气体组成对活性炭吸附放射性气体影响研究

李永国，吕阳，吴波，刘群，韩丽红，李世军，梁飞，高琳锋，侯建荣，丘丹圭

(1.中国辐射防护研究院，山西 太原 030006;2.广西防城港核电有限公司， 广西 防城港 538003)

核设施放射性气体组成中，放射性贡献较大的包括氪氙的放射性同位素、放射性碘和气溶胶等[1-3]。为降低气体放射性对环境和人员的伤害，通常采用滞留技术、纤维过滤器以及活性炭吸附分别对氪氙、气溶胶和碘进行净化处理[4-6]。吸附放射性碘用活性炭一般采用化学浸渍方法进行处理[7]，活性炭碘吸附器一般有折叠式、抽屉式以及深床式结构类型。放射性氪氙滞留衰变通常采用罐体压缩贮存衰变与固体吸附滞留衰变技术，比如常温活性炭滞留床技术与低温活性炭滞留技术[8]。对于固体吸附滞留所用吸附剂，活性炭多孔材料因具有高比表面积、发达孔道与价格低廉而同样备受关注[9-10]。活性炭吸附剂装填、使用过程中难以避免接触到气体成分中的水、二氧化碳等。为验证相关气体成分对其物理吸附性能的影响，保证活性炭滞留单元的有效性，有必要通过实验考察对氪氙吸附性能，而吸附放射性碘用活性炭，主要考虑在运用过程气流湿度的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

放射性碘吸附活性炭为浸渍改性椰壳活性炭，氪氙吸附所用炭为未浸渍椰壳活性炭;氮气稀释的放射性85Kr、133Xe、131I示踪气体。

LZB-4型流量计;HSTL-800A压力测量变送器，HSTL-103E型温度测量变送器;NAM-1型放射性惰性气体测量仪;伽马谱仪;3H-2000PS2型吸附仪。

1.2 吸附性能评价

1.2.1 活性炭滞留放射性惰性气体实验 将一定的量的活性炭装填至不锈钢炭床内，稳定流量的氮气或者空气进入系统，依次通过气体加湿器与实验床，当气流温湿度、压力等参数稳定后，使用脉冲注入放射性示踪剂法将示踪剂注入系统。下游放射性氪氙浓度变化通过惰性气体测量仪测定，实验结束后通过浓度变化曲线计算滞留时间，进一步得到活性炭在特定条件下的动态吸附系数Kd。

式中Kd——动态吸附系数，mL/g；

F——气体流量，mL/min；

M——活性炭质量，g；

t——平均滞留时间，min。

图1 活性炭性能实验系统流程图

1.2.2 活性炭浸渍后吸附放射性碘实验 示踪剂采用放射性CHI3气体，在活性炭炭床上下游进行取样，通过伽马谱仪测试去放射性活度，最后进行效率的计算。

式中P——吸附效率，%；

A——上游取样活度，Bq；

A1——下游取样活度，Bq。

表1 活性炭性能实验参数条件

2 结果与讨论

2.1 活性炭SEM与吸附特性分析

对活性炭样品进行表面形貌分析与氮气吸附性能实验，结果见图2、图3。

图2 活性炭样品孔结构SEM图

图3 活性炭样品BET吸附脱附等温线

由图2可知，表面形貌呈现大孔和微孔并存现象。

由图3可知，活性炭吸附过程呈现具有Ⅰ型吸附等温线典型的平台，突显出微孔的吸附特征。吸附过程在很低的相对压力和短的时间内完成，其主要原因为活性炭微孔的有效半径较小，微孔内部相对孔壁吸附力场的叠加引起微孔内吸附势显著增加。同时在接近饱和气压时，吸附量有所增长，进一步说明活性炭含有大量的大孔。

2.2 不同成分沸点

活性炭用于吸附放射性惰性气体，所处阶段主要是贮存环境和使用后运行环境，研究气体成分主要针对水分、二氧化碳和处理废气中Xe。3种影响活性炭吸附性能气体成分沸点见表2。

表2 气流中不同成分沸点

惰性气体在活性炭上的吸附是一种物理吸附过程，所以吸附质受高沸点物质影响大。由表2可知，水分、二氧化碳、Xe、Kr以及CHI3，对于活性炭物理吸附逐渐由易到难。

2.3 气流相对湿度对活性炭吸附放射性气体影响

活性炭在贮存、装填或者使用过程中，不同环境气流含水量不同，气流相对湿度较高的，活性炭首先会吸附水蒸气,从而使它对惰性气体的吸附性能下降。为更好判断气流相对湿度对活性炭滞留性能的影响，利用一定相对湿度的气流对活性炭进行平衡预湿，当上下游气流相对湿度等同后，测量活性炭含水量以及进行放射性气体Kr和CHI3性能实验，结果见表3和图4。

表3 不同气流相对湿度条件下活性炭含水量与吸附性能

图4 气流相对湿度对放射性碘吸附效率影响

由表3和图4可知，气流相对湿度越高，活性炭吸附气体性能越差。对于吸附惰性气体Kr，由表2可知，水的沸点远高于Kr，物理吸附竞争性也远强于Kr，所以水分对活性炭吸附放射性惰性气体的影响大。而对于放射碘的吸附，水分子的增加，必然导致活性炭孔道的被占，影响甲基碘吸附过程的扩散传质，导致吸附效率降低。市场不同活性炭样品含水量一般大于5%。为保证活性炭滞留惰性气体性能，在使用之前需要对市售活性炭进行处理。

2.4 CO2对活性炭滞留85Kr性能的影响

活性炭装填使用过程中，难以避免不接触环境中的空气，为考察空气对活性炭滞留性能的影响，采用空气作为载气，分析活性炭对放射性Kr动态吸附系数，同时采用氮气作为载气进行对比,结果表明，相同条件下，动态吸附系数分别为61.5，61.7,说明正常环境中CO2浓度条件下，活性炭对其惰性气体吸附性能影响较小。

常温活性炭滞留床由于衰变热引起着火可能性很小，但是不排除外部管路着火后蔓延到滞留床内部。导致着火产生的二氧化碳被滞留床内活性炭吸附，影响炭床对放射性惰性气体的滞留。实验模拟不同体积浓度二氧化碳被活性炭吸附平衡后，分析对惰性气体Kr-85吸附系数的影响，结果见图5。为进一步实验分析活性炭滞留性能恢复性能，在常温常压条件下，使用氮气对吸附二氧化碳后活性炭进行解吸，解吸时间与滞留性能恢复影响结果见图6。

图5 二氧化碳吸附对动态吸附系数的影响

图6 动态吸附系数随二氧化碳解吸实验结果

由图6可知，经过一定时间解吸后，动态吸附系数可恢复至原来的98%以上。

2.5 稳定性Xe浓度对吸附133Xe影响

核电站废气中放射性惰性气体体积浓度很小，Xe-133的体积浓度约为2.5×10-8，稳定性氙浓度是Xe-133的185倍，由此推断，稳定性氙体积浓度约为5×10-6。为考察稳定性同位素浓度对活性炭吸附放射性惰性气体性能的影响，对气流中含不同稳定性氙浓度条件下动态吸附系数进行了实验分析，结果见表4。

表4 Xe浓度对动态吸附系数的影响

由表4可知，虽然改变稳定性氙体积浓度，但动态吸附系数并无明显变化。另从先使用含稳定性氙体积10×10-6的气流连续通过炭床直至100%穿透，再进行放射性氙动态吸附系数测试的结果可知，即使稳定性氙吸附饱和后，对放射性氙动态吸附系数并无变化，也就是说在吸附解吸过程中，吸附带在被一定浓度惰性气体吸附饱和后，其在炭床中的移动速度和新活性炭相同。

3 结论

气氛环境中相对湿度过高，将导致多孔活性炭吸附放射性气体性能降低。二氧化碳浓度达到一定值时，也将影响活性炭吸附氪氙性能，但环境中二氧化碳正常浓度无影响。活性炭投入使用后，气流中氙浓度对其吸附放射性氙无影响。针对环境中水、二氧化碳等成分对其性能影响，建议活性炭在一定时间内进行实验室性能测试，以验证其有效性。