CN114898908A - 一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其使用消气剂分解含氚废气里面的水、碳氢化合物、氨气，并且吸收N₂、O₂、CO₂和CO等气体，从而去除对镁粉造成中毒的潜在因素；在含氚气体气氛下球磨粒径30～100nm的镁系合金粉末，过程中会形成氚化镁合金粉末；在低压、高温的真空环境下脱氚操作，获得能够用于制备荧光氚管的高纯氚气、以及可反复循环利用的镁系合金粉末。本发明能够获得高纯氚气和可反复循环利用的镁系合金粉末，其中，获得的氚气加压到1～2个大气压可用于制备氚管，也可进一步提纯，用于制造核反应堆或其它民用，处理成本低。

Description

一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法

技术领域

本发明涉及含氚废气处理技术，尤其涉及一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法。

背景技术

氚是氢的放射性同位素，又称超重氢，与氢具有非常相似的化学性质，以12.33年的半衰期发生β蜕变，其β粒子的最大能量为18.6keV，平均能量为5.7keV，氚可通过与氢发生同位素交换反应参与到物质分子中，从而参与到自然界的生物循环之中被生物摄取。实际上，氚的来源包括天然产生和人类活动产生，天然产生的氚微少，可忽略不计。

随着现代核技术和新能源技术的不断发展，氚除了在军事上的应用外，在工农业、生物医学、水文地质、科学研究中的应用也会越来越广泛，这些活动均使氚的生产量、操作量和储存量变得越来越大。由于氚具有活泼的化学活性，很强的溶解性、扩散性和渗透性，在氚的操作过程中，很容易进入到周围的环境中，造成氚污染。因此，可以肯定的是，环境中的氚主要来自人类活动，如核电站、核爆炸和核反应堆运行会释放大量的氚到环境中，在自然界生态链中转移，如水生食物链间，因而，氚所产生的毒性亦主要来自于氚的辐射效应，包括确定性效应和随机性效应。

综上可知，由于核电站的核岛里面会有大量的含氚废物的产生，在许多涉及放射性材料应用的场景如手套箱里面也会产生放射性氚气，氚废物存在三种不同的形态：气态、液态和固态，其中，气态氚废物占比最大，人体组织处于被氚污染的空气中时，会吸收氚并使之成为体内新的辐射源，危害健康；同时，由于氚衰变的过程中，β射线对人体有危害，氚释放到环境中也会导致污染环境。

一直以来，被氚污染的空气必须进行净化处理，对于氚污染气氛的净化途径包括催化氧化吸附法、金属合金或无机质子导体吸收法、以及有机不饱和烃吸收法。首先，催化氧化吸附法研究较多，技术最为成熟，是目前氚废气净化的主要手段，各国氚工艺实验室和涉氚设施上应用的氚污染尾气的净化均采用该方法；其次，金属合金消气剂消气过程中，除了吸附气氛中的氚外，还能迅速吸附气氛中的其他杂质气体如水汽、CO、CO₂、SO₂等，致使吸附容量饱和，引起消气剂中毒，故此类消气剂主要用在真空系统中存储氚，或用在惰性气氛中净化氚；此外，有机不饱和烃吸收法由于反应条件会受到高温、高压、催化剂等因素的影响，目前并不适合实际应用。

因此，需要十分谨慎地对含氚废物进行管理。本发明技术方案之研究人员在逐步研发的同时，对以往普遍采用的处理方法进行了实验与分析，经过总结，发现了一些共同的问题：

其一，对于目前主流的含氚废气的处理方法，大部分采用这几种方式，即稀释或储存待衰变到允许的豁免值以下后排放、催化氧化吸附法处理、合金除氚(如Zr-Mn-Fe等合金)处理，采用哪种处理方法主要取决于气体中氚的比活度、气氛的组成及要求的氚的去污因子，但是，以上三种处理方法的出发点都是将氚稀释、转移或消除，而没有将宝贵的氚进行再生利用，造成了大量的资源浪费。

其二，在处理基于镁系金属的含氚废气时，技术人员也可先行采用消气剂，然后再进一步处理，在此过程中，定会形成氚化镁合金粉末，如何既能够回收利用含氚废气里面的氚，又能够回收镁系合金粉末，是亟待解决的技术问题。

其三，以往进行含氚废气处理时，由于产生的有害物质既不会被有效的回收，又没有针对废气做好有害物质排放的防范措施，结果便是含氚废气处理完毕之后，又产生了其它污染或带来可造成进一步污染的隐患。

综上所述，本发明正是在现有含氚废气处理工艺的基础上，考虑可实际回收利用的宗旨，提出一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，在处理过程中发现，通过先去除对镁粉造成中毒的潜在因素，然后再球磨粒径30～100nm的氚化镁合金粉末，最后获得高纯氚气和可反复循环利用的镁系合金粉末。该方法完全是循序渐进地进行逐步优化的，是研发人员将每一个研发阶段所采取的可行方案进行实际验证之后，经历了不同的方法更新阶段，最终才得到趋于最佳优化的技术方案，既可使获得的镁系合金粉末便于长期循环利用，又可以获得高纯氚气，具有很高的社会和经济价值。因此，本发明所提出的技术方案能够缓解、部分解决或解决现有技术存在的问题。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其先去除对镁粉造成中毒的潜在因素，然后再球磨粒径30～100nm的氚化镁合金粉末，最后获得高纯氚气和可反复循环利用的镁系合金粉末，便于解决以往处理方式只能将氚消除，却无法将宝贵的氚资源进行再生利用以及无法实现镁系合金粉末反复循环利用的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其用于在处理含氚废气的基础上，同时获得能够用于制备荧光氚管的高纯氚气、以及可反复循环利用的镁系合金粉末，包括以下步骤：

Ⅰ、使用消气剂分解含氚废气里面的水、碳氢化合物、氨气，并且吸收N₂、O₂、CO₂和CO等气体，形成含氚气体，从而去除对镁粉造成中毒的潜在因素；

Ⅱ、在含氚气体气氛下球磨粒径30～100nm的镁系合金粉末，过程中会形成氚化镁合金粉末；

Ⅲ、在低压、高温的真空环境下进行脱氚操作，获得能够用于制备荧光氚管的高纯氚气、以及可反复循环利用的镁系合金粉末；

Ⅳ、经过以上步骤脱氚操作抽取获得的氚气加压到1～2个大气压，用于制备氚管。

针对以上步骤，技术人员还可根据不同应用需求进行优化，形成不同的技术方案，包括：

其中，脱氚操作抽取获得的氚气进行提纯，用于制造核反应堆或其它民用；

脱氚操作可采用水-氢同位素催化交换技术；

此基于镁系金属的含氚废气的处理方法，可用于针对手套箱中的氚处理；

相应地，基于镁系金属的含氚废气的处理方法用于将手套箱中的少量氚甲烷、O₂和水气等影响吸氚合金活性的杂质气体去除。

在同一个构思的基础上，在优化之后，可进一步形成相应的技术方案，即：

一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，包括以下步骤：

Ⅰ、先进行消气剂处理形成含氚气体；

Ⅱ、在处理后的含氚气体气氛下球磨粒径30～100nm的单质镁粉，过程中会形成氚化镁粉末，在1MPa、300℃时，20min内储氚量即达4.0％，达到理论7.6wt％、实际6.5wt％的储氚密度；

Ⅲ、在105Pa、287℃的环境下脱氚，获得可用于制备荧光氚管的氚气。

其中，用于制备荧光氚管的氚气其含量范围为8～20％。

在同一个构思的基础上，在优化之后，可进一步形成相应的技术方案，即：

一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，包括以下步骤：

Ⅰ、先进行消气剂处理形成含氚气体；

Ⅱ、在处理后的含氚气体气氛下将5％V与MgH₂球磨粒径30～100nm的合金镁粉，在150℃，1MPa气压下，仅在20s内吸氚量即达4.6％；

Ⅲ、在200℃、0.015MPa气压下，200s内完全放氚，获得可用于制备荧光氚管的氚气。

本发明所实施的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，通过先去除对镁粉造成中毒的潜在因素，然后再球磨粒径30～100nm的氚化镁合金粉末，最后获得高纯氚气和可反复循环利用的镁系合金粉末，其中，获得的氚气加压到1～2个大气压可用于制备氚管，也可进一步提纯，用于制造核反应堆或其它民用，处理成本低。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所实施的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其流程示意图。

具体实施方式

本发明之技术方案要实施一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其目的在于，解决以往处理含氚废气时因采用稀释或储存待衰变到允许的豁免值以下后排放、催化氧化吸附法处理、合金除氚等处理方式将氚消除，却无法将宝贵的氚资源进行再生利用以及无法实现镁系合金粉末反复循环利用的问题，导致造成了大量的资源浪费。

本发明所实施之技术方案，是针对基于镁系金属的含氚废气，采用合理的处理步骤来获取能够被利用的高纯度氚气以及可循环利用的镁系合金粉末，最终缓解或解决相应的技术问题。另外，由于采用的消气剂、以及脱氚方式的不同，对于能够采用常规技术手段实现的部分均无改进，并且可根据需要进行增减设置。显然，本发明之技术方案也就不涉及选用何种设备脱氚等相应的技常规术手段，本领域技术人员均知晓，只要能够实施本发明技术方案之技术手段，额外参考一些常规技术手段也是必要的，本领域技术人员可结合实际设计需求；当然，不仅限于设备、装置型号的选择等。因而，本发明所实施的技术方案实际上是一种能够让本领域技术人员结合常规技术手段参照及实施的镁系金属的含氚废气的处理方法，技术人员根据不同的应用条件以及需求实际获得其带来的一系列优势，这些优势将会在以下解析中逐步体现出来。

实施例一

如图1所示，本发明所实施的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其采用的主要步骤为：

首先，采用本领域常规技术手段使用消气剂分解含氚废气里面的水、碳氢化合物、氨气等，并且吸收N₂、O₂、CO₂和CO等气体，从而去除对镁粉造成中毒的潜在因素。

在使用消气剂相关的常规技术手段时，技术人员在此举例说明，提供一些参考，例如，为了处理手套箱惰性气氛中的氚废气以避免含氚气体渗透到操作间对工作人员造成危害，或者是需处理工艺系统排出的惰性气氛中的含氚废气以避免对环境造成危害等状况时，需要可有效去除这些杂质气体的消气材料以减少杂质气体和合金的接触，延长合金使用寿命。

以往的某些情况，在针对手套箱中的氚处理时，使用St909(Zr-Mn-Fe)分解水气、碳氢化合物等含氚化合物并且吸收O₂，然后使用St918(Zr-Fe)合金吸收氚气；使用St909(Zr-Mn-Fe)进行含氚He、N₂中O₂、HTO、CH₄等杂质气体的去除，St909在700℃，对于O₂吸收性能较佳。

显然，对于消气剂分解处理方式，若通过溶胶凝胶法制备杂质气体消除材料，例如，加入Cu可增加Ni的分散度，65％Ni-10％Cu-25％SiO₂可使Ar中的少量CH₄、O₂和水气得到有效的去除，有望将氚操作手套箱中的少量氚甲烷、O₂和水气等影响吸氚合金活性的杂质气体去除。以上这些有关消气剂的相关的常规技术手段可证明用消气剂分解含氚废气里面的水、碳氢化合物、氨气的技术方案的可行性。

本发明所实施的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，在进行消气剂处理步骤之后，在处理后的含氚气体的气氛下球磨粒径30～100nm的镁系合金粉末，过程中会形成氚化镁合金粉末；

进一步地，在低压、高温的真空环境下进行脱氚操作，可获得能够用于制备荧光氚管的高纯氚气和镁系合金粉末，其中，镁系合金粉末可反复循环利用。

对于脱氚操作，技术人员也可采用相关的常规技术手段来操作，例如，水-氢同位素催化交换技术，该交换过程又可分为气相催化交换、液相催化交换和联合电解催化交换三种方式。气相催化交换一般首先将含氚重水进行汽化，在催化交换塔中，汽化的含氚氛气与通入的D₂进行气汽并流催化交换，在催化剂的作用下，发生同位素传质交换反应，将重水中的气和氚转换到氚气中；液相催化交换是将含氚重水与氛气直接通过催化反应床，即含氚重水从LPCE塔的顶部进入催化交换塔，在催化反应床内进行气-液逆流催化交换反应，使含氚重水中的氚由液相转移到气相的过程。当然，这些仅是列举为技术人员提供一些参考，并非本发明技术方案所实施的部分。

本发明所实施的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，经过以上步骤抽取获得的氚气加压到1～2个大气压，用于制备氚管，也可进一步采用相应的常规技术手段来提纯，用于制造核反应堆或其它民用。可见，通过回收利用含氚废气里面的氚，处理成本低，镁系合金粉末材料可长期循环利用，具有很高的社会和经济价值。

实施例二

本发明所实施的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，在与以上实施例同一个构思的基础上，可采用相应的技术手段进行技术方案的优选：

在进行消气剂处理步骤之后，在处理后的含氚气体气氛下球磨粒径30～100nm的单质镁粉，过程中会形成氚化镁粉末，在1MPa、300℃时20min内储氚量即达4.0％，能达到理论7.6wt％、实际6.5wt％的储氚密度。

进一步地，在105Pa、287℃的环境下脱氚，可获得可用于制备荧光氚管的氚气，氚气含量约8～20％。

实施例三

本发明所实施的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，在与以上实施例同一个构思的基础上，可采用相应的技术手段进行技术方案的优选：

在进行消气剂处理步骤之后，在处理后的含氚气体气氛下将5％V与MgH₂球磨粒径30～100nm的合金镁粉，在150℃，1MPa气压下，仅在20s内吸氚量即达4.6％。

进一步地，在200℃、0.015MPa气压下，200s内完全放氚，可获得可用于制备荧光氚管的氚气，氚气含量约8～20％。

在本说明书的描述中，若出现术语“实施例一”、“本实施例”、“具体实施”等描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明或发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，所描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以恰当的方式结合。

在本说明书的描述中，术语“准备”、“配比”、“具有”等均做广义理解，如同此例的情形对于本领域普通技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用，熟悉本领域技术的人员显然可轻易对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本案不限于以上实施例，对于以下几种情形的修改，都应该在本案的保护范围内：①以本发明技术方案为基础如先利用消气剂处理、真空脱氚获取高纯度氚气与镁系合金粉末所形成的新的技术方案，该新的技术方案所产生的技术效果并没有超出本发明技术效果之外，并且没有产生超出本发明之外的技术效果；②采用公知技术对本发明技术方案的部分特征的等效替换，所产生的技术效果与本发明技术效果相同，例如，对所选取的消气剂的替换；③以本发明技术方案为基础进行拓展，拓展后的技术方案的实质内容没有超出本发明技术方案之外；④利用本发明文本记载内容所作的等效变换，将所得技术手段应用在其它相关技术领域的方案。

Claims (10)

1.一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其用于在处理含氚废气的基础上，同时获得能够用于制备荧光氚管的高纯氚气、以及可反复循环利用的镁系合金粉末，其特征在于，包括以下步骤：

Ⅰ、使用消气剂分解含氚废气里面的水、碳氢化合物、氨气，并且吸收N₂、O₂、CO₂和CO等气体，形成含氚气体，从而去除对镁粉造成中毒的潜在因素；

Ⅱ、在所述含氚气体气氛下球磨粒径30～100nm的镁系合金粉末，过程中会形成氚化镁合金粉末；

Ⅲ、在低压、高温的真空环境下进行脱氚操作，获得能够用于制备荧光氚管的高纯氚气、以及可反复循环利用的镁系合金粉末；

Ⅳ、经过以上步骤脱氚操作抽取获得的氚气加压到1～2个大气压，用于制备氚管。

2.根据权利要求1所述的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其特征在于：所述脱氚操作抽取获得的氚气进行提纯，用于制造核反应堆或其它民用。

3.根据权利要求1所述的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其特征在于：所述脱氚操作可采用水-氢同位素催化交换技术。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其特征在于：所述基于镁系金属的含氚废气的处理方法用于针对手套箱中的氚处理。

5.根据权利要求4所述的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其特征在于：所述基于镁系金属的含氚废气的处理方法用于将手套箱中的少量氚甲烷、O₂和水气等影响吸氚合金活性的杂质气体去除。

6.根据权利要求1所述的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其特征在于：对于消气剂分解处理方式，可采用溶胶凝胶法制备杂质气体消除材料。

7.一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

Ⅰ、先进行消气剂处理形成含氚气体；

Ⅱ、在处理后的含氚气体气氛下球磨粒径30～100nm的单质镁粉，过程中会形成氚化镁粉末，在1MPa、300℃时，20min内储氚量即达4.0％，达到理论7.6wt％、实际6.5wt％的储氚密度；

Ⅲ、在105Pa、287℃的环境下脱氚，获得可用于制备荧光氚管的氚气。

8.根据权利要求7所述的基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其特征在于：所述用于制备荧光氚管的氚气其含量范围为8～20％。

9.一种基于镁系金属的含氚废气的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

Ⅰ、先进行消气剂处理形成含氚气体；

Ⅱ、在处理后的含氚气体气氛下将5％V与MgH₂球磨粒径30～100nm的合金镁粉，在150℃，1MPa气压下，仅在20s内吸氚量即达4.6％；

Ⅲ、在200℃、0.015MPa气压下，200s内完全放氚，获得可用于制备荧光氚管的氚气。

10.根据权利要求9所述的基于镁系金属的含氚废气的处理方法制作方法，其特征在于：所述用于制备荧光氚管的氚气其氚气含量范围为8～20％。

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