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(hù)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(shè)施放射性氣體組成中，放射性貢獻(xiàn)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(huán)境和人員的傷害，通常采用滯留技術(shù)、纖維過濾器以及活性炭吸附分別對氪氙、氣溶膠和碘進(jìn)行凈化處理[4-6]。吸附放射性碘用活性炭一般采用化學(xué)浸漬方法進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shù)，比如常溫活性炭滯留床技術(shù)與低溫活性炭滯留技術(shù)[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(fā)達(dá)孔道與價(jià)格低廉而同樣備受關(guān)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(yàn)證相關(guān)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(shí)驗(yàn)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(yùn)用過程氣流濕度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)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?dú)庀♂尩姆派湫?5Kr、133Xe、131I示蹤氣體。

LZB-4型流量計(jì);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(jià)

1.2.1 活性炭滯留放射性惰性氣體實(shí)驗(yàn) 將一定的量的活性炭裝填至不銹鋼炭床內(nèi)，穩(wěn)定流量的氮?dú)饣蛘呖諝膺M(jìn)入系統(tǒng)，依次通過氣體加濕器與實(shí)驗(yàn)床，當(dāng)氣流溫濕度、壓力等參數(shù)穩(wěn)定后，使用脈沖注入放射性示蹤劑法將示蹤劑注入系統(tǒng)。下游放射性氪氙濃度變化通過惰性氣體測量儀測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過濃度變化曲線計(jì)算滯留時(shí)間，進(jìn)一步得到活性炭在特定條件下的動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)Kd。

式中Kd——?jiǎng)討B(tài)吸附系數(shù)，mL/g；

F——?dú)怏w流量，mL/min；

M——活性炭質(zhì)量，g；

t——平均滯留時(shí)間，min。

圖1 活性炭性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

1.2.2 活性炭浸漬后吸附放射性碘實(shí)驗(yàn) 示蹤劑采用放射性CHI3氣體，在活性炭炭床上下游進(jìn)行取樣，通過伽馬譜儀測試去放射性活度，最后進(jìn)行效率的計(jì)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(shí)驗(yàn)參數(shù)條件

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭SEM與吸附特性分析

對活性炭樣品進(jìn)行表面形貌分析與氮?dú)馕叫阅軐?shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 活性炭樣品孔結(jié)構(gòu)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(xiàn)大孔和微孔并存現(xiàn)象。

由圖3可知，活性炭吸附過程呈現(xiàn)具有Ⅰ型吸附等溫線典型的平臺(tái)，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(shí)間內(nèi)完成，其主要原因?yàn)榛钚蕴课⒖椎挠行О霃捷^小，微孔內(nèi)部相對孔壁吸附力場的疊加引起微孔內(nèi)吸附勢顯著增加。同時(shí)在接近飽和氣壓時(shí)，吸附量有所增長，進(jìn)一步說明活性炭含有大量的大孔。

2.2 不同成分沸點(diǎn)

活性炭用于吸附放射性惰性氣體，所處階段主要是貯存環(huán)境和使用后運(yùn)行環(huán)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(diǎn)見表2。

表2 氣流中不同成分沸點(diǎn)

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(zhì)受高沸點(diǎn)物質(zhì)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(huán)境氣流含水量不同，氣流相對濕度較高的，活性炭首先會(huì)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(jìn)行平衡預(yù)濕，當(dāng)上下游氣流相對濕度等同后，測量活性炭含水量以及進(jìn)行放射性氣體Kr和CHI3性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(diǎn)遠(yuǎn)高于Kr，物理吸附競爭性也遠(yuǎn)強(qiáng)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(dǎo)致活性炭孔道的被占，影響甲基碘吸附過程的擴(kuò)散傳質(zhì)，導(dǎo)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(jìn)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(huán)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(dòng)態(tài)吸附系數(shù)，同時(shí)采用氮?dú)庾鳛檩d氣進(jìn)行對比,結(jié)果表明，相同條件下，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)分別為61.5，61.7,說明正常環(huán)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(nèi)部。導(dǎo)致著火產(chǎn)生的二氧化碳被滯留床內(nèi)活性炭吸附，影響炭床對放射性惰性氣體的滯留。實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(shù)的影響，結(jié)果見圖5。為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析活性炭滯留性能恢復(fù)性能，在常溫常壓條件下，使用氮?dú)鈱ξ蕉趸己蠡钚蕴窟M(jìn)行解吸，解吸時(shí)間與滯留性能恢復(fù)影響結(jié)果見圖6。

圖5 二氧化碳吸附對動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)的影響

圖6 動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)隨二氧化碳解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，經(jīng)過一定時(shí)間解吸后，動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)可恢復(fù)至原來的98%以上。

2.5 穩(wěn)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(wěn)定性氙濃度是Xe-133的185倍，由此推斷，穩(wěn)定性氙體積濃度約為5×10-6。為考察穩(wěn)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(wěn)定性氙濃度條件下動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果見表4。

表4 Xe濃度對動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)的影響

由表4可知，雖然改變穩(wěn)定性氙體積濃度，但動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)并無明顯變化。另從先使用含穩(wěn)定性氙體積10×10-6的氣流連續(xù)通過炭床直至100%穿透，再進(jìn)行放射性氙動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)測試的結(jié)果可知，即使穩(wěn)定性氙吸附飽和后，對放射性氙動(dòng)態(tài)吸附系數(shù)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(dòng)速度和新活性炭相同。

3 結(jié)論

氣氛環(huán)境中相對濕度過高，將導(dǎo)致多孔活性炭吸附放射性氣體性能降低。二氧化碳濃度達(dá)到一定值時(shí)，也將影響活性炭吸附氪氙性能，但環(huán)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(huán)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(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室性能測試，以驗(yàn)證其有效性。