сорбент для улавливания радиоактивного йода из газовой фазы

Формула изобретения

Сорбент для улавливания радиоактивного йода, состоящий из пористой основы, пропитанной солью азотнокислого серебра (AgNO ₃), отличающийся тем, что в качестве основы сорбента используется пористый карбид кремния с пористостью от 30 до 60%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки и иммобилизации газообразных радиоактивных отходов радиохимических предприятий атомной промышленности, а именно к области улавливания йода (в частности, йода-129) из газоаэрозольного потока с узла рубки-растворения облученного ядерного топлива.

Технологические процессы производств по переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ) энергетических реакторов и транспортных установок неразрывно связаны с очисткой газоаэрозольных отходов от долгоживущего йода-129 (T_1/2=1,57·10⁷ лет). В качестве сорбента для его улавливания используются пористые материалы, импрегнированные азотнокислым серебром.

Аналогом изобретения может служить серебросодержащий сорбент «Силоксид» в соответствии с техническими условиями «Силоксид-сорбент для улавливания радионуклидов йода из газовых сред». ТУ ЛКВШ 94.373.00.000, Сосновый Бор, НИТИ им. А.П. Александрова, 1995.

Сорбент «Силоксид» не отвечает требованиям йодной очистки при переработке ОЯТ, т.к. имеет малый размер гранул (2 мм) и невысокую удельную поверхность, что способствует существенному повышению аэродинамического сопротивления газоочистного аппарата и отражается на поглощающей емкости сорбента. Известен сорбент для улавливания йода [С.И. Ровный, Н.П. Пятин, И.А. Истомин. Улавливание йода-129 при переработке облученного ядерного топлива энергетических установок. Статья в журнале «Атомная энергия», т. 92, вып.6, июнь 2002], который принят за прототип изобретения, где в качестве основы, пропитанной солью серебра (AgNO₃ ), используется оксид алюминия марки А в виде гранул белого цвета цилиндрической формы с диаметром основания от 3 мм до 4 мм и высотой от 10 мм до 15 мм по ГОСТ 8136-85 «Оксид алюминия активный. Технические условия».

Недостатками оксида алюминия являются:

- склонность к механическому разрушению и истиранию в процессах эксплуатации и регенерации;

- низкая химическая стойкость в щелочной и кислой средах;

- пыление в процессах перетаривания.

Задачей изобретения является повышение механической прочности в процессах эксплуатации, регенерации и перетаривания, а также химической стойкости сорбента в кислых и щелочных средах при сохранении основных характеристик, предъявляемых к сорбенту и его основе (эффективное насыщение основы импрегнантом, высокая динамическая емкость по йоду, возможность проведения регенерации сорбента и извлечения серебра для повторного использования). Она решается за счет применения в качестве сорбента для улавливания йода из газовой фазы пористого карбида кремния, пропитанного солью азотнокислого серебра (AgNO₃).

Карбид кремния - материал, представляющий собой химическое соединение кремния с углеродом (SiC); твердость по Моосу 9,1; микротвердость 3300-3600 кГс/мм². Получают его в электрических печах сопротивления силицированием частиц углерода парами кремниевой кислоты. Сырьем служат материалы, богатые кремнеземом: жильный кварц, кварцевые пески и кварциты, содержащие не менее 99,0-99,5%, SiO₂, а также углеродистый материал - нефтяной кокс. Карбид кремния является перспективным материалом современного приборостроения ввиду высокой радиационной стойкости и температурной стабильности.

Предлагаемый материал отличается от оксида алюминия тем, что карбид кремния обладает значительно более высокой коррозионной устойчивостью в агрессивных средах, так он не реагирует с неорганическими кислотами и щелочами даже при температуре их кипения. Лабораторные исследования показали, что коррозия карбида кремния в грунтовых водах с рН˜8 при температуре 170°С составляет 0,15 мкм в год. Механическая прочность карбида кремния существенно превышает прочность оксида алюминия, соответственно этот материал более стоек в процессах перетаривания и транспортировки.

Применение пористого карбида кремния для изготовления йодного сорбента возможно, как в виде гранул различной формы, так и в форме фильтрующего патрона (ФП) в корпусе малогабаритного регенерируемого модульного фильтра, способного осуществлять очистку газовой фазы от йода.

Для изготовления йодного сорбента, пористый карбид кремния импрегнируется солью азотнокислого серебра (AgNO ₃). Для этого пористую подложку сорбента (карбид кремния с пористостью от 30 до 60% в виде гранул или в форме фильтрующего патрона) пропитывают раствором соли серебра с требуемой концентрацией по серебру и сушат при температуре от 100 до 150°С. Операции пропитки и сушки повторяют до полного поглощения раствора.

После насыщения сорбента радиоактивным йодом из газовой фазы возможно проведение его регенерации с целью повторного использования. При необходимости возможно извлечение серебра из предлагаемого сорбента для повторного его использования.

Пример

Для проведения экспериментов по изучению возможности изготовления сорбента на основе пористого карбида кремния (пористость 30%) был использован образец материала (далее ФП - фильтр-патрон) в форме полого цилиндра с диаметром основания 70 мм, высотой 105 мм и толщиной стенки 5 мм. Исходная масса ФП составляла 184574 мг. Импрегнирование ФП азотнокислым серебром осуществляли азотнокислым раствором, с концентрацией по серебру 2,6 г/л и по азотной кислоте 5 моль/л, за несколько стадий, каждая из которых представляет собой процесс равномерного увлажнения фильтра и последующую его сушку. Таким образом, достигалось полное поглощение раствора.

ФП взвешивали перед насыщением и после него. Результаты насыщения ФП серебром представлены на фиг.1.

После шестой стадии произошло полное поглощение раствора, содержащего 2,2 г серебра, при этом концентрация серебра в фильтр-патроне составила 11,9 мг/г.

Эксперименты по улавливанию йода ФП проводили на лабораторной установке (Фиг.2).

На фиг.2: 1 - герметичная емкость, 2 - термостойкий стакан, 3 - йод-127, 4 - печь, 5 - ФП, 6 - барботер, 7 - раствор NaOH.

На дно термостойкого стакана 2 была насыпана навеска йода-127 в количестве, превышающем стехиометрическое значение относительно реакции образования йодида серебра. ФП 5 был помещен на металлическую сетку, закрепленную выше уровня насыпки кристаллов йода. Стакан с ФП был установлен в герметическую емкость 1, снабженную штуцером для отвода газовой фазы в барботер 6, заполненный раствором гидроксида натрия с концентрацией 2 моль/л. Насыщение сорбента йодом проводили при температуре 200°С в шахтной печи 4. Начало и завершение процесса испарения йода контролировали по изменению цвета раствора в барботере и подводящих газоходах.

Количество уловленного йода определяли взвешиванием ФП до и после насыщения. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты насыщения ФП йодом-127
Масса фильтр-патрона с AgNO3, мг	Масса фильтр-патрона после насыщения, мг	Масса йода, мг	Концентрация йода, мг/г
189894	193394	3500	18,1

Концентрация йода-127 в поглотителе составила 18,1 мг/г, что больше количества йода в форме йодида серебра, образующегося в соответствии со стехиометрией реакции

6AgNO₃+3I₂ 4AgI+2AgIO₃+6NO₂.

Это можно объяснить адсорбцией молекулярного йода на поверхности пор ФП.

Регенерацию ФП проводили щелочным раствором гидразин-нитрата с концентрацией по щелочи 30 г/л и по гидразину 15 г/л. Продолжительность обработки сорбента раствором составила 30 минут при температуре 80°С. После проведения регенерации фильтр-патрон промывали горячей дистиллированной водой до рН=5-7, сушили и взвешивали. Из растворов, образующихся в процессе регенерации ФП (регенераты и промывка) йод концентрировали в виде йодида меди. Результаты регенерации ФП и осаждения йода в виде йодида меди приведены в таблице 2.

Таблица 2 Извлечение йода-127 из серебросодержащего фильтр-патрона
Масса фильтр-патрона, мг		Масса йода в осадке, мг	Эффективность извлечения йода, %
до регенерации	после регенерации
193394	186720	3420	98

С целью получения серебра из отработанного сорбента на основе пористого карбида кремния ФП после извлечения из него йода обрабатывали азотной кислотой с концентрацией 5 моль/л в течение 30 минут при температуре 80°С, затем ФП высушивали и взвешивали. Маточные и промывные растворы анализировались на содержание в них серебра (исходное содержание серебра в ФП - 2,2 г) двумя способами. В первом случае массовую концентрацию серебра в растворах определяли на рентгено-флюоресцентном энергодисперсионном анализаторе ЭРА-03. Во втором - серебро осаждали из раствора в форме хлорида. Результаты анализов растворов представлены в таблице 3.

Таблица 3 Извлечение серебра из регенерированного фильтр-патрона
Масса фильтр-патрона, мг		Масса серебра, мг		Эффективность извлечения серебра, %
До извлечения	после извлечения	в растворе	в осадке
186720	184575	2180	2193	99,4±0,3

Как видно из данных, представленных в таблице 3, эффективность извлечения серебра из фильтр-патрона составила (99,4±0,3)%, что выше степени извлечения серебра из сорбента на основе оксида алюминия, где она находится на уровне (97,4±0,6)%.

Отличительными признаками предложенного материала являются значительно более высокая коррозионная и механическая устойчивости в агрессивных средах. Это позволяет существенно продлить срок эксплуатации йодного сорбента, повысить эффективность использования дорогостоящего серебра.