CC BY
10
УДК 621.039.7
Лукашина Е.О., Покальчук В.С., Меркушкин А.О., Обручиков А.В., Магомедбеков Э.П.
СВЯЗЬ КОНСТАНТ ГЕНРИ С ПАРАМЕТРАМИ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
Лукашина Екатерина Олеговна - студент 5-го курса кафедры химии высоких энергий и радиоэкологии, email :wrinaw12@gmail.com;
Покальчук Вероника Сергеевна - аспирант кафедры химии высоких энергий и радиоэкологии, e-mail: polalchuk.v.s@muctr.ru ;
Меркушкин Алексей Олегович - кандидат химических наук, доцент кафедры химии высоких энергий и радиоэкологии, e-mail: polaz@mail.ru;
Обручиков Александр Валерьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры химии высоких энергий и радиоэкологии, e-mail: alexobruch@mail.ru;
Магомедбеков Эльдар Парпачевич - кандидат химических наук, заведующий кафедрой химии высоких энергий и радиоэкологии, e-mail:magomedbekov.e.p@muctr.ru;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва.
В работе исследована адсорбция инертных газов на активированных углях марок АГ-3, ВСК-5, СКТ-3, NWC 12x40. Рассчитаны константы Генри аргона, криптона и ксенона в статических условиях. Определены параметры пористой структуры исследуемых адсорбентов. На основании этих данных были получены линейные зависимости коэффициентов корреляции между константами Генри и такими параметрами пористой структуры как ширина пор и характеристическая энергия адсорбции, рассчитанными по уравнениям теории объёмного заполнения микропор Дубинина. Выявленные эмпирические закономерности позволяют прогнозировать значения констант Генри для других марок активированного угля на основании известных данных об их пористой структуре.
Ключевые слова: адсорбция газов, константа Генри, теория объёмного заполнения микропор; радиоактивные инертные газы; система спецгазоочистки.
THE RELATIONSHIP OF HENRY'S CONSTANTS WITH THE PARAMETERS OF THE POROUS STRUCTURE OF VARIOUS BRANDS OF ACTIVATED CHARCOAL Lukashina E.O., Pokalchuk V.S., Obruchikov A.V., Merkushkin A.O., Magomedbekov.E.P. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work, the adsorption of inert gases on activated carbons of grades AG-3, VSK-5, SKT-3, NWC 12x40 was studied. Henry constants of argon, krypton and xenon are calculated under static conditions. The parameters of the porous structure of the studied adsorbents are determined. Based on these data, linear dependences of the correlation coefficients between the Henry constants and such parameters of the porous structure as the pore width and characteristic adsorption energy, calculated using the Dubinin's Theory for the Volume Filling of Micropores (TVFM) equations, were obtained. The revealed empirical regularities make it possible to predict the values of Henry's constants for other grades of activated carbon based on the known data on their porous structure.
Keywords: adsorption of gases, Henry constant, the Dubinin's Theory for the Volume Filling of Micropores; radioactive inert gases; gas delay system.
Введение
Получение электроэнергии путём работы атомных электрических станций (АЭС) - великое достижение человечества. Но при эксплуатации АЭС образуются радиоактивные отходы, в том числе газообразные, которые необходимо утилизировать. Нельзя допустить выбросы радиоактивных газов в атмосферу, т.к. концентрации радионуклидов в них существенно выше допустимых. Количество и состав газоаэрозольных выбросов строго регламентируется нормативными документами, поэтому выброс газов, паров и аэрозолей происходит только после тщательной очистки от радиоактивных примесей. Это необходимо соблюдать для предотвращения радиационной катастрофы, которая нанесет существенный вред природе и населению [1, 2]. Основной вклад в суммарную активность выбросов АЭС вносят инертные радиоактивные газы (ИРГ). Снижение их активности происходит путем
адсорбции на активированном угле [3, 4]. В действующих АЭС адсорбция протекает на угле марки СКТ-3, но производство угля данной марки прекращено.
Поэтому целью данного исследования является выявление корреляции констант Генри с параметрами пористой структуры различных активированных углей для подбора оптимальной марки сорбента для системы спецгазоочистки АЭС. Методика работы
Константы Генри находили по начальным участкам изотерм адсорбции аргона, криптона и ксенона на исследуемых марках угля (АГ-3, ВСК-5, СКТ-3, NWC 12x40) с применением уравнения Ленгмюра. Изотермы адсорбции снимали на приборе 0иа^а8ОгЬ Кг/Б! Методика проведения эксперимента в статических условиях описана в работе [5]. Для расчёта параметров пористой структуры проводилась низкотемпературная адсорбция азота при температуре
жидкого азота Т=77.35К. Перед проведением адсорбции была измерена кажущаяся плотность частиц исследуемых адсорбентов методом гидростатического взвешивания гранул угля в этаноле, предварительно пропитанных
расплавленным парафином для приведения удельных величин (объёма пор и поверхности) к объёму твёрдой фазы [5].
Экспериментальная часть и обсуждение результатов
Расчетные значения констант Генри представлены в табл. 1. При определении взаимосвязи констант Генри с параметрами пористой структуры использовали значения удельных величин, пересчитанные на объём твердой фазы.
Таблица 1. Константы Генри (см3/ см3) аргона,
АГ-3 СКТ-3 12x40 ВСК-5 (п2) ВСК-5 (п3)
Аг 2.9 5.3 6.6 7.8 8.1
Кг 15 27 40 36 40
Хе 205 383 600 518 602
Для обработки экспериментальных данных по пористости структуры использовали теорию объемного заполнения микропор (ТОЗМ). Для расчета
параметров пористой структуры брали диапазон относительных давлений, соответствующих линейному участку графиков, построенных в координатах уравнения Дубинина-Радушкевича.
Для определения связи между константами Генри и параметрами пористой структуры были рассчитаны коэффициенты линейной корреляции между этими величинами для каждого из адсорбтивов. Полученные данные подтвердили отмеченное другими исследователями [6, 7] отсутствие корреляции между константой Генри и такими параметрами пористой структуры как удельная поверхность и объём микропор (рис. 1).
Зависимость констант Генри от ширины пор и характеристической энергией адсорбции имеет практически линейный характер (рис.3). Характеристическая энергия адсорбции связана с шириной пор через уравнение Дубинина-Стёкли и, соответственно, тоже должна коррелировать с константой Генри. Проведённые расчёты подтвердили это предположение.
^^ т
с1р =
где dp - средняя ширина щелевой микропоры, нм; коэффициент 10,8 выражен в кДж-нм/моль; коэффициент 11,4 выражен в кДж/моль.
8.90
т 7 90 Е и
^ 6.90
и
|?.90 я 4 90
I
»1В С К-? (м^
ВСК-5 (Л2)
537.75 637.75 737.75 837.75 937.75 1 037.75 Удельнан шжерхноггь, м:чм'
а
Рис. 1. Связь между константой Генри и параметрами пористости структуры (а-удельной поверхностью, б
- объемом микропор)
8.90
т 7,9(1
г 6 90 и
I-1.90 £
2 4.90 =
ЕС
5 3.90
I
2.90 1.90
Чем
1.18 1,28 Ширина пор, нм
а
8.90
<£ 7.90 9
5 6.90 и
§■ 5.90 а
~ 4.90
Я
5 3.90 * 2.90
1.90
«(пЗ)
17.90 19 9« 21.90 23.90 25.90
Характеристическая энергия адсорбции. кДж/моле. б
Рис. 2. Связь между константой Генри и параметрами пористости структуры (а-ширина пор, б -
характеристическая энергия адсорбции)
При этом коэффициенты корреляции констант Генри с характеристической энергией адсорбции (табл. 2) ниже по сравнению с коэффициентами корреляции ширины пор с константами Генри. Увеличение констант Генри прямо пропорционально росту характеристической энергии адсорбции.
Заключение
На основании изотерм адсорбции были рассчитаны константы Генри аргона, криптона и ксенона в статических условиях. С использованием теории объемного заполнения микропор были рассчитаны параметры пористой структуры активированных углей. Рассчитаны коэффициенты корреляции между константами Генри и параметрами пористой структуры. Выявленная эмпирическая линейная корреляция между константами Генри и шириной микропор или характеристической энергией адсорбции позволяют прогнозировать значения коэффициентов адсорбции для других марок активированного угля на основании известных данных об их пористой структуре.
Список литературы
1. Пышкина М.Д. Определение основных дозообразующих нуклидов в выбросах АЭС PWR И ВВЭР // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии, Т. 18, № 2, 2017. С. 98-107.
2. Обращение с радиоактивными отходами: учеб. пособие / А.В. Обручиков, Е.А. Тюпина - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2014. 188 с.
3. Плачкова С.Г. Книга 5. Электроэнергетика и охрана окружающей среды. Функционирование энергетики в современном мире. // Энергетика -история, настоящее и будущее. URL: http://energetika.in.ua/ru/books/book-5/part-3/section-3/3-3/3-3-3 (дата обращения: 14.Сентябрь.2020).
4. Пыркова А.А., Екидин А.А., Антонов К.Л. Поступление инертных радиоактивных газов в атмосферу при нормальной эксплуатации АЭС // Физика. Технологии. Инновации. Сборник материалов VI Международной молодежной научной конференции, посвященной 70-летию основания Физико-технологического института УрФУ. 2019. С. 279-287
5. Magomedbekov, E.P., Merkushkin, A.O., Obruchikov, A.V. et al. Comparison of the Sorption Capacity of Different Brands of Activated Carbon Relative to Argon, Krypton, and Xenon with the Natural Isotopic Composition under Static Conditions // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2021. No 55. P. 1152-1168.
6. Нахутин И.Е., Очкин Д.В., Третьяк С.А., Декалова А.Н. Исследование адсорбции криптона и ксенона при малых парциальных давлениях на промышленных образцах активного угля // Атомная энергия, Т. 40, № 3, 1976. С. 295-298.
7. Qingbo Wang, Jingyuan Qu, Wenkai Zhu, Baichang Zhou, Jinxing Cheng. An Experimental Study on Radon Adsorption // Nuclear Science and Engineering, No. 168, May 2017. pp. 287-292.
Таблица 2. Коэффициенты линейной корреляции
между константами Генри и параметрами _пористой структуры__
Параметр Ar Kr Xe
Удельная поверхность, м2/см3 0.723 0.826 0.784
Ширина пор, нм -0.992 -0.952 -0.958
Объём микропор, см3/ см3 0.723 0.825 0.783
Характеристическая энергия адсорбции, кДж/моль 0.991 0.914 0.922
