張計(jì)榮，李永國(guó)，韓麗紅，吳　波，張　群，梁　飛，喬太飛，張昭辰（中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原　030006）

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關(guān)于提高活性炭除碘性能的浸漬劑的幾點(diǎn)討論

張計(jì)榮，李永國(guó)，韓麗紅，吳波，張群，梁飛，喬太飛，張昭辰
（中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原030006）

摘要：國(guó)內(nèi)外較為普遍地應(yīng)用浸漬活性炭吸附去除放射性碘，最常用的浸漬劑是碘化鉀和三乙撐二胺，能有效提高活性炭吸附去除放射性甲基碘的效率。而浸漬劑三乙撐二胺將活性炭除碘性能提高的同時(shí)，也會(huì)由于其浸漬含量的不同而不同程度地降低活性炭的著火點(diǎn)，另外三乙撐二胺的解吸和高溫分解也會(huì)影響到浸漬活性炭的除碘性能?？紤]到三乙撐二胺的揮發(fā)損失，為保證活性炭浸漬后的除碘效率，推薦采用真空干燥三乙撐二胺浸漬的活性炭。鑒于三乙撐二胺浸漬劑的固有缺陷，建議深入開展浸漬劑替代品的研究。

關(guān)鍵詞：氣態(tài)流出物；放射性碘；活性炭；浸漬劑；著火點(diǎn)；解吸

核設(shè)施在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生一些放射性廢氣，由于它們的來源、存在形式和性質(zhì)不同，處理方法也不一樣。與廢氣中其他放射性核素相比，放射性碘的產(chǎn)生量大，可能造成的危害大，因而一直是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)［1］。2011年，日本福島第一核電廠的事故向大氣中釋放的放射性131I近1.6×1017Bq［2］，人們對(duì)氣態(tài)放射性碘可能產(chǎn)生的危害十分關(guān)注。如何有效地去除廢氣中的氣態(tài)放射性碘，特別是事故工況下如何氣載放射性碘的有效去除，這對(duì)放射性碘的去除技術(shù)提出了更高的要求。

在核設(shè)施空氣凈化和氣體處理系統(tǒng)中，通常使用裝有活性炭的碘吸附器以去除氣態(tài)放射性碘。未經(jīng)浸漬的活性炭基炭可以很好地吸附單質(zhì)碘（I2），但對(duì)以CH3131I為代表的有機(jī)碘去除效率則較差。而實(shí)驗(yàn)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均表明，對(duì)有機(jī)碘吸附效率高的浸漬活性炭，對(duì)單質(zhì)碘的吸附效率也一定高［3］。因此，用于核設(shè)施碘吸附器的活性炭通常需進(jìn)行浸漬處理以提高其吸附去除放射性碘的性能。

目前，常用的浸漬劑有碘化鉀（KI）、三乙撐二胺（TEDA）［4］和金屬鹽［5］等，但較為普遍采用的是前兩種浸漬劑，浸漬劑碘化鉀去除甲基碘的原理主要是同位素交換，三乙撐二胺去除甲基碘的機(jī)理通常認(rèn)為是其與甲基碘生成了固體化合物而固著在活性炭上，其反應(yīng)式分別如下。

碘化鉀同位素交換去除放射性碘的過程，一般認(rèn)為需要7個(gè)步驟：容積擴(kuò)散；孔擴(kuò)散；吸附；同位素交換；解吸；從孔結(jié)構(gòu)向表面的擴(kuò)散；擴(kuò)散到氣相中。而三乙撐二胺絡(luò)合去除放射性碘，一般認(rèn)為需要4個(gè)步驟：容積擴(kuò)散；孔擴(kuò)散；吸附；化學(xué)反應(yīng)。顯然，這個(gè)過程比同位素交換過程需要的步驟少。因此，在相同的滯留時(shí)間內(nèi)，三乙撐二胺浸漬活性炭的去污因子較碘化鉀浸漬活性炭的去污因子大。浸漬劑三乙撐二胺對(duì)活性炭除碘效率的影響［3，6-7］及放射性碘在其浸漬活性炭上的解吸［8］研究報(bào)道較多，但浸漬劑三乙撐二胺含量對(duì)活性炭著火點(diǎn)的影響、自身解吸與高溫分解所導(dǎo)致的活性炭除碘性能降低、浸漬活性炭最佳干燥方法及高溫環(huán)境條件下替代物研究報(bào)道及總結(jié)相對(duì)較少。

1　三乙撐二胺含量對(duì)活性炭著火點(diǎn)的影響

影響活性炭著火點(diǎn)的因素主要有活性炭的比表面積、活性炭粒徑、氣流速度、炭床深度及其他物質(zhì)（如浸漬劑）的含量等。美國(guó)NUCON公司曾采用不同三乙撐二胺浸漬劑含量（活性炭重量的1%～6%）在深度為2.5 cm的活性炭床［9］進(jìn)行了多種氣流速率下的活性炭著火實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同氣流速率下三乙撐二胺含量與活性炭著火點(diǎn)關(guān)系Fig.1 Relationship between ignition temperature of activated carbon and TEDA content at different flow rate

從圖1可以看出，在三種氣流速率情況下，總體而言，當(dāng)三乙撐二胺浸漬劑的含量超過5%時(shí)，活性炭的著火點(diǎn)明顯下降；對(duì)于相同氣流速率情況下，試驗(yàn)活性炭的著火點(diǎn)與浸漬劑含量呈反向表現(xiàn)，進(jìn)一步說明浸漬活性炭著火點(diǎn)受多因素的影響。此外，浸漬劑含量對(duì)活性炭吸附去除放射性碘的效率實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也表明，沉積在活性炭表面的浸漬劑含量不宜超過基炭重量的5%，在此之上，再增大浸漬劑的含量對(duì)提高去除放射性碘的效率沒有明顯作用，其吸附去除放射性碘的量并不會(huì)隨著浸漬劑含量的增大而不斷提高，浸漬活性炭去除放射性碘的機(jī)理主要是化學(xué)吸附［10］，但物理吸附［11］也有一定的作用，浸漬劑含量的增加，其物理吸附作用會(huì)有所降低。因此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求在核設(shè)施空氣和氣體凈化處理系統(tǒng)的碘吸附器的浸漬活性炭中浸漬劑的含量不應(yīng)超過活性炭重量的5%［12，13］。

2　三乙撐二胺從活性炭上的解吸

浸漬劑三乙撐二胺具有揮發(fā)性，室溫下能升華成氣體，其從活性炭上的解吸可導(dǎo)致活性炭吸附去除放射性碘的效率有所降低。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，對(duì)三乙撐二胺浸漬劑含量為2%的1種活性炭和5%的3種活性炭（商用活性炭目數(shù)為8目～16目）進(jìn)行了解吸實(shí)驗(yàn)［14］。實(shí)驗(yàn)示意圖如下。

圖2　三乙撐二胺從浸漬活性炭上解吸Fig.2 Desorption of TEDA from impregnated activated carbon

在內(nèi)徑為9.5 mm的不銹鋼管中分別裝填炭層厚度為1.4 cm～5.6 cm的基炭和浸漬活性炭形成實(shí)驗(yàn)床，氣流在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)床前，先經(jīng)過凈化炭床進(jìn)行處理，流量范圍為100L·min-1～400 L·min-1，此時(shí)，對(duì)應(yīng)氣流線速度為2.3 cm·s-1～9.4 cm·s-1，炭層接觸時(shí)間為0.3 s～1.2 s。調(diào)節(jié)溫濕度滿足不同的測(cè)試條件要求后，首先測(cè)試通過基炭床的氣流，待檢測(cè)儀基線平穩(wěn)時(shí)，切換至浸漬炭床，檢測(cè)儀檢測(cè)到三乙撐二胺成分，直至檢測(cè)儀顯示值穩(wěn)定，用此顯示值作為測(cè)定的解吸結(jié)果。

2.1不同活性炭上三乙撐二胺的解吸速率

在溫度為90℃、氣流線速度為4.7 cm·s-1條件下，浸漬劑三乙撐二胺含量為2%的活性炭，其解吸速率為1.2 μg·g-1·min-1；浸漬劑含量為5%的3種活性炭的三乙撐二胺解吸速率范圍為0.9 μg·g-1·min-1～9 μg·g-1·min-1，浸漬劑含量同為5%的3種活性炭，三乙撐二胺解吸速率的差異，由于浸漬方法、基炭性質(zhì)如活性、比表面積、孔洞結(jié)構(gòu)等方面的差別所致。

2.2溫度對(duì)解吸速率的影響

氣流線速度為4.7cm·s-1條件下，3種活性炭解吸速率的對(duì)數(shù)與解吸溫度的倒數(shù)成線性關(guān)系，其回歸線的斜率相近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度每升高5℃，三乙撐二胺的解吸速率增加約一倍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推室溫（25℃）情況下，對(duì)于浸漬劑含量為2%的活性炭，三乙撐二胺解吸速率為0.002 μg·g-1·min-1，其他3種浸漬劑含量為5%的活性炭，三乙撐二胺解吸速率范圍為0.009μg·g-1·min-1～0.008μg·g-1·min-1。

2.3氣流速率對(duì)解吸速率的影響

在溫度分別為70℃和90℃情況下，對(duì)一種浸漬劑含量5%的活性炭進(jìn)行的解吸試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)解吸氣流的線速度范圍為2.35 cm·s-1～9.40 cm·s-1時(shí)，解吸速率正比于氣流速率，且影響明顯。

2.4濕度對(duì)解吸速率的影響

在解吸溫度為70℃、90℃和110℃測(cè)定的，對(duì)應(yīng)于25℃時(shí)4%、54%和99%相對(duì)濕度條件三乙撐二胺解吸速率試驗(yàn)結(jié)果表明：濕度對(duì)其解吸影響不明顯。

2.5炭床厚度對(duì)解吸效率的影響

對(duì)裝填炭層厚度為1.4 cm～5.6 cm的實(shí)驗(yàn)床，在氣流線速度為4.7 cm·s-1，解吸溫度分別為70℃、90℃、110℃的條件下，隨炭層厚度的增加，后面的活性炭吸附解吸下來的三乙撐二胺，致其解吸速率有所降低。

典型的Ⅱ型碘吸附器（炭層厚度2英寸、額定風(fēng)量567 m3·h-1、滯留時(shí)間0.25 s、裝填浸漬劑三乙撐二胺含量為5%的活性炭約22.7 kg），在常壓、運(yùn)行風(fēng)量564 m3·h-1、不同溫度下其解吸速率結(jié)果如下。

表1　三乙撐二胺從Ⅱ型碘吸附器中的解吸速率Table 1 TEDA desorption rate from typeⅡadsorber

室溫條件下，碘吸附器的除碘性能隨使用時(shí)間的下降程度可以據(jù)上表進(jìn)行推測(cè)，當(dāng)然，其他因素諸如氣流中有機(jī)物的影響需另外考慮。

3　三乙撐二胺在活性炭干燥過程中的損失

在浸漬活性炭干燥過程中，伴隨著一定量三乙撐二胺揮發(fā)損失，會(huì)影響浸漬活性炭的效率，為考察干燥過程中三乙撐二胺的揮發(fā)情況，我院用氣相色譜分析了不同干燥方法，冷凝液中三乙撐二胺（色譜圖中以TEDA表示）含量［15］。常壓、真空干燥情況下浸漬冷凝液氣相色譜圖如圖3、圖4所示，其冷凝液分析結(jié)果見表2。

圖3　常壓干燥冷凝液氣相色譜圖Fig. 3 Gas chromatography of condensation with ambient pressure

圖4　真空干燥冷凝液氣相色譜圖Fig.4 Gas chromatography of condensate with drying in vacuum condition

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常壓與真空干燥過程均伴有三乙撐二胺的揮發(fā)，且揮發(fā)量與加熱溫度、真空度以及氣流量有一定的關(guān)系?？傮w而言，真空干燥浸漬活性炭的過程中，浸漬劑的揮發(fā)損失量小，應(yīng)用該方法干燥的浸漬活性炭，吸附去除放射性碘的效率更有保證。

4　三乙撐二胺的替代研究

正常運(yùn)行條件下，核設(shè)施排放的放射性碘量并不多，但在事故情況下，短時(shí)間內(nèi)排放需處理的碘量要大很多，因此核設(shè)施的碘吸附器大部分是為事故工況設(shè)計(jì)的。下表3為正常與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況條件下，碘吸附器預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。

表2　不同干燥條件下三乙撐二胺揮發(fā)濃度Table 2 Volatilization concentration of TEDA in different drying conditions

結(jié)合表3的參考設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與表1的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：在正常運(yùn)行工況下，為了降低通過碘吸附器的氣流濕度而采用電加熱器進(jìn)行加熱時(shí)，在較高的氣流溫度下，三乙撐二胺浸漬劑的解吸速率將增大到接近5%的月?lián)p率；如果連續(xù)運(yùn)行，在較短時(shí)間內(nèi)碘吸附器就有可能失效。各核設(shè)施特別是核電廠都希望延長(zhǎng)停堆換料大修的間隔，對(duì)于必須在停堆換料大修期間進(jìn)行碘吸附器性能試驗(yàn)或更換碘吸附器的系統(tǒng)，此時(shí)，則碘吸附器運(yùn)行條件較為惡劣，系統(tǒng)氣流溫度較高，處理放射性氣體量也大，且需要連續(xù)運(yùn)行。

對(duì)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故情況下，溫度更高，接近120℃，此時(shí)三乙撐二胺的解吸速率更大，接近于高溫分解溫度，在短時(shí)間內(nèi)活性炭上的三乙撐二胺浸漬劑有可能完全解吸或分解，從而導(dǎo)致碘吸附器失效。因此，三乙撐二胺浸漬的活性炭在高溫條件下去除放射性碘的效率會(huì)因其損失而明顯下降。

關(guān)于高溫情況下氣流中放射性碘的去除，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［16，17］可采用高閃點(diǎn)、低揮發(fā)性的六亞甲基四胺（HMTA）與其他試劑混合浸漬活性炭，以提高其吸附去除放射性碘的效率，而其浸漬后的活性炭著火點(diǎn)亦有所提高。四川綿陽(yáng)表面物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在此方面也開展了研究［18］，但他們應(yīng)用非放射性CH3127I進(jìn)行了試驗(yàn)，且并沒有完全遵循美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)D3803標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果雖然有指導(dǎo)意義，但仍需做進(jìn)一步的研究，如最佳去除放射性碘效率時(shí)，對(duì)不同種類的活性炭，浸漬劑HMTA與其他試劑的最佳配比；由其浸漬的活性炭較TEDA浸漬的活性炭著火點(diǎn)的提高程度；模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況溫濕度、壓力參數(shù)，其浸漬的活性炭與TEDA浸漬的活性炭保證除碘效率的時(shí)效差別等。

5　結(jié)語(yǔ)

浸漬劑三乙撐二胺可以有效提高活性炭吸附去除放射性碘的效率，但其含量太高時(shí)，由于其高揮發(fā)性、低著火點(diǎn)，導(dǎo)致浸漬后的活性炭著火點(diǎn)有不同程度的降低；浸漬劑三乙撐二胺在一定條件下會(huì)解吸、分解而影響浸漬活性炭的除碘性能，在溫度為主要影響因素的情況下，可根據(jù)其在活性炭的解吸、分解性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)估浸漬活性炭的使用壽命；對(duì)于三乙撐二胺浸漬的活性炭，采用真空、低溫干燥，其在活性炭上揮發(fā)損失較小，因而更有利于保證浸漬后活性炭的除碘效率，當(dāng)然也應(yīng)考慮其干燥效率，從而選用合理的干燥方式。

由于在高溫條件下應(yīng)用三乙撐二胺會(huì)受到一定的限制，而六亞甲基四胺由于具有高閃點(diǎn)和低揮發(fā)性，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故預(yù)計(jì)的高溫條件下存在應(yīng)用的前景，建議進(jìn)行更深入的研究。

當(dāng)前，我國(guó)核能發(fā)展迅速，浸漬活性炭吸附去除氣載放射性碘的技術(shù)還需要深入研究。

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Discussions on Impregnants Used for Improving
the Adsorbing-radioiodine Efficiency of Activated Carbon

Zhang Jirong，Li Yongguo，Han Lihong，Wu Bo，Zhang Qun，Liang Fei，Qiao Taifei，Zhang Zhaochen
（China Institutefor Radiation Protection，Taiyuan030006，China）

Abstract:It is popular for the impregnated carbon to be used to adsorb the radioiodine. TEDA and KI are usually used as impregnants to improving the adsorbing-radioiodine efficiency of activated carbon. It maybe results in reducing the ignition temperature of impregnated activated carbon with TEDA. The efficiency of activated carbon maybe degrades for trapping the radioiodine due to the desorption and decomposion of TEDA. It is optimal to dry the impregnated activated carbon in vacuum condition. It is recommended that TEDA reagent replacement research should be started.

Key words:gaseous effluents；radioactive iodine；activated carbon；impregnant；ignition temperature；desorption

中圖分類號(hào)：TL941+.2

文章標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5360（2016）01-0071-50

收稿日期：2015-08-03修回日期：2015-12-13

作者簡(jiǎn)介：張計(jì)榮（1975—），男，高分子材料與工程專業(yè)，助理研究員，現(xiàn)主要從事核空氣凈化技術(shù)工作