文丘里洗涤器中甲基碘去除效果的实验研究

《Progress in Nuclear Energy》：Experimental investigation of methyl iodide removal in venturi scrubber

甲基碘去除效率及影响因素研究，采用文丘里洗涤器探究液位高度、气流量、气固相持量等参数及添加剂（NaOH、Na2S2O3、Aliquat-336）协同作用，最高去除效率达98.5%，建立含添加剂效应的质量转移模型，验证参数对脱碘效率的影响规律，为核安全提供技术支撑。

　　

Jawaria Ahad|Masroor Ahmad|Amjad Farooq|Khalid Waheed|Shafiq-ur Rehman|Naseem Irfan

巴基斯坦伊斯兰堡PIEAS的危险空气污染物实验室

摘要

甲基碘是一种危险且易挥发的放射性物质，在核电站发生严重事故时可能会释放出来，对人类健康和环境构成重大威胁。因此，有效去除甲基碘对于确保公共安全和环境保护至关重要。由于其高挥发性和危险性，甲基碘难以处理，这阻碍了使用湿式洗涤器进行广泛研究。本研究探讨了使用文丘里洗涤器去除甲基碘的方法。文丘里洗涤器的性能在很大程度上取决于其操作参数。因此，研究了液体高度、气体流量、表观速度和气体滞留量等参数的影响。结果表明，这些参数对甲基碘的去除有积极影响。此外，还研究了水、氢氧化钠、硫代硫酸钠和Aliquat-336等不同添加剂的效果。最佳效果是通过结合使用氢氧化钠、硫代硫酸钠和Aliquat-336获得的，最大去除效率超过98%。本研究还考虑了甲基碘的挥发性，研究了剂量、pH值和温度对其再挥发的影响。结果表明，低剂量、较高pH值以及不超过80℃的温度可以减少再挥发。添加Aliquat-336在这方面特别有效。此外，还开发了一个文丘里洗涤器的传质模型，以评估上述添加剂对甲基碘去除效果的影响。实验结果与模拟结果吻合良好。这项研究有助于理解不同参数对甲基碘去除的影响，从而实现最佳去除效率，保护环境并促进核能的发展。

引言

核电站配备了多种安全设施，包括多层次防御系统，包括多个物理屏障和工程安全系统（I. N. S. A. Group, 1996; Vijayan et al., 2013）。然而，在发生超出设计基准的事故（如堆芯熔毁）时，过高的压力和蒸汽积聚可能会危及这些安全屏障的完整性。如果最后一个物理屏障（即安全壳）被破坏，放射性裂变产物和结构材料可能会释放到环境中（Sonnenkalb, 2010）。在Three Mile Island、Chernobyl和Fukushima等超出设计基准的事故发生后，建议采用受控排放和洗涤作为有效的缓解措施。这是通过安装一种称为过滤式安全壳排放系统（FCVS）的被动安全系统来实现的（Schlueter and Schmitz, 1990; Jacquemain et al., 2014）。当安全壳内的压力超过预定限值时，FCVS会被激活。它将一部分蒸汽-气体混合物从安全壳转移到FCVS罐中，在那里放射性物质被洗涤，清洁空气被排放到环境中（Ahad et al., 2021, 2023a, 2024）。

放射性碘是最重要且最危险的裂变产物之一，因为它对人类健康构成严重威胁，尤其是在严重事故后释放到环境中时可能导致甲状腺癌。因此，与其他裂变产物相比，优先去除碘。在严重事故后，当碘从反应堆堆芯释放到安全壳中时，安全壳内的气氛和水中会发生各种化学反应，因为碘具有很高的反应性，可以存在于8种氧化态（-1至+7）。碘的形态及其后续反应取决于多种操作参数，如碘浓度、氧化还原电位、pH值、温度、剂量率等，以及结构材料和其他裂变产物。放射性碘主要以三种形式释放：铯碘化物气溶胶、元素碘和有机碘化物。有机碘化物是通过碘分子或自由基与壁漆或有机自由基（电缆和油）在辐照下的反应形成的。这些有机碘化物具有很高的挥发性，可以通过辐射分解和水解等过程分解为分子碘、碘氧化物、碘化物或自由基。在有机碘化物中，甲基碘的挥发性最强，使用洗涤器去除它比去除其他形式的碘更具挑战性（Guentay et al., 2007; Funke et al., 1999; Clément et al., 2007; Clough et al., 1987; Beahm et al., 1992）。

洗涤器是FCVS的基本组成部分，用于从排放气体中去除放射性污染物。已经使用了各种类型的湿式洗涤器，如文丘里洗涤器（Zhou et al., 2015）、喷嘴（Kanai et al., 2015）和喷淋器（Ahad et al., 2021）来去除不同形式的碘。在湿式洗涤器中，文丘里洗涤器因其高效性和高滞留能力而被最广泛使用。先前的研究探讨了操作参数对湿式洗涤器去除元素碘和气溶胶效率的影响。Ali等人研究了静水头、气体流量和浓度等参数对文丘里洗涤器中灰尘颗粒去除效率的影响，发现这些参数的增加对去除效率有积极影响，最大去除效率超过99.9%（Ali et al., 2013a）。Ali等人研究了文丘里洗涤器中气溶胶的去除。研究表明，当液体高度超过42.4 m/s的气体速度时，去除效率提高。相反，当气体速度低于42.4 m/s时，液体高度的增加会导致去除效率下降，最大去除效率为87.5%。在较低的速度下，液滴大小没有显著变化，但在较高速度下，液滴大小减小，从而增加了传质效率（Ali et al., 2020）。Ali等人研究了使用非浸没式和浸没式文丘里洗涤器去除碘的效果，发现增加气体流量、液体高度和浓度可以提高去除效率。浸没式文丘里洗涤器的去除效率高于非浸没式，最大去除效率超过99%（Ali et al., 2013b）。Ahad等人通过加入气体滞留量和气泡上升速度等参数改进了Ali等人的传质模型。测量气体滞留量和气泡直径等参数也为理解元素碘的洗涤现象提供了有益的见解（Ahad et al., 2023b, 2023c）。Wen等人对气泡柱中甲基碘去除的研究探讨了各种操作参数对去除效率的影响，最大去污因子（DF）为4.5，与其他形式的碘相比较低。由于忽略了蒸发过程，本研究中提出的理论模型在过冷区域预测结果偏高（Wen et al., 2017）。

甲基碘去污因子较低的一个主要原因是其在水溶液中的溶解度低，且在有机相附近的浓度较低。单独添加硫代硫酸钠无法有效去除甲基碘，因为它们仍局限于水相，导致传质受限。引入相转移催化剂对于提高甲基碘在硫代硫酸钠中的溶解度和反应非常重要。相转移催化剂是一种能够促进不同不相溶液相之间反应的物质，帮助一种反应物进入另一相。季铵盐常用于将离子跨相传递，从而提高产率。它与反应物离子形成离子对，使其在有机相中可溶。它将反应物带入有机层，在那里与有机底物迅速发生反应。然后催化剂返回水相，捕获另一个反应物离子，完成催化循环。因此，需要相转移催化剂来加速甲基碘与硫代硫酸钠和氢氧化钠的化学反应。

虽然已经进行了大量关于去除气溶胶和元素碘的研究，并取得了高去除效率，但相对较少的研究关注使用湿式洗涤器去除甲基碘。现有研究表明，这类系统中甲基碘的去除效率较低，这凸显了进一步研究的迫切需求。在这项研究中，我们系统地探讨了关键操作参数（包括气体流量、液体高度、气体滞留量、表观气体速度和化学添加剂的使用）对甲基碘去除的影响。尽管已经开发了基于双膜理论的多种传质模型用于碘和气溶胶的去除，但这些模型通常忽略了化学添加剂对传质增强的贡献。为了解决这一不足，我们提出了一个改进的传质模型，其中考虑了水、氢氧化钠、硫代硫酸钠和名为Aliquat-336的相转移催化剂的影响。这一进展提供了对甲基碘去除机制的更全面理解，并为优化核安全应用中的洗涤器设计和操作提供了有价值的见解。

材料与方法

在图1a所示的FCVS实验室规模设置中研究了文丘里洗涤器中甲基碘的去除。为了模拟严重事故的高压条件，使用了空气压缩机。来自压缩机的压缩空气经过除湿器去除水分，然后通过流量计调节空气流量，并通过空气加热器保持整个系统的温度高于甲基碘的沸点，以保持其气态

文丘里洗涤器中的传质

Gamisan等人（Gamisans et al., 2004）基于双膜理论开发了一个文丘里洗涤器的传质模型。该模型后来被Ali等人（2013b）和Ahmad等人（Ahmed et al., 2020）改进，用于研究碘的去除。Ahad等人（2023b, 2022, 2023e）通过加入气体滞留量、气泡上升速度和穿透长度等参数进一步修改了该模型，以研究碘的去除

结果与讨论

关于甲基碘去除的实验结果将在后续部分讨论。

结论

通过在文丘里洗涤器中改变不同参数进行了甲基碘的实验研究。从这项研究中得出了一些重要结论。操作参数如液体高度、气体流量和气体滞留量对甲基碘的去除有积极影响。比较了不同添加剂的效果。结果显示，仅使用水作为洗涤剂时，20分钟后达到饱和。然而，最大去除效率为84%

CRediT作者贡献声明

Jawaria Ahad：撰写——初稿，数据整理，概念化。Masroor Ahmad：可视化，概念化。Amjad Farooq：监督。Khalid Waheed：撰写——审阅与编辑。Shafiq-ur Rehman：项目管理。Naseem Irfan：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。