CC BY
12
УДК 621.039.7
Власенкова А.А., Обручиков А.В.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ УЛАВЛИВАНИЯ МЕТИЛИОДИДА УГЛЕРОДНЫМ МАТЕРИАЛОМ, ИМПРЕГНИРОВАННЫМ ТРИЭТИЛЕНДИАМИНОМ И ИОДИДОМ БАРИЯ
Власенкова Анна Андреевна, студент 5 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии; Обручиков Александр Валерьевич, к.т.н., доцент кафедры химии высоких энергий и радиоэкологии, e-mail: alexobruch@mail. ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
Проведены сорбционные испытания углеволокнистых материалов, содержащих различные количества иодида бария. Показано, что иодид бария эффективен для улавливания небольших количеств метилиодида и найдена его оптимальная концентрация. В результате сравнения качества сорбции радиоиода углеволокнистым материалом, импрегнированным триэтилендиамином и иодидом бария, была выявлена значительно более высокая эффективность ТЭДА. Рассчитаны сорбционные характеристики УВИС, импрегнированного иодидом бария, в зависимости от количества поданного в систему метилиодида.
Ключевые слова: радиоактивный метилиодид; сорбционно-фильтрующие материалы; иод-131; углеродные волокнистые сорбенты; газообразные радиоактивные отходы.
COMPARATIVE EFFICIENCY OF METHYL IODIDE SORPTION BY TEDA AND BaI2 IMPREGNATED CARBON FIBER MATERIAL
Vlasenkova A.A., Obruchikov A.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Sorption tests of carbon fiber materials containing various amounts of barium iodide have been carried out. Barium iodide has been shown to be effective in capturing small amounts of methyl iodide and its optimal concentration has been found. As a result of comparing the quality of the radioiodine sorption by a carbon fiber material impregnated with triethylenediamine and barium iodide, a significantly higher TEDA efficiency was found. The sorption characteristics of UVIS impregnated with barium iodide are calculated, depending on the amount of methyl iodide supplied to the system.
Keywords: radioactive methyl iodide; sorption-filtering materials; iodine-131; carbon fiber sorbents; gaseous radioactive waste.
Введение
Для комплексной очистки воздуха от радиоактивных аэрозолей иода и его органических соединений на атомных электростанциях используются фильтры ФАИ-3000, основу которых составляют углеродные волокнистые материалы. Они устанавливаются вместо аэрозольного фильтра в спецвентиляции АЭС, где проектом не предусмотрена установка фильтров-адсорберов радиоактивного иода, или в системах, где фильтры-адсорберы проработали в непрерывном режиме более 5-ти лет. Углеволокно представляет собой сорбционный материал на основе
карбонизированных волокон, импрегнированный различными веществами [1,2], вступающими в реакции с соединениями радиоиода для обеспечения его улавливания. Поддержание высокого уровня безопасности на АЭС напрямую связано с качеством сорбции иода, поэтому необходимо проводить исследования сорбционной способности различных образцов импрегнированного углеволокна для выявления наиболее эффективного, менее затратного и обеспечивающего стабильную работоспособность в различных условиях работы фильтра.
Целью данной работы является изучение сорбционной способности образцов углеволокна, импрегнированного иодидом бария, по отношению к радиоактивному метилиодиду.
Методика работы
Для проведения исследований сорбционных свойств и контроля качества иодных сорбентов, применяемых на АЭС был использован контрольно-исследовательский иодный стенд, описание которого представлено в работе [3].
Условия испытания сорбента: температура
относительная влажность линейная скорость газового потока объемная активность СНз1 в газе
Импрегнирование образцов углеволокнистого материала осуществляли в соответствии со следующей методикой. Предварительно
высушенные в сушильном шкафу до постоянной массы образцы углеволокна марки УВИС-АК-Т-40 были пропитаны водно-спиртовым растовором Ва12 (соотношение спирт/вода в растворе составляло 1:9). После этого для равномерного распределения соли материал сушили при комнатной температуре в течение суток. Таким образом были приготовлены
30,0±0,2 оС; 90,0±1,0 %; 2,3 см/с; 103 - 105 Бк/м3.
образцы с конечным содержанием иодида бария в углеволокне 1,6%, 3,6%, 7,1%, 10,6%, 14,1% по массе.
Радиоактивный метилиодид получали методом изотопного обмена путем внесения радиоактивной метки иода-131 в обессоленную воду с последующим контактом водного раствора с метилиодидом.
Испытания образцов проводились по методике, представленной в работе [4]. В ходе испытаний определялась взаимосвязь удельной активности, которая улавливается каждым из слоев сорбента, и количества радиоиода, поданного в колонку. Для сравнения сорбционной способности образцов углеткани с разными концентрациями иодида бария,
определяли емкость лобового слоя и эффективность первых двух слоев каждого из образцов в зависимости от количества поданного метилиодида. Радиометрию проводили на сцинтилляционном гамма-спектрометре "МУЛЬТИРАД-гамма". Экспериментальная часть и обсуждение результатов
Значения емкости лобового слоя материала были найдены по данным его активности исследуемых образцов и активности эталонного источника, в котором находилось заданное количество меченного метилиодида. Геометрия измерения при радиометрии была одинаковой. На рис. 1 показана кинетика накопления радиоактивного иодистого метила лобовым слоем углеволокнистого материала.
0,3
Л 3.6%
Л 10.6% 014.0%
О 7.1%
5 10
подано СН31, мг
Рис. 1. Зависимость емкости лобового слоя импрегнированного углеволокна от количества поданного CHз I
Обработка экспериментальных точек методом наименьших квадратов позволила установить коэффициенты А и к в уравнении типа / = А(1 — в~кт). При этом найденные коэффициенты А соответствуют значениям теоретической предельной емкости для каждой концентрации импрегнанта. Для образцов, содержащих 1.6%, 3.6%, 7.1%, 10.6%, 14.0% иодида бария они равны 0.24, 0.29, 0.56, 0.49, 0.41 мг/м2 метилиодида.
Наибольшая емкость лобового слоя у УВИС, импрегнированного 7.1% Ва12, что объясняется, во первых, неравномерностью распределения соли на поверхности углеволокна, а также агрегированием кристаллов иодида бария при увеличении его содержания в материале, следствием чего является уменьшение удельной поверхности импрегнанта, отсутствие прочного сцепления с поверхностью волокна и, в конечном итоге, снижение емкости лобового слоя.
Эффективность двух первых слоев определялась как отношение активности, сорбированной этими слоями к суммарной сорбированной активности. В табл. 1 представлены результаты расчета эффективности улавливания радиоиода двумя первыми слоями углеволокнистого материала, импрегнированного разными концентрациями иодида бария.
Из полученных данных следует, что эффективность всех образцов ниже 90% при количестве поданного радиоиода от 4 мг и выше. Следовательно, данные сорбенты обладают достаточной эффективностью сорбции при количестве сорбируемого метилиодида, не превышающего 4 мг.
Так как из всех исследуемых образцов наиболее эффективным оказался УВИС с концентрацией иодида бария, равной 7.1 мас%, представлялось интересным сравнить его с сорбционными свойствами УВИС, импрегнированным ТЭДА с такой же мольной концентрацией.
Таблица 1. Эффективность сорбции метилиодида двумя первыми слоями УВИС с различной концентрацией импрегнанта
Содержание иодида бария в образце
1,6% 3,6% 7,1% 10,6% 14,1%
Подано СНз1311, мг E, % Подано CH3131I, мг E, % Подано CH3131I, мг E, % Подано CH3131I, мг E, % Подано CH3131I, мг E, %
1,5 85,8 1,3 93,7 1,3 91,5 1,6 93,2 1,5 93,1
2,3 87,3 2,0 92,4 2,1 90,3 2,4 88,5 2,3 88,7
3,3 85,5 3,4 90,4 3,4 89,7 3,4 86,5 3,1 87,7
4,1 83,0 4,1 88,8 4,4 88,6 4,3 84,1 4,0 85,5
4,9 79,8 4,9 83,4 5,5 85,5 5,2 82,6 4,8 84,5
Результаты сравнения исследуемых зависимостей представлены в таблице 2: Таблица 2. Сорбционные характеристики материала УВИС+2% ТЭДА и УВИС+7,1% Ва12
7,1% BaI2 (0,02% мольн) подано СН31, мг 0,0 1,3 2,1 3,4 4,4 5,5 6,4 7,7
Е2-х слоев, % 100,0 91,5 90,3 89,7 88,6 85,5 84,5 82,2
Емкость лобового слоя, мг/см2 0,00 0,06 0,09 0,15 0,19 0,22 0,24 0,28
2% ТЭДА (0,02% мольн) подано СН31, мг 0,0 12,6 20,7 27,6 33,9 36,2 44,2 50,0
Е2-х слоев, % 100,0 94,1 92,6 91,9 91,3 90,7 89,8 89,3
Емкость лобового слоя, мг/см2 0,00 0,50 0,80 1,01 1,19 1,23 1,45 1,59
Анализируя данные, можно сделать вывод, что сорбционные характеристики углеволокна, импрегнированного ТЭДА существенно превышают характеристики УВИС+Ва12 и находятся на уровне, достаточном для использования в промышленном фильтре для удаления радиоиода из воздушного потока производственных помещений, в то время как иодид бария не обеспечивает высокого уровня сорбции.
Это связано с особенностями механизмов сорбции этих импрегнантов: сорбция на углеволокне с нанесенным ТЭДА проходит посредством хемосорбции в результате взаимодействия триэтилендиамина с иодистым метилом; в то время как на УВИС с иодидом бария происходит более медленный процесс изотопного обмена радиоактивного 1-131 со стабильным 1-127, входящим в состав импрегнанта.
Выводы: В результате проведения исследования сорбционных характеристик УВИС,
импрегнированного различными концентрациями иодида бария было установлено, что эффективность улавливания СНз1311 в зависимости от концентрации импрегнанта в сорбенте проходит через экстремум, и оптимальное содержание его составляет 7 % мас. Исследуемые образцы удовлетворяют требованиям, предъявляемым к сорбционно-фильтрующим материалам промышленных аппаратов иодной
очистки, при суммарном количестве метилиодида в газовом потоке, не превышающем 4 мг. Сравнительные исследования показали, что при одинаковом мольном количестве иодида бария и ТЭДА, сорбционная способность по отношению к радиоиоду существенно выше у образца УВИС, импрегнированного триэтилендиамином.
Список литературы
1.Кулюхин С.А. и др. Химия радиоактивного иода в газовой среде: фундаментальные и прикладные аспекты // Радиохимия. 2008. Т.50. №.1. C. 3-21.
2. Лебедев С.М. и др. Определение индекса сорбирующей способности материала марки бусофит Т-040, импрегнированного иодид-диазобициклооктаном бария. // Успехи в химии и химической технологии. 2010. Т.24. №7(112). С.36-39.
3. Обручиков А.В. и др. Создание контрольно-исследовательского йодного стенда. // Успехи в химии и химической технологии. 2008. Т.22. №8(88). С.9-12.
4. Растунов Л.Н. и др. Сорбция радиоактивного иодистого метила на импрегнированном материале бусофит // Перспективные материалы. 2011. №10. С. 293-296.
