长, 崔文全, 王鹏. 超临界水氧化过程中的腐蚀控制方法[J]. 工业水处理, 2013, 33(12): 6-10.
[13]	胡紫芳, 姜浩锡, 李桂明. 超临界水环境中焦化废水的脱盐及处理研究[J]. 工业水处理, 2013, 33(10): 63-67.
[14]	王有乐, 李双来, 蒲生彦. 超临界水氧化技术及应用发展[J]. 工业水处理, 2008, 28(7): 1-3.
[15]	蔡毅, 马承愚, 彭英利, 耿鹏印, 田江霞, 俞昌吉. 超临界水氧化法处理丙烯腈剧毒废水的实验研究[J]. 工业水处理, 2006, 26(3): 42-44.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容