氣體組成對活性炭吸附放射性氣體影響研究

李永國，呂陽，吳波，劉群，韓麗紅，李世軍，梁飛，高琳鋒，侯建榮，丘丹圭

(1.中國輻射防護研究院，山西 太原 030006;2.廣西防城港核電有限公司， 廣西 防城港 538003)

核設施放射性氣體組成中，放射性貢獻較大的包括氪氙的放射性同位素、放射性碘和氣溶膠等[1-3]。為降低氣體放射性對環境和人員的傷害，通常采用滯留技術、纖維過濾器以及活性炭吸附分別對氪氙、氣溶膠和碘進行凈化處理[4-6]。吸附放射性碘用活性炭一般采用化學浸漬方法進行處理[7]，活性炭碘吸附器一般有折疊式、抽屜式以及深床式結構類型。放射性氪氙滯留衰變通常采用罐體壓縮貯存衰變與固體吸附滯留衰變技術，比如常溫活性炭滯留床技術與低溫活性炭滯留技術[8]。對于固體吸附滯留所用吸附劑，活性炭多孔材料因具有高比表面積、發達孔道與價格低廉而同樣備受關注[9-10]。活性炭吸附劑裝填、使用過程中難以避免接觸到氣體成分中的水、二氧化碳等。為驗證相關氣體成分對其物理吸附性能的影響，保證活性炭滯留單元的有效性，有必要通過實驗考察對氪氙吸附性能，而吸附放射性碘用活性炭，主要考慮在運用過程氣流濕度的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

放射性碘吸附活性炭為浸漬改性椰殼活性炭，氪氙吸附所用炭為未浸漬椰殼活性炭;氮氣稀釋的放射性85Kr、133Xe、131I示蹤氣體。

LZB-4型流量計;HSTL-800A壓力測量變送器，HSTL-103E型溫度測量變送器;NAM-1型放射性惰性氣體測量儀;伽馬譜儀;3H-2000PS2型吸附儀。

1.2 吸附性能評價

1.2.1 活性炭滯留放射性惰性氣體實驗 將一定的量的活性炭裝填至不銹鋼炭床內，穩定流量的氮氣或者空氣進入系統，依次通過氣體加濕器與實驗床，當氣流溫濕度、壓力等參數穩定后，使用脈沖注入放射性示蹤劑法將示蹤劑注入系統。下游放射性氪氙濃度變化通過惰性氣體測量儀測定，實驗結束后通過濃度變化曲線計算滯留時間，進一步得到活性炭在特定條件下的動態吸附系數Kd。

式中Kd——動態吸附系數，mL/g；

F——氣體流量，mL/min；

M——活性炭質量，g；

t——平均滯留時間，min。

圖1 活性炭性能實驗系統流程圖

1.2.2 活性炭浸漬后吸附放射性碘實驗 示蹤劑采用放射性CHI3氣體，在活性炭炭床上下游進行取樣，通過伽馬譜儀測試去放射性活度，最后進行效率的計算。

式中P——吸附效率，%；

A——上游取樣活度，Bq；

A1——下游取樣活度，Bq。

表1 活性炭性能實驗參數條件

2 結果與討論

2.1 活性炭SEM與吸附特性分析

對活性炭樣品進行表面形貌分析與氮氣吸附性能實驗，結果見圖2、圖3。

圖2 活性炭樣品孔結構SEM圖

圖3 活性炭樣品BET吸附脫附等溫線

由圖2可知，表面形貌呈現大孔和微孔并存現象。

由圖3可知，活性炭吸附過程呈現具有Ⅰ型吸附等溫線典型的平臺，突顯出微孔的吸附特征。吸附過程在很低的相對壓力和短的時間內完成，其主要原因為活性炭微孔的有效半徑較小，微孔內部相對孔壁吸附力場的疊加引起微孔內吸附勢顯著增加。同時在接近飽和氣壓時，吸附量有所增長，進一步說明活性炭含有大量的大孔。

2.2 不同成分沸點

活性炭用于吸附放射性惰性氣體，所處階段主要是貯存環境和使用后運行環境，研究氣體成分主要針對水分、二氧化碳和處理廢氣中Xe。3種影響活性炭吸附性能氣體成分沸點見表2。

表2 氣流中不同成分沸點

惰性氣體在活性炭上的吸附是一種物理吸附過程，所以吸附質受高沸點物質影響大。由表2可知，水分、二氧化碳、Xe、Kr以及CHI3，對于活性炭物理吸附逐漸由易到難。

2.3 氣流相對濕度對活性炭吸附放射性氣體影響

活性炭在貯存、裝填或者使用過程中，不同環境氣流含水量不同，氣流相對濕度較高的，活性炭首先會吸附水蒸氣,從而使它對惰性氣體的吸附性能下降。為更好判斷氣流相對濕度對活性炭滯留性能的影響，利用一定相對濕度的氣流對活性炭進行平衡預濕，當上下游氣流相對濕度等同后，測量活性炭含水量以及進行放射性氣體Kr和CHI3性能實驗，結果見表3和圖4。

表3 不同氣流相對濕度條件下活性炭含水量與吸附性能

圖4 氣流相對濕度對放射性碘吸附效率影響

由表3和圖4可知，氣流相對濕度越高，活性炭吸附氣體性能越差。對于吸附惰性氣體Kr，由表2可知，水的沸點遠高于Kr，物理吸附競爭性也遠強于Kr，所以水分對活性炭吸附放射性惰性氣體的影響大。而對于放射碘的吸附，水分子的增加，必然導致活性炭孔道的被占，影響甲基碘吸附過程的擴散傳質，導致吸附效率降低。市場不同活性炭樣品含水量一般大于5%。為保證活性炭滯留惰性氣體性能，在使用之前需要對市售活性炭進行處理。

2.4 CO2對活性炭滯留85Kr性能的影響

活性炭裝填使用過程中，難以避免不接觸環境中的空氣，為考察空氣對活性炭滯留性能的影響，采用空氣作為載氣，分析活性炭對放射性Kr動態吸附系數，同時采用氮氣作為載氣進行對比,結果表明，相同條件下，動態吸附系數分別為61.5，61.7,說明正常環境中CO2濃度條件下，活性炭對其惰性氣體吸附性能影響較小。

常溫活性炭滯留床由于衰變熱引起著火可能性很小，但是不排除外部管路著火后蔓延到滯留床內部。導致著火產生的二氧化碳被滯留床內活性炭吸附，影響炭床對放射性惰性氣體的滯留。實驗模擬不同體積濃度二氧化碳被活性炭吸附平衡后，分析對惰性氣體Kr-85吸附系數的影響，結果見圖5。為進一步實驗分析活性炭滯留性能恢復性能，在常溫常壓條件下，使用氮氣對吸附二氧化碳后活性炭進行解吸，解吸時間與滯留性能恢復影響結果見圖6。

圖5 二氧化碳吸附對動態吸附系數的影響

圖6 動態吸附系數隨二氧化碳解吸實驗結果

由圖6可知，經過一定時間解吸后，動態吸附系數可恢復至原來的98%以上。

2.5 穩定性Xe濃度對吸附133Xe影響

核電站廢氣中放射性惰性氣體體積濃度很小，Xe-133的體積濃度約為2.5×10-8，穩定性氙濃度是Xe-133的185倍，由此推斷，穩定性氙體積濃度約為5×10-6。為考察穩定性同位素濃度對活性炭吸附放射性惰性氣體性能的影響，對氣流中含不同穩定性氙濃度條件下動態吸附系數進行了實驗分析，結果見表4。

表4 Xe濃度對動態吸附系數的影響

由表4可知，雖然改變穩定性氙體積濃度，但動態吸附系數并無明顯變化。另從先使用含穩定性氙體積10×10-6的氣流連續通過炭床直至100%穿透，再進行放射性氙動態吸附系數測試的結果可知，即使穩定性氙吸附飽和后，對放射性氙動態吸附系數并無變化，也就是說在吸附解吸過程中，吸附帶在被一定濃度惰性氣體吸附飽和后，其在炭床中的移動速度和新活性炭相同。

3 結論

氣氛環境中相對濕度過高，將導致多孔活性炭吸附放射性氣體性能降低。二氧化碳濃度達到一定值時，也將影響活性炭吸附氪氙性能，但環境中二氧化碳正常濃度無影響。活性炭投入使用后，氣流中氙濃度對其吸附放射性氙無影響。針對環境中水、二氧化碳等成分對其性能影響，建議活性炭在一定時間內進行實驗室性能測試，以驗證其有效性。