ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ РАДИОАКТИВНОГО ЙОДА Российский патент 2005 года по МПК G21F9/02 B01D53/68 

Изобретение относится к атомной энергетике и промышленности, а точнее к технике очистки газов путем фильтрования от радиоактивных и высокотоксичных химических соединений, и может быть использовано для улавливания йода и его летучих соединений из газообразных радиоактивных отходов как в условиях нормальной эксплуатации АЭС, ядерных установок и предприятий, так и в случае возникновения аварий на них.

Эксплуатация ядерных реакторов, заводов по переработке и захоронению ядерного топлива и других объектов, работа которых связана с использованием радиоактивных веществ, ставит многочисленные проблемы, обусловленные необходимостью защиты персонала, населения и окружающей среды в целом от радиоактивного загрязнения.

Повышению безопасности АЭС и других объектов атомной энергетики в последнее время уделяется особое внимание. Одним из направлений решения этой проблемы является обеспечение надежной защиты атмосферы и окружающей среды от загрязнения радиоактивным йодом.

Известно, что очистку воздушных потоков вентиляционных систем АЭС от радиоактивного йода осуществляют с помощью йодных фильтров, в которых в качестве сорбционно-фильтрующего материала используют гранулированный активированный уголь (марки СКТ-3, СКТ-6), в том числе импрегнированный йодистым калием (KI), и/или вторичным, третичным амином, например триэтилендиамином (ТЭДА), гексамети-лентетраамином (ГМТА) (уротропин), или азотнокислым серебром [И.Е.Нахутин, Д.В.Очкин и др. Газооочистка и контроль газовых выбросов АЭС. М. Энергоатомиздат. 1993].

Недостатком таких фильтров является низкая эффективность очистки воздуха от радиойода, особенно от его органических форм (СН₃I), доля которых в сбрасываемом воздухе составляет 60-85%.

Известны различные адсорбирующие фильтрующие материалы с высокой способностью улавливания радиоактивного йода из потока газа, изготовленные на основе активированного угля, которые для увеличения улавливающей способности и/или снижения воспламеняемости пропитываются различными реагентами (Хозяйственный патент ГДР №117865 и заявка ФРГ №2218380).

Основанные на активированном угле адсорбенты, в случае повышения относительной влажности очищаемого газа свыше 90% активированные угли, плохо улавливают радиоактивный йод и, особенно, органически связанный, а также могут десорбировать уже адсорбированный йод. Кроме того, насыпной слой активированного угля является источником радиоактивных аэрозолей, что приводит к необходимости устанавливать после него аэрозольный фильтр. Также перегрузка насыпного фильтровального материала связана с дополнительными трудозатратами.

Известен фильтр для удаления радиоактивного йода и йодидов из потока отработанных газов, который содержит фильтрующий элемент, выполненный из фильтровального адсорбирующего материала [DE-OS №2508544, кл. G 21 F 9/02, В 01 D 53/02, 1976].

Адсорбирующий фильтровальный материал в этом фильтре содержит каолиновое волокнистое покрытие или керамические гранулы из группы двуокись кремния - окись алюминия с удельной поверхностью порядка 5-250 м²/г, в особенности 10-250 м²/г, пропитанные солью металла.

Такой фильтр малоэкономичен, так как составляющие фильтровальный материал элементы не образуют в пространстве жесткоспеченную структуру, его прочность обеспечивается только силами сцепления между волокнами или гранулами, что возможно только при их большой объемной доле. В результате материал оказывает потоку газа очень большое сопротивление до 3,87 кг/см² и для достижения высоких степеней очистки требуется предварительный разогрев газового потока до температуры около 130°С.

Известен фильтр, в котором фильтрующий элемент выполнен из сорбционно-фильтровального материала, состоящего из гранулированного активированного угля с удельной поверхностью порядка 1000 м²/г, пропитанного раствором 1-5% триэтилендиамина и/или 1-5% KI [Design of Off-Gas and Air Cleaning Systems at Nuclear Power Plants. Vienna, IAEA, 1987, p.48-49, 54].

Основным недостатком такого фильтра является низкая эффективность очистки от органических соединений йода (СН₃I и т.п.), особенно при повышенной влажности, и достаточно быстрое старение (отравление) угля.

Известен фильтр, содержащий многослойный фильтрующий элемент, слои которого выполнены с использованием карбонизированной углеволокнистой ткани, при этом слой, лобовой по ходу фильтруемого потока воздуха, импрегнирован иодидом калия и/или амином [Патент РФ №2161338, кл. G 21 F 9/02, 1999 г.].

Такой фильтр позволяет значительно снизить влияние влажности на степень очистки, но срок службы таких фильтров недостаточен.

Лобовой слой такого фильтра выполнен из импрегнированного карбонизированного углеволокнистого материала, в котором одновременно происходит два процесса: физическая сорбция и хемосорбция, что ведет к "отравлению" слоя, и фильтр быстро выходит из строя.

Задачей настоящего изобретения является улучшения эксплуатационных характеристик фильтра путем повышения эффективности очистки и увеличения срока его службы.

Поставленная задача решается тем, что в фильтре для очистки воздуха от радиоактивного йода, содержащем многослойный фильтрующий элемент, слой, лобовой по ходу фильтруемого потока воздуха, выполнен из карбонизированного углеволокнистого материала (КУВМ) с поверхностной плотностью не менее 200 г/м², а следующие после него слои выполнены из фильтровального сорбирующего материала, содержащего импрегнанты йода в количестве не более 10%.

В зависимости от условий эксплуатации (загрязнения, влажности и температуры фильтруемого воздуха) лобовой слой фильтрующего элемента может быть выполнен или из нетканого, или тканного, или трикотажного карбонизированного углеволокнистого фильтровального материала.

Следующие после лобового слои для снижения стоимости фильтра могут быть выполнены из стекловолокна или из полимерного волокна, содержащего частицы высокопористого сорбента, в количестве не менее 200 г/м², который импрегнирован и/или иодидом калия, и/или иодидом бария или азотнокислым серебром и/или нелетучим третичным амином или всеми вместе импрегнантами вместе при массовом соотношении 1:1:1:1 в количестве 4-8%.

Слои, следующие после лобового, могут быть выполнены также из фильтровального материала, содержащего частицы высокопористого импрегнированного сорбента, установлены так, что первый слой после лобового содержит сорбент, импрегнированный иодидом калия или иодидом бария, следующий за ним слой содержит сорбент, импрегнированный нелетучим третичным амином, и далее слой, содержащий сорбент, импрегнированный азотнокислым серебром, при этом в каждом из этих слоев сорбент содержит указанные импрегнанты в количестве не более 10%.

Эффективность очистки может быть увеличена, если хотя бы один из слоев, следующих после лобового, выполнен из карбонизированного углеволокнистого импрегнированного фильтровального материала.

Эффективность очистки может быть увеличена, если слой фильтрующего элемента, последний по ходу очищаемого потока воздуха, выполнен из тонковолокнистого материала с плотностью упаковки не более 0,06 и не содержит сорбента.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявленный фильтр отличается тем, что в нем лобовой слой фильтрующего элемента выполнен из неимпрегнированного карбонизированного углеволокнистого материала с поверхностной плотностью не менее 200 г/м², что позволяет судить о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, что карбонизированные углеволокнистые материалы (КУВМ) гидрофобны, термо- и химическистойки, обладают пористостью, ориентированной вдоль оси волокна, фибриллярной структурой, малым диаметром волокна (2-15 мкм) и развитой удельной поверхностью (4·10³-1,3·10⁴) см/см³ [Н.И.Ампелоголова, В.Г.Крицкий, Н.И.Крупенникова, А.И.Скворцов. Углеволокнистые материалы-адсорбенты для очистки газов от радиоактивного йода. М. Атомная энергия., т.92, вып.4, апрель 2002].

Благодаря фибриллярной ориентированной структуре и развитой удельной поверхности КУВМ позволяет значительно уменьшить диффузионное сопротивление и повысить интенсивность сорбционного процесса. По скорости сорбции КУВМ превосходят активированные угли в 10-100 раз.

Изготовление лобового слоя многослойного фильтрующего элемента из этого материала без импрегнанта позволяет производить очистку воздуха в два этапа - в лобовом слое производится физическая сорбция йода, а в последующих слоях, содержащих высокодисперсный сорбент, импрегнированный иодидом калия, или иодидом бария, или другими веществами, происходит хемосорбция (присоединение, замещение атома водорода или ионного обмена).

Таким образом, такая конструкция фильтрующего элемента позволяет практически полностью исключить проскок радиоактивного йода через фильтр и замедлить процесс отравления импрегнированного сорбирующего слоя.

Были произведены сравнительные испытания разработанной конструкции фильтра и прототипа на базе "горячей" камеры реактора ВВР-Ц, в которой изготавливались радиофармпрепараты, меченые йодом-131. Установка включает в себя алонжи для размещения исследуемых образцов материалов, расходомеры и вакуумную систему, обеспечивающую прокачку воздуха через образцы с линейной скоростью 5 см/сек. Прокачиваемый через образцы воздух имел следующие параметры:

- температура20-25°С;- относительная влажность80-90%;- концентрация ¹³¹J10³-10⁴ Бк/м³;

в том числе:

- аэрозоли5-7%;- молекулярный йод60-70%;- органические соединения30-40%.

Воздух, направляемый в испытуемый образец, очищался от аэрозольной фракции йода-131 с помощью фильтра из высокоэффективного стекловолокнистого материала класса Н-13.

Проскок летучих форм йода-131 через исследуемый фильтр фиксировался с использованием буферного абсолютного слоя (БАС), изготовленного из набора сорбционных фильтров типа ФПУА-70-7,5 (ТУ 2282-251-2100232-97) с суммарной поверхностной плотностью угольного сорбента 400 г/м², импрегнированного азотнокислым серебром в количестве 20% от массы угля. Эффективность БАС по летучим формам ¹³¹J 99,999.

Радиоактивность йода-131 измерялась гамма-спектрометром с полупроводниковым детектором по площади пика полного поглощения с энергией 364 КЭВ. Эффективность очистки воздуха от I-131 рассчитывалась по формуле:

где А_БАС и А_КОМП - радиоактивности БАС и композиции.

Во всех опытах в качестве карбонизированного углеволокнистого материала (КУВМ) использовалось нетканое полотно "Карбопон-актив", производство "СПО "ХИМВОЛОКНО". г.Светлогорск, Республика Беларусь (ТУ РБ 00204056.104.97) с поверхностной плотностью 190-200 г/м² при толщине 0,1-0,12 см.

В качестве измельченного сорбента использовался уголь марки ОУ-А ГОСТ 4453-74 с остатком на сетке 0,1 К менее 3%. Матрицей для него служило иглопробивное полотно из полипропилена толщиной 0,15-0,20 см с диаметром нитей 20 мкм. Активированный уголь импрегнировался йодидом калия - KI (4-5% вес.), триэтаноламином - ТЭА (5-8% вес.) и азотнокислым серебром - AgNO₃ (5-10% вес.) (Этот материал обозначен в таблице как ОУ-А с соответствующими импрегнантами).

Для сравнения были использованы фильтры, как в прототипе (см. табл.4 описания прототипа), содержащие многослойный фильтрующий элемент, состоящий из 3 слоев, которые, в том числе и лобовой, выполнены из КУВМ, импрегнированного ТЭДА, или KI, а также фильтрующие элементы, содержащие лобовой слой, выполненный из КУВМ, импрегнированного KI, а остальные 4 слоя неимпрегнированные.

В прототипе эффективность очистки от 99% и выше достигается тогда, когда увеличивается толщина слоев и импрегнирован не только лобовой слой, но и последующие.

В заявляемом фильтре эффективность очистки 99% и выше получается уже при лобовом слое из КУВМ без импрегнанта при поверхностной плотности 200 г/м² и одном слое из сорбирующего материала, импрегнированного 4% KI с поверхностной плотностью 190 г/м².

Как видно из таблицы 1, эффективность очистки от ¹³¹J увеличивается по сравнению с прототипом в среднем на 4-6%.

В таблице 2 приведены результаты испытаний фильтрующих элементов с различной поверхностной плотностью лобового слоя из углеволокнистого материала. Длительность экспозиции 12 часов, линейная скорость прокачки воздуха 5 см/сек.

Из таблицы видно, что при увеличении поверхностной плотности лобового слоя до 200 г/м² увеличивается эффективность очистки, дальнейшее же увеличение поверхностной плотности слоев практически не влияет на эффективность очистки.

В таблице 3 приведены сравнительные ресурсные испытания модели заявляемого фильтра, состоящего из лобового слоя, выполненного из КУВМ, и слоя ОУ-А, в котором сорбент импрегнирован 4% KI, и модели фильтра, как в прототипе, в котором лобовой слой - из КУВМ импрегнирован 4% KI и следующий слой - из неипригнированного КУВМ. Линейная скорость прокачки воздуха 5 см/сек, относительная влажность 85-90%, температура 20-23°С.

Из таблицы видно, что эффективность очистки фильтрующего элемента, в котором лобовой слой выполнен из неимпрегированного углеволокнистого материала, остается более высокой, чем фильтрующего элемента, в котором лобовой слой выполнен из импрегнированного углеволокнистого материала, и через 152 часа работы.

Испытания показали, что заявляемый фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода обладает более высокой эффективностью очистки от радиоактивного йода и большим ресурсом работы.

Заявленный фильтр экономически более эффективен.

В прототипе все слои фильтрующего элемента выполнены из КУВМ, который в 3 раза дороже материала в виде матрицы из иглопробивного полотна из полипропилена или стекловолокна, содержащего импрегнированный сорбент. И даже если следующий слой после лобового слоя в заявленном фильтре выполнен из импрегнированного КУВМ, то толщина такого слоя значительно меньше, чем в прототипе, а значит дешевле.

Заявленный фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода может применяться в высокоэффективных системах очистки в качестве йодной ступени.

Таблица 1.
Сравнительные испытания сорбционно-фильтрующих композиций с различными имрегнантами. Длительность экспозиции 6 часов, линейная скорость прокачки воздуха 5 см/сек№ п/пСостав композиции по ходу фильтруемого потокаПоверхностная плотность, г/м²Относительная влажность воздуха, %Температура, °СЭффективность очистки от 1-131,%1а) КУВМ200    б) ОУ-А+4% KI190802298,72а) КУВМ200    б) ОУ-A+10% AgNO₃195822099,53а) КУВМ200    б) ОУ-А+8% ТЭА200902199,04а) КУВМ200    б) смесь190    ОУ-А+5% KI     ОУ-А+5% ТЭА 872399,4 ОУ-А+5% AgNO₃     Соотн. 1:1:1    5а) КУВМ200    б) ОУ-А+5% KI60902099,6 б) ОУ-А+5% ТЭА60    в) ОУ-А+5% AgNO₃60   

Таблица 2.
Влияние поверхностной плотности лобового слоя (углеволокнистого материала) на эффективность очистки воздуха от летучих форм I-131. Длительность экспозиции 12 часов, линейная скорость прокачки воздуха 5 см/сек№ п/пСостав композиции по ходу фильтруемого потокаПоверхностная плотность, г/м²Относительная влажность воздуха, %Температура фильтруемого воздуха, °СЭффективность очистки от ¹³¹I, %1КУВМ130902093,42КУВМ200852096,52КУВМ400902297,03КУВМ600902597,04а) КУВМ200    б) ОУ-А+8% ТЭА190802298,95а) КУВМ400    б) ОУ-А+8% ТЭА195852299,1Таблица 3.
Сравнительные ресурсные испытания моделей заявляемого объекта патентования и прототипа. Линейная скорость прокачки воздуха 5 см/сек, относительная влажность 85-90%, температура 20-23°С.№ п/пЛобовые слоиПоверхностная плотность, г/м²Продолжительность работы фильтра1а) КУВМ
б) ОУ-А+4%К1200
20540 часов87 часов114 часов152 часа99,299,198,996,52а) КУВМ+4% KI210     б) КУВМ20099,098,595,291,3

Изобретение относится к области обработки радиоактивных газообразных отходов. Сущность изобретения: фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода содержит многослойный фильтрующий элемент. При этом лобовой по ходу фильтруемого воздуха слой фильтрующего элемента выполнен из карбонизированного углеволокнистого фильтровального неимпрегнированного материала с поверхностной плотностью не менее 200 г/м². Фильтр содержит 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%. Последний слой по ходу очищаемого потока воздуха выполнен из тонковолокнистого материала с плотностью упаковки не более 0,06 и не содержит сорбента. Преимущество изобретения заключается в повышении степени очистки воздуха и увеличении срока службы. 13 з.п. ф-лы., 3 табл.

1. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода, содержащий многослойный фильтрующий элемент, отличающийся тем, что фильтр содержит 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 содержит слои, выполненные из фильтровального сорбирующего материала, содержащего частицы высокопористого сорбента, импрегнированного йодидом калия, третичным амином, азотно-кислым серебром и/или йодидом бария в количестве не более 10%, а последний слой фильтрующего элемента по ходу очищаемого потока воздуха выполнен из тонковолокнистого материала.2. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по п.1, отличающийся тем, что лобовой слой фильтрующего элемента выполнен из нетканого карбонизированного углеволокнистого фильтровального материала.3. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по п.1, отличающийся тем, что лобовой слой фильтрующего элемента выполнен из тканого карбонизированного углеволокнистого фильтровального материала.4. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по п.1, отличающийся тем, что лобовой слой выполнен из трикотажного карбонизированного углеволокнистого фильтровального материала.5. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по п.1, отличающийся тем, что слои, следующие после лобового по ходу очищаемого потока воздуха, выполнены из стекловолокна.6. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по п.1, отличающийся тем, что слои, следующие после лобового по ходу очищаемого потока воздуха, выполнены из полимерного волокна.7. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что хотя бы один из слоев, следующих после лобового, содержит частицы высокопористого импрегнированного сорбента в количестве не менее 200 г/м².8. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что сорбент импрегнирован йодидом калия или йодидом бария в количестве 4-8 вес.%.9. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что сорбент импрегнирован азотнокислым серебром в количестве 4-8 вес.%.10. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что сорбент импрегнирован нелетучим третичным амином в количестве 4-8 вес.%.11. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что сорбент импрегнирован йодидом калия, третичным амином, азотно-кислым серебром и/или йодидом бария в суммарном количестве 4-8%.12. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что слои, следующие после лобового, установлены так, что первый слой после лобового содержит сорбент, импрегнированный йодидом калия или йодидом бария, следующий за ним слой содержит сорбент, импрегнированный нелетучим третичным амином, и далее слой, содержащий сорбент, импрегнированный азотно-кислым серебром, при этом в каждом из этих слоев сорбент содержит указанные импрегнанты в количестве не более 10%.13. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что частицы высокопористого сорбента импрегнированы йодидом калия, третичным амином, азотно-кислым серебром и/или йодидом бария в суммарном количестве 4-8% при массовом соотношении 1:1:1:1.14. Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что последний слой фильтра по ходу очищаемого потока воздуха выполнен из тонковолокнистого материала с плотностью упаковки не более 0,06 и не содержит сорбента.