СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ ОТ ЙОДА Российский патент 2011 года по МПК B01D53/02 B01D53/68 B01J20/02 G21F9/02 

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к очистке газовых потоков, содержащих радиоактивный йод.

В современной технике для очистки газов от радиоактивного йода используют различные фильтрующие и сорбционные материалы, способные улавливать радиоактивный йод в виде аэродисперсных и газообразных продуктов.

Очистку от радиоактивного йода осуществляют с использованием сорбционно-фильтрующих материалов, содержащих сорбенты, импрегнированные йодистым калием, вторичными и третичными аминами или азотнокислым серебром.

[Нахутин И.Е., Смирнова И.М., Лаушкина Г.А., Лошаков Г.А. Адсорбция паров радиоактивного йода из воздуха. - Атомная энергия, 1969, т.26, вып.4, с.390-391.

Кузнецов Ю.В., Суходолов Г.М., Елизарова А.Н., Чватов В.Н. К вопросу о химических формах йода в отходах АЭС. - Радиохимия, 1981, №6, с.923-926.

Борисов Н.Б. Исследование газообразных фракций радиоактивного йода. - Атомная энергия, т.97, вып.5, ноябрь 2004, с.349-355.]

В частности, для улавливания йода известны:

1) сорбционно-фильтрующая лента СФЛ-2И-50 и аналитические фильтры АФАС-И для анализа радиойода, состоящие из фильтрующего материала ФП и мелкоизмельченного угля ОУ-А, импрегнированного 25% азотно-кислым серебром [Борисов Н.Б., Борисова Л.И., Старостина И.А., Петрянов И.В. Аналитическая лента СФЛ-2И-50 и фильтры АФАС-И для определения содержания радиоактивного йода в газовых средах. - Гигиена и санитария, №9, 64, 1977];

2) многослойный сорбционно-фильтрующий материал для очистки воздуха от радиойода, в котором в качестве углеродсодержащего материала использована карбонизированная углеродная ткань с поверхностной плотностью 230-700 г/м² и диаметром волокон 2-10 мкм, причем лобовой слой дополнительно импрегнирован 1-5% йодистым калием и/или амином [патент РФ №2161338 от 27.12.2000, МПК G21F 9/02; B01D 39/08; B01J 20/20. «Сорбционно-фильтрующая загрузка для очистки воздуха от радиоактивного йода»].

Применение угольсодержащих сорбентов влечет за собой возможность образования органических соединений, содержащих йод, под действием ионизирующего излучения. В присутствии оксидов азота и азотной кислоты применение импрегнированных углей или угольсодержащих сорбентов пожаровзрывоопасно;

3) сорбционно-фильтрующий материал ФПУА-70-7,5 для очистки воздуха и газов от радиойода, ТУ 2282-251-2100232-97, состоящий из фильтрующего материала ФП и высокодисперсного порошка, импрегнированного азотно-кислым серебром;

4) сорбент для улавливания йода из газовой фазы, не содержащей оксидов азота, на основе серебра или растворимой соли серебра, нанесенной на пористый носитель [патент EP 0608057 A1, 27.07.1994, МПК B01D 53/68; B01D 53/04; G21F 9/02; B01D 53/68; B01D 53/04; G21F 9/00. «Iodine adsorbent for removing iodine from a gas»] или сорбент для улавливания йода из газовых потоков, содержащих оксиды азота, на основе нитрата серебра, нанесенного на пористую матрицу, устойчивую к кислой среде, например, из карбида кремния [патент РФ №2288514 C1, 27.11.2006, МПК G21F 9/02; G21F 9/16, G21F 9/12. «Сорбент для улавливания радиоактивного йода из газовой фазы»].

Недостатком этих материалов и способа фиксации йода являются значительные затраты на изготовление, утилизацию или регенерацию данных сорбентов. В случае регенерации адсорбента с использованием матрицы носителя образуются значительные объемы вторичных радиоактивных отходов, которые приводят к дополнительным затратам на их утилизацию;

5) сорбент для улавливания йода на основе цеолита, модифицированного в серебряную или медную форму, с содержанием углеродного соединения в пересчете на углерод 0,4-2,0 масс.%. Сорбент получается посредством обработки модифицированного цеолита ацетиленом [патент РФ №2104085 C1, 10.02.1998, МПК B01J 20/18; G21F 9/12. «Сорбент на основе цеолитов»];

6) сорбент для улавливания йода на основе цеолита типа фожазита, у которого ионы натрия обменены на ионы серебра и свинца [патент РФ №2035975 C1, 27.05.1995, МПК B01D 53/02; B01D 53/34; D01J 20/18. «Способ очистки кислородсодержащих газов от примеси йода и сорбент для его осуществления»].

Применение цеолитов в металлозамещенной форме требует повышенных температур или предварительную очистку газа от паров воды и CO₂, так как последние снижают сорбционную емкость цеолита по йоду. Применение повышенных температур приводит к дополнительным трудностям, таким как истирание и пыление сорбента.

В качестве прототипа выбран патент РФ №2035975 C1. Способ очистки газовоздушных потоков от йода в прототипе основан на сорбционном действии цеолита в металлозамещенной форме. Цеолит типа фожазита, у которого ионы натрия обменены на ионы серебра и свинца, представляет собой цеолит общей формулы aNa₂O·bPbO·cAg₂O·Al₂O₃×(2,5±0,5)SiO₂, где b=(0,05-0,5), c=(0,3-0,7) и a+b+c=1. Цеолит используется в виде шариков, малых стержней, зерен или осколков, диаметр или длина которых составляет лишь несколько сантиметров. Цеолит перед использованием активируют при температуре около 450°C. Улавливание йода на описанном материале происходит при температуре 145°C.

Улавливание йода на цеолитах приводит к образованию значительных объемов отходов за счет включения непосредственно самого цеолита в матрицу хранения.

Задачей изобретения является очистка газового потока от йода с первичной фиксацией йода в виде труднорастворимых солей металлов, пригодных для формирования матрицы длительного хранения малого объема.

Поставленная задача решается путем использования для поглощения йода изделий из металлов: Cu, Ag, Pd, Bi, Pb, Sn, сплавов их между собой или с Zn. В случае присутствия в газовом потоке оксидов азота газовый поток предварительно промывается раствором пероксида водорода с последующей отдувкой из регенерированной азотной кислоты йода в газовую фазу и улавливанием йода изделием из металлов.

Технический результат заключается в том, что газовый поток очищается от радиоактивного йода, а используемое в качестве сорбента изделие из металла или сплава расходуется практически нацело и конечная композиция из труднорастворимой соли йода и непрореагировавшего металла направляется на длительное хранение.

Использование предлагаемого способа очистки газовых потоков позволяет получить конечный материал с содержанием иодида металла 40-85% масс, и самого металла 15-60% масс. На основе этого продукта может быть сформирована матрица для иммобилизации йода-129 с низкой скоростью выщелачивания. Матрица с массовым содержанием иодида меди 81,1% и металлической меди 18,9% имеет скорость выщелачивания йода 6,6·10^-8 г/(см²·сут) [патент РФ №2090945 C1, 20.09.1997, МПК G21F 9/16].

Следующие примеры иллюстрируют возможность применения способа.

Пример 1

Изделие из металлической меди помещается в адсорбционную колонку высотой 15 мм и диаметром 4,5 мм с наполнением по объему меди в колонке 10%. Через последнюю продувается при температуре 250°C газовоздушный поток с расходом 15 л/ч, содержащий пары йода с концентрацией 2,4 мг/л. Коэффициент очистки в течение 2 часов работы при этом ≥500.

Пример 2

Изделие из металлической меди помещается в секционную адсорбционную колонку диаметром 4,5 мм из 6 секций, в каждую секцию помещается 25 мг изделия из меди. Пропускается газовоздушный поток с расходом 15 л/ч при температуре 250°C и содержанием паров йода 1,2 мг/л. Получаемый продукт в первой секции содержит до 80 масс.% иодида меди и 20 масс.% оставшейся металлической меди.

Пример 3

Изделие из металлического висмута помещается в адсорбционную колонку высотой 20 мм и диаметром 10 мм. Через последнюю продувается при температуре 125°C газовоздушный поток с расходом 0,4 л/мин, содержащий пары йода с концентрацией 0,4 мг/л. Коэффициент очистки в течение 2 часов работы при этом ≥500.

Пример 4

Изделие из сплава меди и цинка (латунь) помещается в адсорбционную колонку высотой 20 мм и диаметром 10 мм. Через последнюю продувается при температуре 200°C газовоздушный поток с расходом 0,4 л/мин, содержащий пары йода с концентрацией 0,8 мг/л. Коэффициент очистки в течение 2 часов работы при этом ≥500.

Пример 5

Газовый поток с расходом 100 л/ч, содержащий оксиды азота (до 70% в максимуме) и пары йода (со средней концентрацией 0,1 г/м³), поступает в абсорбционную колонну, орошаемую 5% масс. раствором пероксида водорода. Режим работы колонны обеспечивал соотношение газ/жидкость 250:1, при комнатной температуре. Образовавшаяся регенерированная азотная кислота, содержащая йодноватую кислоту, подавалась на отдельную тарельчатую колонну, где методом противотока воздуха проводили отдувку йода, при режиме работы колонны: соотношение газ/жидкость не менее 100:1, температура раствора 70°C, содержание пероксида водорода 2% масс., йод из раствора отдувался на 98%. Переходящий в газовую фазу йод улавливался в адсорбционной колонке на изделие из металлической меди с коэффициентом очистки ≥500.

Пример 6 (сравнительный)

Газовый поток от йода может быть очищен на металлозамещенном цеолите в слое высотой 7,5 см при диаметре колонки 2,5 см с адсорбционной способностью 99,76. Объем конечного отхода будет определяться объемом цеолита и составит ~36,8 см³ с содержанием йода ≤0,2 г/г (сорбента).

Использование для очистки от йода адсорбера, заполненного изделием из меди высотой 2 см и диаметром колонки 1 см, позволяет достичь степени очистки такой же, как на металлозамещенных цеолитах. Объем полученного отхода с содержанием йода 33,3-55,3% масс. составляет не более 0,6 см³ после прессования.

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к очистке отходящих газов от радиоактивного йода. Очистку осуществляют путем поглощения йода сорбентом, в качестве которого используют изделия из металлов, выбранных из ряда: Сu, Ag, Pd, Bi, Pb, Sn, или их сплавов с цинком, при 125-250°С. Изобретение обеспечивает фиксацию йода в форме труднорастворимых солей металлов, пригодных для формирования матрицы малого объема для длительного хранения.

Способ очистки газовых потоков от йода, включающий их контактирование с сорбентом, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют изделия из металлов, выбранных из группы Сu, Ag, Pd, Bi, Pb, Sn, или сплавов этих металлов с цинком, причем контактирование осуществляют в диапазоне температур 125-250°С.