V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Аэросорбция. Концентрирование и удаление вредных загрязняющих веществ из воздуха методом объёмного насыщения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лебеденко  Д.С. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «СОШ №38», г. Озёрск

Истомин  И.А. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «СОШ №38», г. Озёрск

Работа в формате PDF

469.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Одной из основных задач, которые приходится решать в ходе регенерации ОЯТ, является проблема создания высокоэффективной системы газоочистки. Возможность загрязнения окружающей среды по линиям газовых выбросов как при нормально работающих предприятиях, так и в аварийных ситуациях наибольшая. Поэтому задачей специалистов является создание простых, надежных и экономичных способов локализации и последующей изоляции газообразных ВХВ, выделяющихся при переработке ОЯТ [1].

1. Литературный обзор.

Аэрозолями или аэродисперсными системами называются некие дисперсные системы, состоящие из газообразной среды – как оболочки и твёрдой или жидкой начинки этой оболочки.

При этом различают дисперсные и конденсационные аэрозоли. Дисперсионные аэрозоли, как следует из их названия, образуются при диспергировании, механическом измельчении, распылении твёрдых и жидких тел, например посредством барботажа, сотрясений и т.п. способами.

Напротив, механизм образования конденсационных аэрозолей более сложен и заключается в конденсации пересыщенных паров в результате перехода газообразной или порошкообразной фазы какого-либо вещества в твёрдую или жидкую.

Основное различие между дисперсными и конденсационными аэрозолями весьма условно и заключается в различной дисперсности или можно сказать в размере частиц участвующих в образовании аэрозолей. Так, дисперсные аэрозоли состоят из частиц более 5 мкм, а диаметр конденсационных частиц составляет менее 1-2 мкм.

Далее аэрозоли условно подразделяют на грубодисперсные и высокодисперсные. К грубодисперсным относятся аэрозоли с размером частиц более одного микрона. Высокодисперсные аэрозоли содержат частицы размером менее одного микрона, вплоть до самых мельчайших, состоящих из нескольких молекул.

Концентрацию аэрозолей характеризуют либо числом частиц в одном кубическом сантиметре воздуха (т.н. счётная концентрация), указывая при этом средний размер частиц, либо весом всех частиц, содержащихся в объёме воздуха (т.н. весовая концентрация). Для примера, счётная концентрация частиц в выхлопных газах автомобиля достигает ста миллионов частиц в кубическом сантиметре воздуха со средним размером частиц около 0,3 мкм. Это конденсационный высокодисперсный аэрозоль.

Весовая концентрация аэрозолей в нормальном атмосферном воздухе городов достигает от 0,3 до 1 мг/м³. Природа образования и дальнейшая жизнь аэрозолей весьма сложные процессы. На чём же они основываются?

Как известно, движение тел в вязкой среде описывается законом Стокса:

F=σ π μ r U,

где F - сила сопротивления,

μ - коэффициент вязкости среды,

r - радиус частицы,

U - её скорость.

Для мельчайших аэрозольных частиц воздух – это вязкая среда. Не секрет, что на аэрозольную частицу с радиусом R и плотностью g действует сила тяжести. За некоторое время, а это буквально доли секунды, частица приобретает такую скорость, при которой сила сопротивления по закону Стокса становится равной весу частицы. С этого момента частица будет падать с неизменной скоростью. Вычисленная по закону Стокса скорость падения аэрозоля воды радиусом один микрон составляет 0,01 см/сек. Эта скорость очень мала по сравнению со скоростью движения воздуха в свободной атмосфере или в искусственно созданном потоке. Именно поэтому аэрозольные частицы, прежде чем упадут на твёрдую поверхность могут переносится на большие расстояния. Скорость падения более мелких частиц еще меньше.

Помимо этого, аэрозольные частицы участвуют в броуновском движении – беспорядочном, случайном смещении под действием ударов молекул газа. Направление смещения вследствие броуновского движения совершенно случайно – частица может сместиться в любую сторону, в том числе и вверх, против силы тяжести.

В таблице 1 приведена зависимость работы этих двух законов от размера частиц аэрозолей. Как видно, чем меньше частица, тем ярче выражается броуновское смещение и снижается скорость свободного падения.

Таблица 1 - Движение частиц в зависимости от их размера

Перейдём к рассмотрению объёма газо-аэрозольной смеси воздуха и жидкости, а также мельчайших твёрдых частиц, оказавшихся под влиянием радиоактивных изотопов. Радиоактивные вещества в процессе образования аэрозоля составляют в большинстве случаев небольшую долю всей массы выбрасываемого воздуха, но вследствие высокой токсичности они представляют главную опасность. Допустимые концентрации радиоактивных веществ в воздухе в тысячи и миллионы раз меньше, чем для самых токсичных нерадиоактивных веществ. Способность мельчайших частиц аэрозоля с растворёнными в них радиоактивными веществами беспрепятственно распространятся потоками воздуха составляет главную опасность и основную задачу, решаемую при создании любого производства, связанного с использованием радиоактивных изотопов.

На примере радиохимического завода производственного объединения «Маяк» рассмотрим основные источники поступления радиоактивных аэрозолей за пределы технологического оборудования, а также выведем для себя основные принципы построения схемы надёжной системы газоочистки с использованием современных подходов к поставленной задаче.

Наука о радиоактивных аэрозолях начала развиваться лишь после 1944 года, когда были пущены в действие первые ядерные реакторы. В дальнейшем было выяснено, что при взрывах атомных зарядов образуется огромное количество радиоактивных аэрозолей, что существует возможность использования радиоактивных аэрозолей в военных целях. Но сейчас мы будем говорить исключительно о мирном атоме, а именно об облучённом ядерном топливе энергетических реакторов.

Интенсивное развитие ядерной энергетики подвигает на передний план завершающую стадию ядерного топливного цикла - регенерацию отработанного ядерного топлива энергетических установок и решение вопросов обращения с радиоактивными отходами, в том числе и газообразными. Под этим типом отходов принято понимать, как газообразные, так и аэрозольные, т.е. те отходы, что переносятся по технологическому циклу с воздушными потоками и могут попасть в окружающую среду.

Понятно, что исключить полностью поступление какой либо части радионуклидов в атмосферу не возможно. Поэтому основной задачей при обращении с такой формой отходов является устранение попадания радиоактивных изотопов в окружающую среду в количествах, превышающих предельно допустимые значения.

Задачей специалистов является создание простых, надежных и экономичных способов локализации и последующей изоляции газообразных и летучих радионуклидов, выделяющихся при переработке ОЯТ.

Поступление газо-аэрозольной смеси воздуха, загрязнённой радиоактивными веществами начинается, как только нарушается целостность сборки и в дальнейшем на операциях измельчения и растворения концентрация радионуклидов в технологическом потоке увеличивается вплоть до завершения первой или основной стадии растворения.

Весь процесс разделён на операции и практически каждая операция переработки топлива снабжается собственной системой газоочистки. Здесь мы впервые подходим к понятию система газоочистки. Система газоочистки представляет систематизированное сочетание газоочистных аппаратов в единую цепочку, где каждый аппарат выполняет свою, строго определённую исходным технологическим процессом роль.

В дальнейшем всё, что мы будем разбирать, напрямую связано с этим определением. Системы газоочистки могут быть технологическими, вентиляционными, барботажными, компрессорными и вакуумными. В соответствии с названиями они обслуживают технологические процессы, например растворение топлива, вентиляционные системы, например вентиляцию камер и емкостного оборудования, барботажно-компрессорные вакуумные сдувки из различного оборудования.

Для чего эти системы разделены.

Во-первых, из-за необходимости обеспечения безопасности. При выходе из нормального режима одной системы, справится другуя;

Во-вторых, разные концентрации аэрозолей и газов;

В-третьих, разные расходы газо-аэрозольных потоков;

В-четвёртых, физико-химические свойства потоков и их состав различы.

Можно ещё много привести причин, но все они будут сводиться к этим четырём либо выводиться из их производных.

Системы очистки условно можно разделить на системы очистки газо-аэрозольной смеси и системы только или в большей степени газоочистки. Поскольку даже специальная очистка от газовой составляющей потока работает и на улавливание высодисперсной аэрозольной фазы, проскочившей предварительную очистку. Здесь мы встречаемся с понятием – предварительная очистка, которая является подготовкой газо-аэрозольной смеси к специальной или тонкой очистке.

Перейдём к определению основных методов улавливания аэрозолей, подразумевая главной составляющей потока – аэрозольную фазу или дисперсную систему, состоящую из макрооболочки – транспортного воздуха и частиц влаги с растворёнными в ней радионуклидами и мельчайшими твёрдыми загрязнёнными частицами.

Конденсационно-осадительные методы очистки, основанные на укрупнении частиц аэрозоля путём конденсации паров воды и кислоты при добавлении в газовый поток пара или охлаждения межтрубного пространства. Эти методы осуществляются с помощью газоочистных аппаратов – сотаров, скруббера Вентури, конденсаторов и теплообменников. Самый простой аппарат-теплообменник, использующийся в радиохимическом производстве – это дефлегматор (рисунок 1).

Рисунок 1 – Дефлегматор

Второй аппарат аэрозольной очистки, играющий существенную роль в обеспечении эффективной работы всей системы – СОТАР (суперосадитель тонких (или лёгких) аэрозолей).

Сотар (Рисунок 2) состоит из трёх основных узлов.

Рисунок 2 – СОТАР

Камеры смешения, конденсаторной и сепараторной частей. В камере смешения происходит смешение подаваемых на очистку аэрозолей с паром. В объёме парогазовой смеси создаётся пересыщение и начинается укрупнение аэрозолей за счёт конденсации на них паров воды.

Методы механической или сухой газоочистки, представителями которой являются пылеосадительные камеры, жалюзийные пылеуловители и различные циклоны, как и методы мокрой газоочистки на основе пенных газопромывателей и циклонов с водяной пеной мы разбирать не будем, т.к. на радиохимическом производстве их применение незначительно. Перейдём сразу к фильтрации аэрозольной фазы через пористые перегородки.

Частицы диаметром менее одного микрона в сотаре улавливаются весьма незначительно. Поэтому они практически в полном составе попадают на третью ступень аэрозольной очистки стекловолокнистый фильтр.

На ФГУП ПО «Маяк» нашли применение различные типы фильтров. В зависимости от места установки фильтры подразделяются на технологические и вентиляционные. Технологические фильтры изготавливаются из химически стойкого материала, а вентиляционные - из материала с высокими фильтрующими характеристиками. На примере одного из технологических узлов радиохимического завода рассмотрим принцип комплектования аэрозольной очистки стекловолокнистыми фильтрами.

Третья ступень очистки – фильтр ФСГО (фильтр самоочищающийся грубой очистки), снаряжённый матами из стекловолокна (Рисунок 3). Здесь необходимо уточнить, что же представляет собой стекловолокнистые маты.

Рисунок 3 – фильтр ФСГО

Маты из ультратонкого, микротонкого и грубого волокна представляют собой слои хаотически расположенных штапельных стеклянных волокон, скрепленных между собой силами естественного сцепления.

На четвёртой и пятой ступенях аэрозольной очистки устанавливаются фильтры тонкой и санитарной очистки. Ярким представителем таких типов фильтров является фильтр ФАС (фильтр аэрозольный самоочищающийся. Рисунок 4).

Рисунок 4 – фильтр ФАС

Основным отличием фильтра ФАС от фильтра ФСГО является принудительный отвод уловленной жидкости из фильтрующего слоя. И сам фильтрующий слой, который оснащается матами из ультратонкого стекловолокна. Эффективность очистки фильтра ФАС существенно выше его предшественника по ступеням очистки и составляет 99, 95 %.

В процессе растворения облучённого топлива образуется большое количество газов и парогазовой фазы некоторых радиоактивных элементов, чьё улавливание всеми ступенями аэрозольной очистки абсолютно бесполезное занятие. Молекулы газа не растворившись в жидкой оболочке аэрозоля напрямую, не задерживаясь попали бы в коллектор трубы и далее в атмосферу, если бы на их пути, во всяком случае тех, что наиболее опасные не установили аппараты для очистки от газовой составляющей потока. А именно, адсорбционную и абсорбционную колонны.

На рисунке 5 приведена схема первой адсорбционной колонны для улавливания радионуклида йод-129. Период его полураспада составляет более 15 миллионов лет.

Рисунок 5 – Адсорбционная колонна для улавливания йода-129

В настоящее время общепринятой концепцией обращения с йодом-129 является его максимальное удаление из технологических продуктов в газовую фазу в голове процесса, извлечение из газового потока с последующей надежной изоляцией от биосферы.

2. Экспериментальная часть.

В предлагаемой работе рассмотрен новый способ концентрирования и удаления вредных загрязняющих веществ из воздуха методом объёмного насыщения. В центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) разработано и изготовлено устройство, позволяющее отработать в лабораторных условиях предлагаемый способ, а также определить его оптимальные условия.

Устройство представляет собой замкнутую камеру с возможностью подачи в неё загрязняющего вещества и аэросорбента. Схема устройства приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Устройство для концентрирования и удаления вредных загрязняющих веществ из воздуха методом объёмного насыщения.

Анализ начального загрязнения, а также результатов сорбции проводили при помощи индикаторных трубок [5-7]. Индикаторная трубка представляет собой герметичную стеклянную (в редких случаях полимерную) трубку, заполненную твердым носителем (сорбентом), обработанным активным реагентом. Положение наполнителя (индикаторного порошка) в трубке фиксируется воздухопроницаемыми прокладками. Трубки герметизируют запаиванием. Известно большое число конструкций индикаторных трубок: трубки, весь заполняющий слой в которых является индикаторным; с разрушаемыми ампулами; комбинированные трубки, содержащие несколько реакционных слоев, помещенных в отдельные трубки, которые соединены эластичными пластмассовыми трубками; трубки с продольными секциями и другие конструкции. Габаритные размеры индикаторных трубок лежат в пределах: длина 80–160 мм, диаметр 4,0−6,5 мм

Метод анализа индикаторными трубками, в общем случае, заключается в пропускании пробы воздуха или другой газовой среды через индикаторную трубку с помощью воздухозаборного устройства. При этом происходит окрашивание индикаторного порошка вследствие реакции, возникающей между исследуемым компонентом воздуха или другой газовой среды и реактивом, осажденным на носителе. Процессы, протекающие в индикаторной трубке при пропускании пробы анализируемого воздуха или другой газовой среды, также как и в классической колоночной хроматографии, протекают на разделе фаз. При этом разделяемые компоненты содержатся в газовой фазе. Неподвижная твердая фаза состоит из зерен адсорбента, которые заполняют колонку (трубку). Но в отличие от обычной колоночной хроматографии, где компоненты смеси адсорбируются в верхней части колонки, не разделяясь или разделяясь лишь частично, образуют первичную хроматограмму, которую затем «проявляют» многократным промыванием элюентом, в индикаторной трубке «проявление» происходит в результате колористической реакции уже на первом этапе хроматографирования [8,9].

Рисунок 7 – Внешний вид устройства для анализа загрязнённости воздуха с помощью индикаторных трубок.

Устройство (рисунок 6) через вход загрязняющего вещества заполняли поочерёдно парами азотной кислоты, оксидами азота, парами йода. После заполнения камеры концентрацию загрязняющего компонента определяли с помощью индикаторной трубки и показания заносили в журнал. Далее через вход для аэросорбента в камеру подавали тонкий (мелкодисперсный) аэрозоль, селективный к данному вредному веществу, а именно:

пары щелочного раствора для улавливания паров азотной кислоты;

пары воды для улавливания оксидов азота

пары щелочного раствора и пары раствора азотнокислого серебра для улавливания газообразного йода. После заполнения камеры аэросорбентом и выдержки системы в течение 10 мин (время седиментации) аэрозоля, проводим повторный анализ воздуха в камере индикаторной трубкой. Показания записываем в журнал.После дезактивации камеры операции повторяем.Результаты экспериментов приведены в таблицах 2-5.

Таблица 2 – Аэросорбция паров азотной кислоты.

Таблица 3 – Аэросорбция оксидов азота.

Таблица 4 – Аэросорбция паров йода щелочным раствором.

Таблица 5 – Аэросорбция паров йода раствором азотнокислого серебра.

В результате исследований показано, что эффективность аэросорбции по изучаемым загрязнениям не ниже 99 %, что хорошо согласуется с требованиями основных систем газоочистки. При этом некоторое снижение эффективности аэросорбции паров йода раствором азотнокислого серебра объясняется низкой эффективностью протекания химической реакции между йодом и серебром, однако эффективность аэросорбции не ниже 99 % и в этом случае.

В результате исследований показано, что загрязняющее вещество возможно с высокой эффективностью локализовать методом объёмного насыщения.

Используемая литература.

1. Справочник химика. «Химия и химические технологии», с. 19-21.

2. Х. Грин, В. Лейн. Аэрозоли-пыли, дымы и туманы. Изд-во «Химия», 1969.

3. Г.С. Фомина, О.Н. Фомина. Воздух. Контроль загрязнения по международным стандартам. Справочник. 2-е изд. перераб. и доп. – М.; Протектор, 2002. – 432 с.

4. Техника и технология защиты воздушной среды: Учебное пособие для вузов/В.В. Юшин, В.М. Попов, П.П. Кукин и др. – М.: Высш. шк. 2005.

5. Колесник М.И., Жуков В.И., Буковский М.И. Методы определения вредных веществ в воздухе индикаторными трубками. Обзорн. информ. Сер. Техника безопасности. – М.: НИИТЭХИМ, 1983.

6. Лейте В. Определение загрязнений воздуха в атмосфере и на рабочем месте. – Л.: Химия, 1980.

7. Методические указания Минздрава № 06-14/33-14 от 02.09.88 г., Приказ Министерства здравоохранения РФ от 12 августа 2003 г. N 399.

8. Модифицированные кремнеземы в сорбции, катализе и хроматографии / Под ред. д.х.н. Лисичкина Г.В. – М.: «Химия», 1986.

9. Моросанова Е.И. Нековалентно иммобилизованные на кремнеземах аналитические реагенты для концентрирования, разделения и определения неорганических и органических соединений. Автореферат дисс. на соиск. уч. степени д. х. н. – М., 2001.

16