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在熔盐堆的正常运行期间,裂变反应会产生放射性气体氪和氙,放射性氪和氙不能直接排放到大气中,需要进行一定的处理以降低放射性。近年来,活性炭吸附放射性氪和氙被越来越广泛应用于核电项目的尾气处理中。活性炭对放射性氪和氙的吸附宗旨是让载气中的放射性氪和氙在活性炭床里滞留一段时间,以达到使放射性氪和氙自然衰变到可排放水平的目的。氪和氙在活性炭上的动态吸附系数是描述活性炭对氪和氙吸附滞留能力大小的一个非常重要的物理量,动态吸附系数越大,活性炭对氪和氙的吸附滞留能力越好。
活性炭对氪和氙的动态吸附系数与其孔结构关系甚大,而相关研究却很少,因此有必要研究二者的关系,为活性炭的选择与开发提供参考。活性炭对氪和氙的动态吸附系数还受系统条件的影响,如温度、压强等,但是目前对于一定目数的活性炭,在以氦气为载气下氪和氙的动态吸附系数与系统条件的关系的系统研究很稀少,因此有必要开展这方面的研究,以便发现某些规律性的东西,也为2MW液态熔盐实验堆放射性氪和氙的活性炭吸附床提供参数和理论依据。
本研究通过动态吸附平台测定温度为25℃、表压为0时的四种活性炭(JH12-16、ZZ12-16、XHMZ12-16、XH12-16)对氙的动态吸附系数,并利用氮气吸附以及扫描电镜对活性炭进行分析表征。接着对挑选出的吸附性能最优的活性炭开展了变温度、变压强、变流量、变气体浓度的实验研究。
实验表明,比表面积为991.9m2/g的JH12-16活性炭对氙的动态吸附数最大,且活性炭对氙的动态吸附系数不和比表面积或孔容积成正比关系。中孔和大孔对吸附氙只是起着通道作用,最佳吸附氙的孔径在0.55-0.60nm。
对系统条件的研究表明,温度的降低、压强的减小、氪和氙浓度的减小会使活性炭对氪和氙的动态吸附系数减小;经拟合发现氪和氙的动态吸附系数的自然对数与温度、温度的倒数有良好的线性关系,氪和氙的动态吸附系数与绝对压强、绝对压强的自然对数、浓度有很好的线性关系。而在一定的流量范围内(30-150ml/min),氪和氙的动态吸附系数几乎不变。
对于每天氙产量为5.15×10-3mol的2MW液态熔盐实验堆,在表压为0、温度为25℃氦载气流量为2L/min、吸附效率为99.9％时,所需要的JH12-16活性炭量为52.6kg。