CC BY
41
УДК 621.039.75
А.О. Меркушкин, А.В. Обручиков
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛАВЛИВАНИЯ CH3I КОМПОЗИЦИОННЫМ СОРБЕНТОМ НА ОСНОВЕ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА И ПРОМЫШЛЕННЫМ УГОЛЬНЫМ СОРБЕНТОМ
Получен композиционный иодный сорбент, представляющий собой пористую полимерную матрицу с нанесёнными на её поверхность частицами активированного угля, импрегнированными ТЭДА. Проведена оценка эффективности улавливания радиоактивного метилиодида полученным сорбентом и образцом промышленного угольного сорбента. Показано, что гидравлическое сопротивление слоя композиционного сорбента ниже, а сорбционная способность выше, чем слоя промышленного угольного сорбента.
Prepared iodine composite sorbent is a porous polymeric matrix with deposited on its surface particles of activated carbon impregnated with TED A. The elimination efficiency of radioactive methyl iodide by prepared sorbent and by sample of industrial carbon sorbent was studied. It was shown that the hydraulic resistance of the composite sorbent is lower and elimination efficiency is higher than that of industrial coal sorbent.
Фильтры-адсорберы в качестве ступени иодной очистки воздуха рабочих помещений АЭС представляют собой, как правило, устройства, в которых сорбент помещен в камеру ящичного типа, разделенную на секции, заполненные гранулами сорбента. В качестве сорбента в большинстве случаев используются гранулы активированных углей размером около 1-2 мм, импрегнированные различными химическими соединениями, обеспечивающими хемосорбцию молекулярного иода и органических форм иода.
Гранулированные сорбенты имеют ряд существенных недостатков, среди которых можно выделить такие, как истирание гранул с течением времени работы фильтра, приводящее к заметному увеличению гидравлического сопротивления; достаточно малое отношение площади геометрической поверхности гранул к их массе, приводящее к существенному перерасходу импрегнанта и сорбента. Кроме того, утилизация выработавшего ресурс работоспособности фильтра-адсорбера с большим количеством гранулированного сорбента весьма дорогостоящая.
Перечисленные факторы обуславливают интерес к поиску новых форм иод-ных сорбентов, не уступающих по эффективности улавливания радиоактивного метилиодида гранулированным сорбентам на основе активированного угля, но лишённых их недостатков.
По нашему мнению, перспективными могут оказаться композиционные сорбенты, полученные нанесением слоя частиц активированного угля на пористую инертную матрицу с низким гидравлическим сопротивлением. Исследованию свойств таких материалов посвящена настоящая работа.
Получаемый композиционный сорбент представлял собой инертную пористую матрицу из химически стойкого пенополиуретана (средний размер ячейки 0,56 мм) с нанесённым на неё слоем сорбирующего вещества. В качестве сорбирующего вещества использовали активированный уголь СКТ-3, импрегнированный 5% ТЭДА. Активированный уголь предварительно измельчали в лабораторной мельнице-ступке, для работы отбирали фракцию 250-355 мкм. Перед нанесением активированного угля пористую матрицу обрабатывали водной дисперсией поливинилацетата для надежного сцепления сорбирующего вещества с пенополиуретаном. Конечное содержание сорбирующего вещества в матрице составило 64% масс.
Полученный таким образом готовый композиционный сорбент испытывали на контрольно исследовательском иодном стенде РХТУ им. Д.И. Менделеева в соответствии с ГОСТ Р 54443-2011 [1] при следующих условиях:
температура, °С 30,0±0,1
относительная влажность газового потока, % 90,0±1,5
полный объем, занимаемый сорбентом, см 310+20
объемная скорость газового потока в колонке, л/мин 15
Образцы помещали в секционированную колонку (рис. 1), которую устанавливали в суховоздушный термостат стенда. Высота слоя сорбента в каждой секции составляла 10±0,3 мм. Общая высота сорбента в колонке составляла 150±5 мм.
Рис. 1. Колонка для испытаний сорбента.
1 - съемная крышка с входным патрубком; 2 - секция с сорбентом;
3 - направляющий стержень; 4 - днище с выходным патрубком
131
Подачу СН3 I осуществляли в течение одного часа, после чего измеряли активность каждой секции испытуемой колонки на гамма спектрометре по энергетической линии 1311 364 кэВ. Чтобы исключить влияние теплоты адсорбции паров воды на сорбцию метилиодида во время испытаний, образцы предварительно увлажняли потоком воздуха с относительной влажностью, соответствующей условию испытания до постоянной массы.
Оценку сорбционной способности сорбентов проводили на основании индекса сорбционной способности [2]. Индекс сорбционной способности вычисляли как тангенс угла наклона прямой (угловой коэффициент), выходящей из начала координат и проходящей через полученные экспериментальные точки. Расчёт проводили по уравнению (1), полученному в соответствии с методом наименьших квадратов.
/ . Л
А
а = ■
V А А у
Е,2
(1)
где т - суммарное время контакта газового потока с сорбентом для 1-ой секции (с); Л^ -общая активность СН31311, поданная на колонку (Бк); Л1 - активность, задержанная на 1 секциях колонки (Бк).
Для вычисления времени контакта газового потока с сорбентом (т) в каждой секции колонки необходимо знать долю свободного объёма. Для расчёта этой величины исходили из допущения, что объём, занимаемый композиционным сорбентом, равен сумме объёмов, занимаемых носителем (пенополиуретановой матрицей) и сорбирующим слоем (частицами активированного угля, пропитанных импрегнантом). В этом случае уравнение для расчёта доли свободного объёма в каждой секции колонки приобретает вид:
пй
4
. ь - тппу
т
сорб
х = -
где
Р
ППу
Р
сорб
пй
4
■ к
X d h
тППУ
тсорб
ист
Рппу
каж Г сорб
(2)
доля свободного объёма в секции колонки; внутренний диаметр секции (см); толщина слоя сорбента в секции (см); масса носителя (ППУ) в секции (г); масса сорбирующего слоя в каждой секции (г); истинная плотность пенополиуретана (г/см );
кажущаяся плотность сорбирующих частиц
(г/см3).
Важно отметить, что существует некое минимальное значение индекса сорбци-онной способности, при котором сорбент может считаться пригодным для использования. Эти значения могут быть вычислены, исходя из рекомендаций МАГАТЭ [3], в которых указано, что содержание радиоактивного метилиодида в газообразных радиоактивных отходах должно быть снижено не менее, чем в 100 раз. Отсюда легко могут быть рассчитаны минимально допустимые значения а для различного времени контакта газового потока с сорбентом (табл. 1).
Табл. 1. Минимальные значения индекса сорбционной способности для иодных сорбентов
т, с 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2
амиш с 23.0 15.4 11.5 9.2 7.7 6.6 5.8 5.1 4.6 4.2 3.8
Необходимо подчеркнуть, что эти значения являются предельными для любого сорбента и не зависят от температуры и влажности газовой среды. Следовательно, сорбент, имеющий а ниже приведенных величин при данном времени контакта тк, не может быть рекомендован для применения в аппаратах иодной очистки.
Для сопоставления качества сорбентов различной природы, характеризующихся разной долей свободного объёма целесообразно, очевидно, использовать отношение а/аШщ, рассчитанное для каждого сорбента.
Для сравнения с полученным композиционным сорбентом нами также был испытан образец промышленного гранулированного иодного сорбента СКТ-3И (размер гранул 1,0-2,0 мм). Распределение активности вдоль слоя сорбентов представлено в таблице 2. Рассчитанные на основании полученных экспериментальных данных индексы сорбционной способности, а также величины гидравлического сопротивления представлены в таблице 3.
Отношение а/аШш для всех сорбентов, превышающее единицу, говорит об их потенциальной пригодности для улавливания радиоактивного метилиодида в газовых выбросах АЭС.
Табл. 2. Результаты испытания сорбентов
№ секции (i) A, имп/с
СКТ-3И Композиционный сорбент
1 865 111600
2 354 61611
3 138 13378
4 71 1877
5 39 416
6 19 73
7 11 16
Проскок 10 16
Табл. 3. Сравнение сорбционной способности и гидравлического сопротивления
Сорбент а, с-1 а/ amin АР, Па
Композиционный сорбент 18.8 2.7 300
СКТ-3И 48.7 2.2 365
Высокое значение а (48,67 с-1) промышленного образца, представляющего собой гранулированный активированный уголь СКТ-3 с ТЭДА, нивелируется высоким значением amin (23,4 с-1) для времени контакта газового потока с твёрдой фазой, соответствующего этому сорбенту. Время контакта газового потока с сорбентом для СКТ-3И составляет 0,23 с, тогда как для полученных нами композиционного сорбента эта величина в несколько раз выше (1,14 с). Это позволяет более эффективно улавливать иоди-стый метил из газового потока при меньшем количестве сорбирующего вещества (активированный уголь, импрегнированный ТЭДА) в колонке.
Важной эксплуатационной характеристикой сорбента является его гидравлическое сопротивление. Чем оно выше, тем выше энергозатраты на прокачивание через адсорбер очищаемого воздуха с требуемой производительностью. Перепад давления на колонке с сорбентом, полученном с использованием фракции активированного угля 250-355 мкм заметно ниже, чем на колонке, заполненной гранулированным углём. В то же время соотношение a/amin для этого сорбента выше, чем для промышленного сорбента (табл. 3). Следует отметить, что гидравлическое сопротивление слоя сорбента зависит от скорости газового потока нелинейным образом. Учитывая, что скорость воздуха в реальном адсорбере АУИ-1500 в несколько раз выше (около 70 см/с), различие между гидравлическим сопротивлением композиционного сорбента и слоя активированного угля будет более существенным.
Таким образом, дальнейшее направление оптимизации композиционных сорбентов следует связать с поиском оптимального размера пор пенополиуретановой матрицы и размера самих частиц активированного угля.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 54443-2011 Сорбенты иодные для атомных электростанций. Метод определения индекса сорбционной способности. 21 С.
2. Растунов Л.Н., Магомедбеков Э.П., Обручиков А.В., Ломазова Л.А. / Индекс сорбционной способности - критерий контроля импрегнированных углей для АЭС // Атомная энергия. Т.109, Вып. 1. 2010. - С. 3-7
3. Testing and Monitoring of Off-gas Cleanup Systems at Nuclear Facilities, Technical Reports Series No. 243, IAEA, Vienna (1984).
