RU2758464C1 - Method for purification of gas mixture from tritium - Google Patents

Method for purification of gas mixture from tritium Download PDF

Info

Publication number
RU2758464C1
RU2758464C1 RU2021106119A RU2021106119A RU2758464C1 RU 2758464 C1 RU2758464 C1 RU 2758464C1 RU 2021106119 A RU2021106119 A RU 2021106119A RU 2021106119 A RU2021106119 A RU 2021106119A RU 2758464 C1 RU2758464 C1 RU 2758464C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tritium
water
sorbent
water vapor
gas mixture
Prior art date
Application number
RU2021106119A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Тимофеевич Казаковский
Владимир Александрович Королев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2021106119A priority Critical patent/RU2758464C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2758464C1 publication Critical patent/RU2758464C1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D59/00Separation of different isotopes of the same chemical element
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/02Treating gases

Abstract

FIELD: gas mixture purification.SUBSTANCE: invention relates to a method for purifying a gas mixture from tritium, which consists in catalytic oxidation of tritium followed by sorption of the resulting water containing tritium. In this case, an anhydrous salt or lower hydrates of magnesium chloride is used as a sorbent for water vapor containing tritium, after saturation of the sorbent with water vapor containing tritium, magnesium oxide and water are added to it, the components are mixed and held until complete curing, while the components are taken into ratio sufficient to obtain the final crystalline hydrate 3MgO×MgCl2×11H2O.EFFECT: method makes it possible to reduce radiation risks by eliminating the formation of secondary radioactive waste, as well as to simplify the technology for cleaning gases from tritium, including through the use of cheap, efficient and widespread materials.1 cl, 1 ex

Description

Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды от радиоактивного загрязнения и может быть использован при очистке газовых смесей от трития путем окисления с последующей сорбцией паров воды, содержащей тритий.The inventive method relates to the field of environmental protection from radioactive contamination and can be used in the purification of gas mixtures from tritium by oxidation followed by sorption of water vapor containing tritium.

В основе обеспечения безопасности при работе с тритием на ядерных объектах лежит принцип комплексной защиты, позволяющий надежно выделять тритий из технологических газов. Технологическая стадия переработки газообразных радиоактивных отходов, содержащих тритий, должна удовлетворять следующим требованиям: минимизация отходов, безопасность, изолированность от окружающей среды, экономичность.Safety assurance when working with tritium at nuclear facilities is based on the principle of comprehensive protection, which makes it possible to reliably separate tritium from process gases. The technological stage of processing gaseous radioactive waste containing tritium must meet the following requirements: waste minimization, safety, isolation from the environment, and economic efficiency.

Для лабораторных помещений, в которых установлено оборудование с местной принудительной вытяжной вентиляцией (шкафы, боксы, камеры, укрытия и др.), при нормальных условиях эксплуатации удаляемый загрязненный воздух должен подвергаться очистке от трития. В соответствии с требованиями действующих Санитарных правил «Радиационная безопасность при работе с тритием и его соединениями (СП РБ-РТС-04)», воздух, удаляемый системами вытяжной, местной, ремонтной и аварийной вентиляции, перед выбросом в атмосферу следует подвергать специальной очистке от: газообразного трития, оксида трития, тритиевых аэрозолей.For laboratory premises in which equipment with local forced exhaust ventilation is installed (cabinets, boxes, chambers, shelters, etc.), under normal operating conditions, the removed contaminated air must be purified from tritium. In accordance with the requirements of the current Sanitary Rules "Radiation safety when working with tritium and its compounds (SP RB-RTS-04)", the air removed by the exhaust, local, repair and emergency ventilation systems should be specially cleaned from: gaseous tritium, tritium oxide, tritium aerosols.

Очистка газов от трития, основанная на окислении последнего, с последующей сорбцией тритийсодержащей воды получила широкое практическое применение в лабораторной и производственной практике. Окисление трития может проводиться на окислах металлов, например CuO, или непосредственно газообразным кислородом в присутствии катализаторов.The purification of gases from tritium, based on the oxidation of the latter, followed by the sorption of tritium-containing water, has received wide practical application in laboratory and industrial practice. The oxidation of tritium can be carried out on metal oxides, for example CuO, or directly with gaseous oxygen in the presence of catalysts.

Каталитическая очистка газов от трития с последующей адсорбцией получила наиболее широкое практическое распространение. Это связано с тем, что процессы происходят при относительно низких температурах (в присутствии никеля, палладия, платины взаимодействие протекает уже при 20°С), срок эффективного использования промышленно выпускаемых катализаторов составляет несколько лет, метод отличается технической простотой и большой производительностью. Дополнительным преимуществом каталитической очистки газов от трития является то, что данный способ помимо конвертации газообразного трития, при наличии или добавлении кислорода в стехиометрическом (относительно Н2) соотношении, также позволяет одновременно улавливать и окись трития, присутствующую в очищаемых газах. Эффективность применения данного метода на практике определяется каталитической активностью конвертера (каталитического узла) и поглотительной способностью адсорбера (адсорбционного узла). Однако, присутствие в очищаемой газовой среде ингибиторов (СО, СО2, SO2 и т.п.) существенно снижает или полностью блокирует каталитическую активность.The catalytic purification of gases from tritium followed by adsorption has become the most widespread in practice. This is due to the fact that the processes occur at relatively low temperatures (in the presence of nickel, palladium, and platinum, the interaction takes place already at 20 ° C), the period of effective use of industrially produced catalysts is several years, the method is distinguished by its technical simplicity and high productivity. An additional advantage of the catalyst from tritium gas cleaning is the fact that this method in addition to the conversion of gaseous tritium in the presence or addition of oxygen in a stoichiometric (with respect to H 2) ratio also allows simultaneous capture and tritium oxide present in the cleaned gases. The effectiveness of this method in practice is determined by the catalytic activity of the converter (catalytic unit) and the absorption capacity of the adsorber (adsorption unit). However, the presence of inhibitors (CO, CO 2 , SO 2 , etc.) in the purified gas environment significantly reduces or completely blocks the catalytic activity.

Процесс окисления трития на оксидах металлов происходит при более высокой температуре 270-500°С, но при этом данный метод не чувствителен к наличию примесей в очищаемом газе. Также отпадает необходимость введения в очищаемую газовую среду кислорода, что повышает безопасность проводимых работ и позволяет проводить очистку инертных газов от трития.The process of oxidation of tritium on metal oxides occurs at a higher temperature of 270-500 ° C, but this method is not sensitive to the presence of impurities in the gas being purified. Also, there is no need to introduce oxygen into the gas environment to be purified, which increases the safety of the work carried out and makes it possible to purify inert gases from tritium.

В адсорберах окислительных установок, в качестве наполнителя наиболее часто используют различные цеолиты (Тритий. Л.Ф. Беловодский и др. М.: Энергоатомиздат, 1985 г.). Применение данного типа материалов для улавливания паров воды, содержащей тритий, обусловлено хорошей поглотительной способностью, что обеспечивает низкий суммарный коэффициент проскока, в совокупности с возможностью к многоразовой регенерации. Однако, несмотря на возможность многоразового использования цеолитов, улавливаемая ими вода, содержащая тритий, химически не связывается, что влечет за собой необходимость ее последующего выделения и связывания в устойчивые матричные материалы для безопасного хранения и/или захоронения. Полное извлечение воды из цеолитов является сложной и энергоемкой операцией. Например, регенерация широко распространенного цеолита NaA осуществляется в течение 4 часов при остаточном давлении 0,13 Па и 500°С. В результате улавливания десорбированных паров образуются вторичные жидкие радиоактивные отходы (ЖРО). В случае с водой, содержащей тритий, технологическая операция, в результате которой образуются высокотоксичные вторичные ЖРО, является крайне опасной для персонала и окружающей среды. Исключение данной операции и прямое отверждение наполнителя адсорбера после насыщения его водой, содержащей тритий, позволит понизить радиационную опасность проводимых работ, упростить аппаратное оснащение и весь технологический процесс.In adsorbers of oxidizing plants, various zeolites are most often used as a filler (Tritium. LF Belovodsky et al. M .: Energoatomizdat, 1985). The use of this type of material for capturing water vapors containing tritium is due to its good absorption capacity, which provides a low total breakthrough coefficient, together with the possibility of multiple regeneration. However, despite the reusability of zeolites, the tritium-containing water captured by them does not chemically bind, which entails the need for its subsequent isolation and binding into stable matrix materials for safe storage and / or disposal. The complete extraction of water from zeolites is a complex and energy-intensive operation. For example, the regeneration of the widespread NaA zeolite is carried out for 4 hours at a residual pressure of 0.13 Pa and 500 ° C. As a result of capturing desorbed vapors, secondary liquid radioactive waste (LRW) is formed. In the case of water containing tritium, the technological operation resulting in the formation of highly toxic secondary LRW is extremely dangerous for personnel and the environment. The elimination of this operation and direct curing of the adsorber filler after saturation with water containing tritium will reduce the radiation hazard of the work performed, simplify the hardware and the entire technological process.

Известен способ очистки гелия от примеси изотопов водорода (патент RU 2323157, С01В 23/00, опубл. 27.04.2008), в соответствии с которым исходную газообразную смесь подают в сорбционный блок с пористым нанодисперсным углеродом для поглощения изотопов водорода Одновременно с этим гелий отводят из сорбционного блока. Температуру в сорбционном блоке поддерживают равной 77-80 К, после удаления гелия температуру в сорбционном блоке повышают до комнатной для десорбции изотопов водорода, предварительно соединив его с емкостью для сбора изотопов водорода, в которой находится гидридообразующий сорбент. Способ позволяет очистить гелий от примеси изотопов водорода с одновременным извлечением и улавливанием трития.There is a known method for purifying helium from impurities of hydrogen isotopes (patent RU 2323157, С01В 23/00, publ. 04/27/2008), according to which the initial gaseous mixture is fed into a sorption unit with porous nanodispersed carbon to absorb hydrogen isotopes. At the same time, helium is removed from sorption block. The temperature in the sorption block is maintained at 77-80 K, after the removal of helium, the temperature in the sorption block is raised to room temperature for desorption of hydrogen isotopes, having previously connected it to a vessel for collecting hydrogen isotopes, which contains a hydride-forming sorbent. The method makes it possible to purify helium from impurities of hydrogen isotopes with simultaneous extraction and trapping of tritium.

Недостатками способа являются:The disadvantages of this method are:

- сложное аппаратное оснащение установки для реализации способа и необходимость обеспечения герметичности всех узлов и соединений в широком диапазоне температур;- complex hardware equipment of the installation for the implementation of the method and the need to ensure the tightness of all units and connections in a wide temperature range;

- возможность разделения только газовой смеси инертного гелия и изотопов водорода, а присутствие посторонних газов не позволит в полной мере осуществить процесс разделения;- the possibility of separating only a gas mixture of inert helium and hydrogen isotopes, and the presence of foreign gases will not allow the separation process to be fully implemented;

- для обеспечения селективности сорбционной способности сорбента необходимо выдерживать его при низкой температуре в узком допустимом диапазоне.- to ensure the selectivity of the sorption capacity of the sorbent, it is necessary to maintain it at a low temperature in a narrow permissible range.

Известен способ и устройство для очистки воздуха от газообразного трития и его концентрировании в постоянном объеме воды (патент RU 2635809, G21F 9/02, публ. 16.11.2017), по которому тритий подвергается окислению внутри герметично закрытой камеры при высокой температуре (1000-1300°С) в водородно-кислородном пламени, газовая смесь для которого поступает из соответствующего генератора. После обработки полученная смесь воздуха и водяных паров, содержащих тритий, выводится из камеры и охлаждается, проходя через холодильник, а конденсированная вода скапливается в водяном фильтре. Очищенный от трития воздух перекачивается обратно в установки и технологические линии. Вода, содержащая тритий, из водяного фильтра частями подается в генератор, где она преобразуется в водородно-кислородную смесь. Полученный газ используется для окисления трития из следующей порции воздуха. Многократное повторение цикла позволяет увеличивать концентрацию трития в конденсируемой воде.A known method and device for purifying air from gaseous tritium and its concentration in a constant volume of water (patent RU 2635809, G21F 9/02, publ. 16.11.2017), according to which tritium is oxidized inside a hermetically sealed chamber at high temperatures (1000-1300 ° C) in a hydrogen-oxygen flame, the gas mixture for which comes from a suitable generator. After processing, the resulting mixture of air and water vapor containing tritium is removed from the chamber and cooled, passing through the refrigerator, and condensed water accumulates in a water filter. The air purified from tritium is pumped back to the plants and technological lines. Water containing tritium from the water filter is supplied in parts to the generator, where it is converted into a hydrogen-oxygen mixture. The resulting gas is used to oxidize tritium from the next portion of air. Multiple repetition of the cycle allows increasing the concentration of tritium in the condensed water.

К недостаткам этого способа можно отнести следующее:The disadvantages of this method include the following:

- окисление трития происходит при высокой (более 1000°С) температуре и при этом используется взрывоопасная, при определенных концентрациях, газовая смесь, что накладывает повышенные требования к надежности установки;- oxidation of tritium occurs at a high (over 1000 ° C) temperature and at the same time an explosive gas mixture is used at certain concentrations, which imposes increased requirements on the reliability of the installation;

- для получения водородно-кислородной смеси используется электролиз, а продукты горения охлаждаются для конденсации из них паров воды, что влечет за собой большие энергетические затраты;- to obtain a hydrogen-oxygen mixture, electrolysis is used, and the combustion products are cooled to condense water vapor from them, which entails high energy costs;

- в результате образуются вторичные радиоактивные отходы воды с высоким содержанием трития, которые необходимо перевести в твердое состояние, для чего требуются дополнительные технологические операции и оборудование;- as a result, secondary radioactive waste water with a high tritium content is formed, which must be converted into a solid state, which requires additional technological operations and equipment;

- используемая для реализации способа установка является технологически сложной.- the installation used to implement the method is technologically complex.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ уменьшения концентрации изотопов водорода в газовой среде (патент RU 2243148, С01В 3/56, опубл. 27.12.2004). Авторы этого изобретения предлагают в качестве катализатора для окисления изотопов водорода, находящихся в воздухе, и сорбента для поглощения образующейся воды использовать биологически активную почву с влажностью 0,5-20 мас. %. Под биологически активной понимается почва, в которой присутствуют микроорганизмы, в том числе и так называемые водородные бактерии, способные к окислению изотопов водорода. Применение данного способа позволяет исключить необходимость удаления влаги из используемого материала-катализатора, проводить очистку при комнатной температуре, а также удешевить способ за счет использования доступного и дешевого материала.Closest to the claimed method is a method for reducing the concentration of hydrogen isotopes in a gas environment (patent RU 2243148, С01В 3/56, publ. 27.12.2004). The authors of this invention propose to use biologically active soil with a moisture content of 0.5-20 wt. %. Biologically active soil is understood as containing microorganisms, including the so-called hydrogen bacteria capable of oxidizing hydrogen isotopes. The use of this method makes it possible to eliminate the need to remove moisture from the used catalyst material, to carry out cleaning at room temperature, and also to reduce the cost of the method due to the use of available and cheap material.

Из недостатков известного способа можно отметить следующее:Among the disadvantages of the known method, the following can be noted:

- используемая в качестве сорбента биологически активная почва сохраняет свою каталитическую способность до степени увлажнения не более 20%;- biologically active soil used as a sorbent retains its catalytic ability up to a moisture content of no more than 20%;

- стабильность показываемых результатов каталитической активности каждого конкретного образца почвы по отношению к процессу окисления изотопов водорода зависит от ее температуры, влажности, глубины отбора, от предварительной химической и физической обработки;- the stability of the shown results of the catalytic activity of each specific soil sample in relation to the oxidation of hydrogen isotopes depends on its temperature, humidity, sampling depth, on preliminary chemical and physical treatment;

- опытное использование способа для очистки воздуха от трития, известное из описания, происходило при температуре от 15 до 22°С, и возможно предположить, что при более высоких или низких температурах каталитическая активность почвы может существенно снизиться или полностью прекратиться;- the experimental use of the method for air purification from tritium, known from the description, took place at a temperature of 15 to 22 ° C, and it is possible to assume that at higher or lower temperatures, the catalytic activity of the soil may significantly decrease or completely stop;

- при длительном хранении, с целью сохранения первоначальных свойств, для почвы необходимо создавать специальные климатические условия;- during long-term storage, in order to preserve the original properties, it is necessary to create special climatic conditions for the soil;

- после использования загрязненная тритием почва переходит в разряд вторичных радиоактивных отходов, и для предотвращения рассеивания радионуклидов необходимо проведение дополнительных мероприятий по ее иммобилизации в матричный материал и упаковке.- after use, the soil contaminated with tritium passes into the category of secondary radioactive waste, and in order to prevent the dispersion of radionuclides, it is necessary to carry out additional measures for its immobilization in the matrix material and packaging.

Задачей заявляемого изобретения является снижение радиационных рисков путем исключения образования вторичных радиоактивных отходов, и упрощение технологии очистки газов от трития, в том числе за счет использования дешевых, эффективных и широко распространенных материалов.The objective of the claimed invention is to reduce radiation risks by eliminating the formation of secondary radioactive waste, and to simplify the technology for cleaning gases from tritium, including through the use of cheap, effective and widespread materials.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого способа, заключается в следующем:The technical result achieved by using the proposed method is as follows:

- исключается образование вторичных радиоактивных отходов, что исключает технологически сложную и экологически опасную стадию регенерации сорбента от паров радиоактивной воды;- the formation of secondary radioactive waste is excluded, which excludes the technologically complex and environmentally hazardous stage of regeneration of the sorbent from radioactive water vapors;

- упрощение технологического и аппаратного оформления процесса каталитического окисления радиоактивных газов;- simplification of the technological and hardware design of the process of catalytic oxidation of radioactive gases;

- низкое парциальное давление паров воды над поверхностью сорбента позволяет проводить его безопасную перегрузку без использования боксов с инертной средой;- low partial pressure of water vapor above the surface of the sorbent allows its safe reloading without the use of boxes with an inert atmosphere;

- используемый сорбент уже является одним из исходных компонентов получаемой конечной матрицы, пригодной для долгосрочного хранения и/или захоронения, и отпадает необходимость применения промежуточного сорбента, который после окончания его эксплуатации переходит в разряд вторичных РАО;- the sorbent used is already one of the initial components of the resulting final matrix, suitable for long-term storage and / or disposal, and there is no need to use an intermediate sorbent, which, after the end of its operation, goes into the category of secondary radioactive waste;

- поглотительная способность сорбента сохраняется при абсорбции им водяного пара до 50% от первоначального веса.- the absorption capacity of the sorbent is retained when it absorbs water vapor up to 50% of the initial weight.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ очистки газовой смеси от трития, заключающийся в окислении трития с последующей сорбцией полученной воды, содержащей тритий, в котором, согласно изобретению, в качестве сорбента паров воды, содержащей тритий, используют безводную соль или низшие гидраты хлорида магния, после насыщения сорбента парами воды, содержащей тритий, к нему добавляют оксид магния и воду, компоненты перемешивают и выдерживают до полного отверждения, при этом компоненты берут в соотношении, достаточном для получения конечного кристаллогидрата 3MgO×MgCl2×11H2O.To solve this problem and achieve the technical result, a method of purifying a gas mixture from tritium is claimed, which consists in the oxidation of tritium followed by sorption of the resulting water containing tritium, in which, according to the invention, anhydrous salt or lower hydrates are used as a sorbent of water vapor containing tritium magnesium chloride, after saturation of the sorbent with water vapor containing tritium, magnesium oxide and water are added to it, the components are mixed and kept until complete curing, while the components are taken in a ratio sufficient to obtain the final crystalline hydrate 3MgO × MgCl 2 × 11H 2 O.

В заявляемом способе в качестве сорбента тритийсодержащей воды, полученной при каталитическом окислении трития, находящегося в газовой смеси, используют безводную соль или низшие гидраты хлорида магния. Заявляемый способ позволяет эффективно улавливать пары радиоактивной воды, образующейся в процессе окисления газообразного трития. При этом сорбент, связывающий содержащую тритий воду, одновременно является одним из исходных компонентов матричного материала для ее отверждения (или для отверждения тритийсодержащей воды). Такой подход позволяет упростить технологический процесс очистки газов от трития, исключив стадию регенерации сорбента. Многократное использование известных сорбентов ведет к снижению их поглотительной способности. После окончания плановой эксплуатации в структуре материалов известных сорбентов остаются не удаляемые остатки радиоактивных компонентов, что переводит их в разряд вторичных РАО. При использовании в качестве сорбента паров воды, содержащей тритий, безводной соли или низших гидратов хлорида магния, дополнительной обработки сорбента не требуется и вторичные РАО не образуются. В ходе проведенных исследований было установлено, что остаточная влажность воздуха над поверхностью предлагаемого сорбента не превышает 0,001 г/м3. Данный параметр остается неизменным в течение всего времени использования партии сорбента. После насыщения парами сорбент в поглотительном блоке заменяется, что гарантирует неизменный уровень эффективности процесса очистки газов. При экспериментальном обдуве поверхности порошка 2-водного хлорида магния воздухом с начальной влажностью 33-75%, при температуре 25°С, скорость поглощения паров воды остается практически постоянной до увеличения исходной массы сорбента на 50%. В качестве исходного материала для получения заявляемого сорбента используется широко распространенный 6-водный хлорид магния. Обезвоживание исходного компонента происходит при температуре до 200°С и может быть реализовано без использования дорогостоящего технологически сложного оборудования. Низкое парциальное давление паров воды над поверхностью сорбента-позволяет проводить его безопасную перегрузку, транспортировку, хранение и смешивание с другими компонентами для получения компаунда, пригодного для долгосрочного хранения или захоронения.In the claimed method, anhydrous salt or lower hydrates of magnesium chloride are used as a sorbent of tritium-containing water obtained by catalytic oxidation of tritium in the gas mixture. The inventive method makes it possible to effectively capture the vapors of radioactive water formed during the oxidation of gaseous tritium. In this case, the sorbent that binds tritium-containing water is at the same time one of the initial components of the matrix material for its curing (or for curing tritium-containing water). This approach makes it possible to simplify the technological process of gas purification from tritium, eliminating the stage of sorbent regeneration. Repeated use of known sorbents leads to a decrease in their absorption capacity. After the end of the planned operation, the structure of materials of known sorbents contains non-removable residues of radioactive components, which translates them into the category of secondary radioactive waste. When water vapor containing tritium, anhydrous salt, or lower hydrates of magnesium chloride is used as a sorbent, additional processing of the sorbent is not required and secondary radioactive waste is not formed. In the course of the research, it was found that the residual air humidity above the surface of the proposed sorbent does not exceed 0.001 g / m 3 . This parameter remains unchanged during the entire time of use of the sorbent batch. After saturation with vapor, the sorbent in the absorption unit is replaced, which guarantees a constant level of efficiency of the gas purification process. With the experimental blowing of the surface of the 2-aqueous magnesium chloride powder with air with an initial moisture content of 33-75%, at a temperature of 25 ° C, the water vapor absorption rate remains practically constant until the initial sorbent mass increases by 50%. The widely used 6-aqueous magnesium chloride is used as a starting material for obtaining the inventive sorbent. Dehydration of the initial component occurs at temperatures up to 200 ° C and can be realized without the use of expensive technologically sophisticated equipment. Low partial pressure of water vapor above the surface of the sorbent - allows its safe reloading, transportation, storage and mixing with other components to obtain a compound suitable for long-term storage or disposal.

По совокупности рассмотренных факторов можно утверждать, что использование для очистки газовой смеси от трития его окисления с последующей сорбцией полученной радиоактивной воды с применением безводной соли или низших гидратов хлорида магния, и добавление к сорбенту, насыщенному парами тритийсодержащей воды, оксида магния и воды до полного его отверждения, позволяет достичь указанный технический результат.By the combination of the factors considered, it can be argued that the use of oxidation of tritium for the purification of a gas mixture from tritium, followed by the sorption of the obtained radioactive water using anhydrous salt or lower hydrates of magnesium chloride, and the addition of magnesium oxide and water to a sorbent saturated with vapors of tritium-containing water until it is completely curing, allows you to achieve the specified technical result.

Заявляемый способ очистки газовой смеси от трития осуществляется в следующей последовательности. Газовая смесь, в которой присутствует тритий, поступает в блок окисления установки, где на катализаторе или оксиде металла происходит окисление трития до тритийсодержащей воды. Пары тритийсодержащей воды поступают в сорбционный блок, где находится сорбент - безводная соль или низшие гидраты хлорида магния. После насыщения сорбента нарами тритийсодержащей воды к нему добавляют оксид магния и воду в соотношении, достаточном для получения конечного кристаллогидрата 3MgO×MgCl2×11H2O. Компоненты перемешивают и выдерживают до полного отверждения в устойчивый матричный материал. Таким образом, в результате происходит очистка газовой среды от трития и одновременно заключение в устойчивую матрицу полученной тритийсодержащей воды.The inventive method for purifying a gas mixture from tritium is carried out in the following sequence. The gas mixture, in which tritium is present, enters the oxidation unit of the plant, where tritium is oxidized to tritium-containing water on a catalyst or metal oxide. Vapors of tritium-containing water enter the sorption unit, where the sorbent is located - anhydrous salt or lower hydrates of magnesium chloride. After saturation of the sorbent with bunks of tritium-containing water, magnesium oxide and water are added to it in a ratio sufficient to obtain the final crystalline hydrate 3MgO × MgCl 2 × 11H 2 O. The components are mixed and kept until complete curing into a stable matrix material. Thus, as a result, the gaseous medium is purified from tritium and at the same time the resulting tritium-containing water is imprisoned in a stable matrix.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

1. Проверка работоспособности предложенной схемы очистки газовых сред от паров воды.1. Checking the performance of the proposed scheme for cleaning gaseous media from water vapor.

В качестве исходного компонента для подготовки сорбента водяных паров использовали магний хлористый 6-водный (чда) MgCl2×6H2O по ГОСТ 4209-77. Несмотря на то, что и 6-водный гидрат хлорида магния обладает сорбционной способностью вплоть до перехода в раствор, наличие в нем воды, превышающее отношение MgCl2×6H2O негативно сказывается на его эксплуатационных характеристиках. Кристаллы порошка начинают слипаться с образованием твердых агломератов, а затем происходит размягчение до пастообразного состояния. В связи с этим рассматривали эффективность сорбента в диапазоне гидратов от MgCl2×2H2O до MgCl2×6H2O. Получение безводной соли MgCl2 происходит при высокой температуре в атмосфере циркулирующего HCl. Несмотря на то, что существуют промышленные установки для производства безводного хлорида магния, получение его в лабораторной практике небезопасно. Поэтому для экспериментов по отработке заявляемого способа использовали MgCl2×2H2O. Процесс дегидратации хлорида магния должен проводиться ступенчато. При резком нагреве высших гидратов MgCl2 и затруднениях в отводе выделяющейся воды, гидрат расплавляется в парах выделяемой кристаллизационной воды и диссоциирует с образованием нерастворимого гидроксида и выделением хлороводорода. Для обезвоживания гидрата использовался электронный влагомер с галогеновым нагревателем, погрешностью поддержания температуры ±1°С, погрешностью измерения массы образца ±0,01 г. Навеску исходного MgCl2×6H2O массой 10,00 г нагрели до температуры 181±1°С и выдерживали до постоянной массы в течение ~30 минут. При этой температуре, согласно литературным данным [Крамар Л.Я. и др. Композиции на основе магнезиального вяжущего, не склонные при эксплуатации к растрескиванию], MgCl2×6H2O теряет четыре молекулы воды с образованием MgCl2×2H2O. После дегидратации масса навески сорбента составила 6,45 г. Magnesium chloride 6-aqueous (analytical grade) MgCl 2 × 6H 2 O according to GOST 4209-77 was used as the initial component for the preparation of the sorbent of water vapor. Despite the fact that 6-aqueous magnesium chloride hydrate also has a sorption capacity up to the transition to solution, the presence of water in it, exceeding the ratio of MgCl 2 × 6H 2 O, negatively affects its operational characteristics. Powder crystals begin to stick together with the formation of solid agglomerates, and then softening to a pasty state. In this regard, the efficiency of the sorbent was considered in the range of hydrates from MgCl 2 × 2H 2 O to MgCl 2 × 6H 2 O. The anhydrous salt of MgCl 2 is obtained at a high temperature in an atmosphere of circulating HCl. Despite the fact that there are industrial plants for the production of anhydrous magnesium chloride, it is not safe to obtain it in laboratory practice. Therefore, for experiments on the development of the proposed method used MgCl 2 × 2H 2 O. The process of dehydration of magnesium chloride should be carried out stepwise. With a sharp heating of the higher hydrates MgCl 2 and difficulties in removing the released water, the hydrate melts in the vapors of the released crystallization water and dissociates with the formation of insoluble hydroxide and the release of hydrogen chloride. Dewatering hydrate used electronic hygrometer with a halogen heater, maintaining temperature accuracy ± 1 ° C, the sample mass measurement error of ± 0.01 A weighed sample of the starting MgCl 2 × 6H 2 O 10.00 g weight heated to a temperature of 181 ± 1 ° C and kept to constant weight for ~ 30 minutes. At this temperature, according to the literature [Kramar L.Ya. etc. Compositions based on magnesia binder, not prone to cracking during operation], MgCl 2 × 6H 2 O loses four water molecules to form MgCl 2 × 2H 2 O. After dehydration, the weight of the sorbent sample was 6.45 g.

Далее, полученный образец сорбента поместили с сорбционный блок лабораторной установки по очистке газовой среды технологической линии от изотопов водорода. Установка оснащена конвертером на основе оксида меди, в котором параллельно происходят процессы восстановления меди и окисления изотопов водорода (в том числе трития) до паров воды. По окончании прокачки газовой среды через установку по очистке, сорбент извлекли и взвесили. В результате образец сорбировал 3,23 г воды (~50%). После этого образец поместили в пластиковую емкость, добавили 5,91 г MgO и 4,11 г воды. Полученную смесь перемешали и герметизировали. Через 24 часа образец полученного имитатора компаунда представлял собой прочный, монолитный материал, без трещин и отслоений. Следов свободной влаги на стенках герметичной емкости не отмечено, что говорит о полном связывании воды в устойчивый кристаллогидрат 3MgO×MgCl2×11H2O - основной компонент магнезиального гидравлического вяжущего.Further, the obtained sample of the sorbent was placed with the sorption unit of the laboratory installation for cleaning the gaseous medium of the technological line from hydrogen isotopes. The unit is equipped with a converter based on copper oxide, in which the processes of copper reduction and oxidation of hydrogen isotopes (including tritium) to water vapor occur in parallel. At the end of the pumping of the gaseous medium through the purification unit, the sorbent was removed and weighed. As a result, the sample absorbed 3.23 g of water (~ 50%). After that, the sample was placed in a plastic container, 5.91 g of MgO and 4.11 g of water were added. The resulting mixture was mixed and sealed. After 24 hours, a sample of the resulting simulated compound was a solid, monolithic material, without cracks and delamination. There were no traces of free moisture on the walls of the sealed container, which indicates the complete binding of water to a stable crystalline hydrate 3MgO × MgCl 2 × 11H 2 O - the main component of magnesia hydraulic binder.

2. Оценка основных кинетических параметров процесса сорбции паров воды.2. Assessment of the main kinetic parameters of the water vapor sorption process.

Основные характеристики осушающего агента:The main characteristics of the drying agent:

- минимальное остаточное содержание паров воды над его поверхностью;- the minimum residual water vapor content above its surface;

- процент поглощенной воды относительно исходной массы;- the percentage of absorbed water relative to the initial mass;

- эффективность связывания паров воды при различных условиях.- the efficiency of binding water vapors under various conditions.

Измеренная остаточная влажность воздуха над поверхностью получаемого сорбента не превысила 0,001 г/м3. Кинетика связывания паров воды сорбентом определялась методом измерения массы образца при обдуве его воздухом известной влажности. Образец сорбента массой 3 г ровным слоем распределили по дну алюминиевого блюдца, которое поместили на чашу аналитических весов. Сверху его накрыли пластиковым куполом с двумя штуцерами для входа и выхода увлажненного воздуха. Полученную конструкцию трубопроводами подсоединили к замкнутому контуру с мембранным насосом производительностью 10 л/мин и контейнером с насыщенным раствором для поддержания необходимой постоянной влажности потока нагнетаемого воздуха. Для поддержания постоянной влажности потока воздуха его прогоняли над зеркалом насыщенных растворов следующих веществ:The measured residual air humidity above the surface of the obtained sorbent did not exceed 0.001 g / m 3 . The kinetics of the binding of water vapor by the sorbent was determined by measuring the mass of the sample when it was blown with air of known humidity. A sorbent sample weighing 3 g was spread evenly over the bottom of an aluminum saucer, which was placed on an analytical balance. From above it was covered with a plastic dome with two fittings for the inlet and outlet of humidified air. The resulting structure was connected by pipelines to a closed loop with a membrane pump with a capacity of 10 l / min and a container with a saturated solution to maintain the required constant humidity of the forced air flow. To maintain a constant humidity of the air flow, it was driven over a mirror of saturated solutions of the following substances:

- 75% при 25°С - хлорид натрия (NaCl);- 75% at 25 ° С - sodium chloride (NaCl);

- 50% при 25°С - кальций азотно-кислый 4-водный (Са(NO3)2×4H2O);- 50% at 25 ° С - calcium nitric acid 4-water (Ca (NO 3 ) 2 × 4H 2 O);

- 33% при 25°С - хлорид магния 6-водный (MgCl2×6H2O).- 33% at 25 ° С - 6-aqueous magnesium chloride (MgCl 2 × 6H 2 O).

Суммарный объем замкнутого контура составил ~1,2 л, что обеспечивало 8-ми кратный воздухообмен над поверхностью образца в минуту. Обдув осуществляли до того момента, когда образец свяжет воду в количестве 50% от своего первоначального веса. Средняя скорость сорбции воды на 1 г сорбента составила:The total volume of the closed loop was ~ 1.2 liters, which provided 8-fold air exchange over the sample surface per minute. Blowing was carried out until the moment when the sample binds water in the amount of 50% of its original weight. The average rate of water sorption per 1 g of sorbent was:

- 0,09 г×мин/г при влажности потока воздуха 75% и 50%;- 0.09 g × min / g at air flow humidity of 75% and 50%;

- 0,05 г×мин/г при влажности потока воздуха 33%.- 0.05 g × min / g at a humidity of the air flow of 33%.

Измерения остаточной влажности воздуха над поверхностью сорбента после связывания им воды в количестве 50% от первоначального веса показали, что данный параметр не изменился.Measurements of the residual air humidity above the sorbent surface after it binds water in an amount of 50% of the initial weight showed that this parameter did not change.

Проведенные испытания подтверждают достижение заявленного технического результата. Для приготовления сорбента использовалось широко распространенное лабораторное оборудование и исходные материалы. Практические измерения показали низкое парциальное давление паров воды над поверхностью сорбента и стабильную его поглотительную способность при различных показателях влажности газовой среды. Результаты апробации технологии отверждения использованного сорбента показали отсутствие условий для образования вторичных РАО.The tests carried out confirm the achievement of the claimed technical result. For the preparation of the sorbent, widely used laboratory equipment and starting materials were used. Practical measurements have shown a low partial pressure of water vapor over the surface of the sorbent and its stable absorption capacity at various humidity indicators of the gaseous medium. The results of testing the technology of curing the used sorbent showed the absence of conditions for the formation of secondary radioactive waste.

Claims (1)

Способ очистки газовой смеси от трития, заключающийся в каталитическом окислении трития с последующей сорбцией полученной воды, содержащей тритий, отличающийся тем, что в качестве сорбента паров воды, содержащей тритий, используют безводную соль или низшие гидраты хлорида магния, после насыщения сорбента парами воды, содержащей тритий, к нему добавляют оксид магния и воду, компоненты перемешивают и выдерживают до полного отверждения, при этом компоненты берут в соотношении, достаточном для получения конечного кристаллогидрата 3MgO×MgCl2×11H2O.A method for purifying a gas mixture from tritium, which consists in the catalytic oxidation of tritium followed by sorption of the resulting water containing tritium, characterized in that anhydrous salt or lower hydrates of magnesium chloride is used as a sorbent for water vapor containing tritium, after saturation of the sorbent with water vapor containing tritium, magnesium oxide and water are added to it, the components are mixed and kept until complete curing, while the components are taken in a ratio sufficient to obtain the final crystalline hydrate 3MgO × MgCl 2 × 11H 2 O.
RU2021106119A 2021-03-09 2021-03-09 Method for purification of gas mixture from tritium RU2758464C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106119A RU2758464C1 (en) 2021-03-09 2021-03-09 Method for purification of gas mixture from tritium

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106119A RU2758464C1 (en) 2021-03-09 2021-03-09 Method for purification of gas mixture from tritium

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2758464C1 true RU2758464C1 (en) 2021-10-28

Family

ID=78466627

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021106119A RU2758464C1 (en) 2021-03-09 2021-03-09 Method for purification of gas mixture from tritium

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2758464C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3149155A1 (en) * 1981-12-11 1983-06-23 Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 5170 Jülich Process and apparatus for separating off hydrogen from gas mixtures by diffusion through a non-porous wall
CA2291038A1 (en) * 1997-06-04 1998-12-10 E.I. Du Pont De Nemours And Company Method of separating and selectively removing hydrogen contaminant from hydrogen-containing process streams and compositions useful therefor
RU2243148C1 (en) * 2003-03-24 2004-12-27 Российская Федерация в лице Министерства Российской Федерации по атомной энергии Method of decreasing hydrogen isotope concentration in a gas medium
RU2605561C1 (en) * 2015-08-27 2016-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Method of extracting hydrogen isotopes from gas mixtures
RU2635809C2 (en) * 2013-01-30 2017-11-16 КАСАБОВ Евгений Борисов Method and device for purifying air from gaseous tritium and its concentration in constant water volume
JP2018004588A (en) * 2016-07-08 2018-01-11 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Method for separating and removing tritium from tritium-containing radiation-contaminated water

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3149155A1 (en) * 1981-12-11 1983-06-23 Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 5170 Jülich Process and apparatus for separating off hydrogen from gas mixtures by diffusion through a non-porous wall
CA2291038A1 (en) * 1997-06-04 1998-12-10 E.I. Du Pont De Nemours And Company Method of separating and selectively removing hydrogen contaminant from hydrogen-containing process streams and compositions useful therefor
RU2243148C1 (en) * 2003-03-24 2004-12-27 Российская Федерация в лице Министерства Российской Федерации по атомной энергии Method of decreasing hydrogen isotope concentration in a gas medium
RU2635809C2 (en) * 2013-01-30 2017-11-16 КАСАБОВ Евгений Борисов Method and device for purifying air from gaseous tritium and its concentration in constant water volume
RU2605561C1 (en) * 2015-08-27 2016-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Method of extracting hydrogen isotopes from gas mixtures
JP2018004588A (en) * 2016-07-08 2018-01-11 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Method for separating and removing tritium from tritium-containing radiation-contaminated water

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pham et al. Capture of iodine and organic iodides using silica zeolites and the semiconductor behaviour of iodine in a silica zeolite
Zárate et al. High and energy-efficient reversible SO 2 uptake by a robust Sc (iii)-based MOF
US10183187B2 (en) Catalyst for disinfection, sterilization and purification of air, and preparation method thereof
US5460643A (en) Method of regenerating mercury adsorption means
US6080281A (en) Scrubbing of contaminants from contaminated air streams with aerogel materials with optional photocatalytic destruction
Hardie et al. Carbon dioxide capture using a zeolite molecular sieve sampling system for isotopic studies (13C and 14C) of respiration
US5346876A (en) Air purifying agent and a process for producing same
Vidic et al. Kinetics of vapor-phase mercury uptake by virgin and sulfur-impregnated activated carbons
US3363401A (en) Process for the recovery of gaseous sulphuric compounds present in small quantities in residual gases
US5462693A (en) Air purifying agent and a process for producing same
RU2758464C1 (en) Method for purification of gas mixture from tritium
JP3853398B2 (en) Carbon dioxide recovery method and carbon dioxide adsorbent
CN105233866A (en) Method for regenerating (RE/HZSM-5) catalysts for resolving methanethiol gas
JP2581642B2 (en) Etching exhaust gas abatement agent and exhaust gas treatment method
US5512262A (en) Process for cleaning harmful gas
LT5934B (en) Treatment method, treatment facility and impurity removing material for radioactive gaseous vaste
JP4674854B2 (en) Wastewater treatment method
JPH0268140A (en) Adsorbent for removal of iodine in gas
JPH0567200B2 (en)
JP2012110874A (en) Carbon dioxide capturing material
JPH0679138A (en) Method for pretreating nf3 gas
Sakurai et al. Catalytic effect of silver-impregnated silica-gel (AgS) on reaction of methyl iodide with nitrogen dioxide
JPH0457368B2 (en)
RU2754210C1 (en) Method for purifying gas emissions from sulphur dioxide producing a marketable product
RU2323157C2 (en) Method of purifying helium from hydrogen isotope impurities