Сорбент для улавливания летучих форм радиоактивных и стабильных изотопов из газовой фазы

Изобретение относится к области переработки облученного ядерного топлива иммобилизации летучих форм радиоактивных и стабильных изотопов из газоаэрозольного потока с узла рубки - растворения перерабатываемого топлива. Сорбент включает пористую, проницаемую, неорганическую основу, сформированную проницаемой, лабиринтной макроструктурой, перемычки которой выполнены из материалов с модифицирующими компонентами наноструктурного размера по составу, идентичному основному материалу, а поверхность порового пространства покрыта нанопористым слоем активного агента. Технический результат: улучшение качества, расширение области использования сорбента и базы материалов для его изготовления. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области переработки облученного ядерного топлива иммобилизации летучих форм радиоактивных и стабильных изотопов из газо-аэрозольного потока с узла рубки - растворения перерабатываемого топлива. Развитие науки и производства ставит на повестку дня актуальную задачу- создание керамических, газопроницаемых материалов с заданной химической стойкостью. В настоящее время эта задача усложняется тем, что практика использования изделий из таких материалов потребовала устойчивости в циклическом режиме эксплуатации под воздействием кислотных и щелочных сред, как это имеет место, например, при работе фильтрующих узлов в режимах эксплуатации и условиях регенерации в процессах иммобилизации летучих форм радиоактивных и стабильных изотопов (J, U, Ba, F) из газо-аэрозольного потока.

Кроме того, к фильтрующим материалам предъявляются высокие требования по прочности, газопроницаемости, возможностям селективного или смешанного извлечения изотопов, высокой эффективности очистки. Комплекс свойств может быть реализован созданием пористых, керамических, проницаемых материалов, обладающих заданной пористостью, обеспечивающей размещение расчетного количества активного компонента, устойчивых к воздействию кислотных и щелочных сред, структурными характеристиками и химическим составом, определяющих ресурс работоспособности в реальных эксплуатационных условиях.

Известен сорбционный материал для улавливания летучих форм радиоактивного йода на углеродной или неорганической основе, содержащей соединение йодидциклоамина двухвалентного металла (RU 2174722 С2, от 05.07.1999).

Недостатком сорбционного материала является использование порошков углерода, волокон углерода или γ-Al₂О₃, которые используются для организации насыпного слоя и имеют незначительную прочность и склонность к пылению в процессе перетаривания.

Известен слой сорбента из керамического материала, импрегнированного смесью нитрата металла и вторичного амина (DE, 2645552, 1976).

Недостатком является низкий коэффициент очистки газообразных радиоактивных отходов от летучих форм радиоактивного йода.

Известен фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода, содержащий многослойный фильтрующий элемент, содержащий лобовой по ходу фильтруемого воздуха слой фильтрующего элемента, выполненный из карбонизированного углеволокнистого фильтровального неимпрегнированного материала с поверхностной плотностью не менее 200 г/м², также фильтрующий элемент, содержащий слои, выполненные из фильтровального сорбирующего материала, содержащего частицы высокопористого сорбента, импрегнированного йодидом калия, третичным амином, азотнокислым серебром и/или йодидом бария в количестве не более 10%, а последний слой фильтрующего элемента по ходу очищаемого потока воздуха выполнен из тонковолокнистого материала (RU 2262758 С2, 20.10.2005).

Недостатком известного технического решения является использование в качестве импрегнантов йодидов калия, бария, которые термически неустойчивы в азотсодержащих оксидных средах при температуре выше 100°С, что снижает эффективность очистки и ресурс работоспособности загрузки.

Известен сорбент для улавливания радиоактивного йода, где в качестве пористой основы использован карбид кремния с пористостью от 30 до 60%, пропитанный солью азотнокислого серебра (RU 2288524 С1, 27.11.2006).

Недостатком известного сорбента является неопределенность в ресурсоспособности пористой основы, т.к. карбид кремния промышленного изготовления всегда содержит от 7 до 12% свободного кремния, который подвергается воздействию в щелочных средах в условиях нагрева, а кинетика процесса деградации механических свойств определена неравномерностью распределения его в объеме карбида кремния. Кроме того, по стоимости (400 $/кг) он не выдерживает альтернативы использования по-сравнению с другими керамическими материалами

Известен серебросодержащий сорбент «Силоксид» в соответствии с техническими условиями «Силоксид-сорбент» для улавливания радионуклидов йода из газовых сред ТУЛКВШ 94.373.00.000, Сосновый Бор, НИТИ им. А.П.Александрова, 1995 г.

Сорбент не отвечает требованиям йодной очистки при переработке ОЯТ, т.к. имеет малый размер гранул (2 мм), невысокую удельную поверхность, что отражается на поглощающей емкости сорбента и аэродинамического сопротивления газоочистного аппарата.

Наиболее близким аналогом - прототипом - является сорбент, где в качестве пористой неорганической основы, пропитанной солью серебра (AgNO₃) используют оксид алюминия γ-модификации марки А в виде гранул цилиндрической формы с диаметром основания от 3 до 4 мм и высотой от 10 до 15 мм по ГОСТ 8136-85 «Оксид алюминия активный. Технические условия» (С.И. Ровный, И.П.Пятин, И.А.Истомин, Улавливание йода-129 при переработке облученного ядерного топлива энергетических установок, «Атомная энергетика» Т.92, вып.6, 2002).

Недостатком известного технического решения является использование γ-Al₂O₃ с содержанием Al₂О₃ не более 93-94%, что снижает его химическую устойчивость по сравнению с другими модификациями и марками Al₂О₃, склонность к механическому разрушению и истиранию в процессах эксплуатации и регенерации, пыление в процессе перетаривания.

Цель изобретения - улучшения качества, расширение области использования сорбента и базы материалов для его изготовления.

Поставленная цель достигается тем, что пористая проницаемая неорганическая основа сформирована проницаемой лабиринтной макроструктурой, перемычки которой выполнены из материалов, устойчивых к регенерирующим средам, и модифицированы компонентами наноструктурного размера по составу, идентичному основному материалу или образующими с ним новые соединения, устойчивые к регенерирующим средам, а поверхность порового пространства покрыта нанопористым слоем активного агента.

Сущность технического решения заключается в том, что выполнение неорганической основы в виде проницаемой лабиринтной макроструктуры обеспечивает осуществление процесса иммобилизации радиоактивных стабильных изотопов галогенного класса в режиме ламинарного истечения газо-аэрозольного потока, что интенсифицирует поверхностную кинетику хемосорбции, а выполнение активного в виде нанопористого слоя позволяет осуществить процесс хемосорбции в объеме и реализовать дополнительные адсорбционные процессы.

Выполнение перемычек из материалов, устойчивых к регенерирующим средам, обеспечивает многократное использование пористой, проницаемой, неорганической основы, а модифицирование основного материала компонентами наноструктурного размера позволяют увеличить физико-химические характеристики и плотность материала.

Сравнение предлагаемого сорбента с прототипом позволяет утверждать о соответствии критерию «новизна», а отсутствие отличительных признаков в аналогах говорит о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Предварительное испытание позволяет судить о возможности широкого промышленного использования в очистных аппаратах атомной проницаемости.

В результате экспериментальных исследований и литературных данных (Б.Л.Красный, В.П.Тарасовский, Е.В.Рахманова, В.В.Бондарь. Химическая стойкость керамических материалов в кислотах и щелочах. Стекло и керамика, 2004 г., №10, с.23-24) в качестве кандидатных материалов для формирования перемычек в пористой, проницаемой неорганической основе могут быть использованы корунд с содержанием Al₂О₃ не менее 98-99%, корундо-муллит, муллит.

В качестве модифицирующих добавок может быть использован глинозем С-370,

SiO₂, γ-Al₂O₃ с размером частиц 2-500 нм.

В качестве активного агента может быть использован AgNO₃ с величиной пор 300-700 нм и общей пористостью 30-40%. Пористая проницаемая, неорганическая основа может содержать от 50 до 85% пор, что позволяет варьировать в широких пределах содержание активного агента при сохранении низкого гидравлического сопротивления.

Пример осуществления.

Неорганическая основа сорбента была сформирована в виде цилиндра весом 102,5 г. из α-Al₂О₃, с содержанием основного компонента 99,8% легированного 20 мас.% кремнезоля с размером частиц 12-15 нм. Лабиринтная проницаемая макроструктура содержала 65% проницаемых пор. Открытую поверхность порового пространства насыщали активным агентом путем пропитки раствором азотнокислого серебра (AgNO₃) с концентрацией 40 г/л. Сушка сорбента проводилась ступенчато от 60°С до 140°С с целью обеспечения равномерного распределения активного агента на поверхности пор и удаления влаги. В результате этого процесса получали активный слой из AgNO₃ с пористостью 35% и величиной пор 500-700 нм.

После насыщения AgNO₃ вес сорбента составлял 111,6 г, что соответствовало содержанию активного агента (серебра) 51,6 мг/г.

Процесс поглощения йода проводили при температуре сорбента ≈180°С с расходом газовой фазы 0,3 л/мин, что соответствовало скорости расхода йода от 30 до 50 мг/мин.

Количество уловленного йода определяли взвешиванием сорбента до и после регенерации. Разница в весах до регенерации (102,792 г) и после регенерации (95,524 г) соответствовала концентрации йода 70 мг/г сорбента, что на 14,8% больше количества йода в форме йодида серебра, образующегося в соответствии со стехиометрией реакции при содержании серебра 51,6 мг/г, которое должно составлять 60,958 мг/г сорбента. Эту разницу вероятно можно отнести к адсорбции молекулярного йода в нанопорах сорбента.

Разница в весах неорганической основы до насыщения в азотнокислой среде и после регенерации в щелочной среде с концентрацией по щелочи 30 г/л была на уровне точности взвешивания на аналитических весах (≈0,001 г). Кроме того, испытания на прочность неорганической основы из α-Al₂О₃ легированной наночастицами SiO₂ показали значения в 2-3 раза выше известных в литературе аналогов с пористостью в 45-50%.

Полученные характеристики на основании отличительных признаков показывают практическую полезность технического решения, его работоспособность в коррозионных средах и высокую механическую прочность, повышение емкости по адсорбируемому компоненту, позволяют существенно продлить срок использования сорбента, увеличить цикличность регенерационных процессов.

1. Сорбент для улавливания летучих форм радиоактивных и стабильных изотопов из газовой фазы, состоящей из пористой проницаемой неорганической основы и активного агента по отношению к поглощаемому компоненту из газовой фазы, отличающийся тем, что пористая, проницаемая неорганическая основа сформирована проницаемой лабиринтной макроструктурой, перемычки которой выполнены из материалов с модифицирующими компонентами наноструктурного размера по составу идентичному основному материалу, а поверхность перового пространства покрыта нанопористым слоем активного агента.

2. Сорбент по п.1, отличающийся тем, что перемычки пористой, проницаемой неорганической основы выполнены из корунда с содержанием α - Al₂O₃ не менее 98%.

3. Сорбент по п.1, отличающийся тем, что перемычки пористой, проницаемой неорганической основы выполнены из корундомуллита.

4. Сорбент по п.1, отличающийся тем, что перемычки пористой, проницаемой основы выполнены из муллита.

5. Сорбент по п.1, отличающийся тем, что активный агент выполнен из AgNO₃ в виде слоя с общей пористостью 30-40% и величиной нанопор 300-700 нм.

6. Сорбент по п.1, отличающийся тем, что пористая, проницаемая, неорганическая основа выполнена с пористостью 50-85%.