Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов
Рассматривается подход к созданию инструмента анализа и расчета сорбционных процессов очистки сложных растворов радиоактивно загрязненных вод (РЗВ) на основе формализации механизма кинетики гетерогенного катализа для уровня малого объема. Это первая работа из серии, посвященной разработке высокотехн...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7433 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов / И.А. Агеева, О.Б. Андронов, А.А. Ключников // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. — 2009. — Вип. 11. — С. 84–92. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859953242187759616 |
|---|---|
| author | Агеева, И.А. Андронов, О.Б. Ключников, А.А. |
| author_facet | Агеева, И.А. Андронов, О.Б. Ключников, А.А. |
| citation_txt | Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов / И.А. Агеева, О.Б. Андронов, А.А. Ключников // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. — 2009. — Вип. 11. — С. 84–92. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Рассматривается подход к созданию инструмента анализа и расчета сорбционных процессов очистки сложных растворов радиоактивно загрязненных вод (РЗВ) на основе формализации механизма кинетики гетерогенного катализа для уровня малого объема. Это первая работа из серии, посвященной разработке высокотехнологичных систем обращения с РЗВ и, в частности, с жидкими радиоактивными отходами.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:18:10Z |
| format | Article |
| fulltext |
84 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 11 2009
УДК 621.039.73:66.067.2
ФОРМАЛЬНАЯ КИНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИЗА
И ДИНАМИКА СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ СЛОЖНЫХ РАСТВОРОВ
И. А. Агеева, О. Б. Андронов, А. А. Ключников
Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, Чернобыль
Рассматривается подход к созданию инструмента анализа и расчета сорбционных процессов
очистки сложных растворов радиоактивно загрязненных вод (РЗВ) на основе формализации меха-
низма кинетики гетерогенного катализа для уровня малого объема. Это первая работа из серии, по-
священной разработке высокотехнологичных систем обращения с РЗВ и, в частности, с жидкими ра-
диоактивными отходами.
Введение
Проблема обращения с РАО в атомной энергетике Украины – национальная пробле-
ма. Ее комплексное решение выходит за рамки отрасли [1]. Однако отраслевой уровень по-
зволяет решить ряд важных задач, направленных на минимизацию отходов, среди которых
превалируют продукты переработки радиоактивно загрязненных вод (РЗВ).
Высокая динамика производства и накопления объемов этих продуктов обусловлена,
главным образом, большими масштабами упаривания, применяемого в системе обращения с
жидкими радиоактивными отходами (ЖРО). Для изменения этого положения необходима
альтернатива термоконцентрированию, способная сыграть ключевую роль в совершенство-
вании концепции сбора, очистки и утилизации жидких отходов с целью существенного сни-
жения показателя отношения производимого объема утилизированного продукта к единице
энерговыработки АЭС. Такая альтернатива принципиально известна. Это селективная сорб-
ция.
Стабильный и активный интерес к сорбционным технологиям обращения с РЗВ (и, в
частности, с ЖРО АЭС) привел к появлению целого ряда селективных сорбентов, обладаю-
щих необходимыми для решения задачи характеристиками. Особое место занимает большая
группа дешевых порошковых (и, как правило, низкопрочных) сорбентов на основе природ-
ных минералов (например, цеолитов). Среди них широко представлены сорбенты отечест-
венного производства [2, 3].
Слабые темпы развития паудекс-технологии и, в целом, технических средств очистки
техногенных вод на действующих отечественных АЭС в настоящее время не позволяют ес-
тественным способом адаптировать сорбенты нового поколения к условиям работы на мо-
рально устаревшем оборудовании. Искусственная же адаптация сорбционных материалов
существенно нивелирует их преимущества.
Итак, вопрос минимизации РАО – это в существенной мере вопрос разработки и вне-
дрения современных высокотехнологичных систем сорбционной очистки и изменения дей-
ствующей отечественной концепции обращения с ЖРО.
Технический подход к решению практических инженерных задач в данном направле-
нии должен основываться на результатах аналитического рассмотрения комплекса вопросов,
которые тематически можно формулировать так: формальная кинетика гетерогенного ката-
лиза и динамика сорбционной очистки сложных растворов; динамика сорбции и гидродина-
мика процесса очистки РЗВ в различных режимных условиях; начальное и оперативное тес-
тирование сорбентов, задача и технология реализации; оптимизация самодостаточных тех-
нологий очистки и утилизации жидких отходов по ключевым параметрам; основы гибкой
технологии в сфере обращения с РЗВ различного происхождения; сорбционно-термическая
технология очистки ЖРО и ее применение; о создании высокотехнологичной системы сорб-
ционной очистки ЖРО; разработкеа инструмента комплексных расчетов высокоэффектив-
ных сорбционных систем, отвечающих требованиям высоких технологий; изменение кон-
цепции обращения с ЖРО на отечественных АЭС; направления и задачи специальных и при-
ФОРМАЛЬНАЯ КИНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИЗА
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 11 2009 85
кладных исследований в сфере сорбционных технологий обращения с ЖРО на отечествен-
ных объектах ядерной энергетики.
В настоящей статье представлена в кратком изложении первая из перечисленных вы-
ше тем.
Кинетика сорбции
Сорбция – понятие широкое (адсорбция, адгезия, сокристаллизация и т.д.). В целом
это гетерогенный катализ, т.е. катализ на твердом катализаторе.
В плане рассматриваемой задачи интерес представляют кинетические закономерно-
сти, которые могут контролироваться как законами собственно химической кинетики, так и
закономерностями массопереноса и законами адсорбции.
Для выхода на практический инструмент расчетов требуется формализация гетеро-
генно-каталитического процесса, когда его закономерности можно представить формально
простыми лимитирующими стадиями. В этом случае объектом анализа является не механизм
процесса, а его результат.
Воспользуемся иерархической структурой известной математической модели описа-
ния химико-технологических процессов (М. Г. Слинько) [4] и выберем для рассмотрения:
уровень малого объема (процесс на одном зерне катализатора); уровень аппарата (движение
потока в слое гетерогенного катализатора).
Очевидно, что эффективность технологии очистки изначально обеспечивается точно-
стью подбора катализатора для данного реагирующего вещества, а это связано с предвидени-
ем его каталитической активности.
Хотя природа каталитического действия в основных чертах ясна, общая и строгая
теория предвидения каталитической активности пока не может быть создана [4].
Если предположить, что скорость гетерогенного процесса лимитируется диффузией и
подчиняется уравнению реакций первого порядка, получим выражение
kte−−= 1η , (1)
где η - степень выработки сорбционной емкости;
C
Co
t
k ln
1= [
ч
1 ] – константа скорости хи-
мической реакции, где Со и С – начальная и текущая концентрация реагирующего вещества
в растворе. Очевидно, С = Сое -kt , t - время процесса.
В адсорбционной области для модели идеального адсорбированного слоя справедлива
изотерма Лэнгмюра во временных координатах
bt
bt
+
=
1
η , (2)
где
t
b
1=
η
η
−1
[
ч
1 ] – сорбционный коэффициент;
k
1 и
b
1 - средняя продолжительность жиз-
ни отдельной частицы реагирующего вещества.
Эксперимент показал, что уравнения (1) и (2) одинаково и с достаточной для практики
точностью применимы для описания процесса очистки, когда принимается среднее значение
коэффициентов k и b.
Важной аттестационной характеристикой катализатора (в дальнейшем – сорбента) яв-
ляется его относительная сорбционная емкость (ε ).
∞ε [моль/г; мг/г; мг⋅экв/г; Бк/г] – полная относительная сорбционная емкость.
Степень выработки сорбционной емкости выражается отношением
∞
=
ε
εη .
Далее из приведенных уравнений (1) и (2) будем рассматривать только изотерму Лэн-
гмюра (2). Степень выработки сорбционной емкости эквивалентна доле поверхности адсор-
бента (катализатора), занятой адсорбированным веществом.
И. А. АГЕЕВА, О. Б. АНДРОНОВ, А. А. КЛЮЧНИКОВ
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 11 2009 86
Следует отметить, что поверхность адсорбента относится к фрактальным структурам
и не подчиняется эвклидовой геометрии. При рассмотрении гетерогенного катализа на по-
ристых катализаторах фрактальные свойства поверхности пористого твердого тела необхо-
димо учитывать.
Поскольку мы рассматриваем не механизм, а результат конкретного процесса, то за
основу берем зависимость концентрации адсорбата (реагирующего вещества) в растворе от
времени сорбции (С(t)) при известном соотношении вода/сорбент (V/mc). Такая зависимость
устанавливается экспериментально и графически выражается кинетическими кривыми
(рис. 1). Полная сорбционная емкость
cm
V
Co=∞ε ·
cm
V - (1) <
cm
V (2) <
cm
V . (3)
Исходя из кинетических кривых для данно-
го сорбента и реагирующего вещества (рис.1) рас-
считывается среднее значение сорбционного ко-
эффициента (
−
b (t)) b =
t
1
CдCi
CiCo
−
−
, где Сдоп – до-
пустимая нормативами концентрация реагирующе-
го вещества. Это уравнение уравнение зависимости
b от времени процесса.
−
b =
12
2
1
)(
tt
dttb
t
t
−
∫
(3) – среднее значение сорбцион-
ного коэффициента во временном интервале t2 – t1.
Интеграл можно рассчитать графически.
Рис. 1. Кинетические кривые зависимости C(t).
Изотерма Лэнгмюра – экспонента. Отметим ее характерные области (рис. 2).
Область 1 (участок ОА) – область Генри, характерная тем, что степень заполнения ад-
сорбирующей поверхности мала и пропорциональна концентрации вещества в растворе, т.е.
η ≈ bt.
Область 2 (участок ВВ∞) характерна тем, что 1 + bt ≈ bt. Это означает, что все актив-
ные центры на поверхности твердого тела заполнены адсорбированным веществом и увели-
чение концентрации адсорбата в растворе не влияет на его количество, адсорбированное на
поверхности твердого тела. Для обеспечения продуктивной работы сорбционной системы
следует выбирать участок ОВ, как наиболее активный.
η
2 ∞B
1 B
maxη ∞t
A
1
pt t
0
Рис. 2. Изотерма адсорбции.
i
t
1
С
Co
ФОРМАЛЬНАЯ КИНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИЗА
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 11 2009 87
Поскольку, как отмечалось, сорбция понятие широкое, то формально изотерма, по-
строенная по результатам эксперимента, является изотермой или кривой сорбции, а адсорб-
ционный коэффициент b формально следует считать сорбционным коэффициентом.
Практика показывает, что оптимальная степень выработки сорбционной емкости
ηmax = (0,8 ÷ 0,9). Большей выработки добиваться нецелесообразно, это эксплуатационно
трудно и экономически не выгодно. Из уравнения (2) следует
bt =
η
η
−1
; btp =
max
max
1 η
η
−
= A; bmin =
pt
A
.
На основании уравнения (3)
b =
12
2
1
)(
tt
dttb
t
t
−
∫
=
1
2
2112
2
1 ln
t
t
tt
A
tt
dt
t
At
t p
−
=
−
∫
. (4)
При исчислении времени в часах и для обеспечения достаточной для практики точно-
сти результата расчета можно принять t1 = 0,1 ч, а ηmax = 0,9.
Тогда
−
b = b = 2
2
10ln
1,0
9
t
t
⋅⋅
−
или
b =
110
90
−pt
(2,3 + lnt2). (5)
Время t2 = tp снимается с экспериментальной кривой сорбции (изотермы сорбции).
Относительная выработка сорбционной емкости и количество ассоциированных на
твердой поверхности молей вещества (α) соотношением
οα
α
ε
εη ==
max
, где εmax – емкость,
вырабатываемая за время рабочего цикла tp; α0 – максимальное количество адсорбированных
молей вещества при степени заполнения поверхности сорбента η = 1.
Если производится очистка раствора от смеси реагирующих веществ, то степень ассо-
циирования сорбентом i-го вещества ηi =
∑ ⋅+
⋅
k
i
i
tb
tb
1
, где сумма берется по всем К компонен-
там растворной смеси.
Отношение
∑
k
i
i
b
b - это дифференциальная селективность сорбента (Sel)
ηi =
Seltbi
11
1
+
⋅
, при t→∞ ηi = Sel. (6)
Селективность сорбента определяется опытным путем. На ее основе формируется
композиционный состав для очистки поликомпонентного раствора. Для наглядности сравне-
ния селективных свойств сорбентов удобно пользоваться диаграммами селективности. В ка-
честве примера в таблице и на рис. 3 представлен фрагмент результатов исследований кине-
тических характеристик неорганических сорбентов, проведенных в ИПБ АЭС (обозначения
сорбентов согласно программе исследований). Данные получены на исходном натурном
подготовленном растворе (пробы из объекта «Укрытие») при соотношении раствор/сорбент
100 : 1.
Состав и характеристика раствора: Ccs = 4,59⋅Е7Бк/дм3; Csr = 1,8⋅Е7Бк/дм3; C ∑U =
= 30 мг/дм3; С∑рu = 1,31⋅Е3 Бк/дм3; Cсоли = 30 г/дм3; рН (3 - 5).
И. А. АГЕЕВА, О. Б. АНДРОНОВ, А. А. КЛЮЧНИКОВ
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 11 2009 88
Фрагмент результатов определения селективности сорбентов
(промотированных катализаторов)
№ сорбента
Компоненты раствора
А В С Д Е
Cs(134,137) Sr -90 ∑U ∑Pu C
12 b 0,024 1,60 0,16 0,026 0,009
Sel 0,0132 0,88 0,088 0,0142 0,005
20 b 0,333 2,00 0,115 0,097 0,01
Sel 0,130 0,78 0,045 0,038 0,004
25 b 41,58 8,25 0,065 0,106 0,014
Sel 0,83 0,165 0,0013 0,002 0,0003
28 b 0,101 0,313 0,060 2,00 0,02
Sel 0,04 0,125 0,024 0,80 0,008
Динамика сорбции
При реализации сорбции в статических условиях εст = (Со – С(t))
m
V
переменной являет-
ся С(t) при
m
V = const.
В динамических условиях сорбции (сорбент в статическом положении) εдин = (Со –
– Сдоп)
m
V t )( переменной является V(t) при
m
CC deno − = const. Для условия εст = εдин =ε
bt
bt
CC
CCV
допo
to
V +
⋅
−
−
===
1
)(
maxmax
max ε
εη . (7)
Обозначим переменную С(t) = Ci. В динамическом процессе сорбции Ci = Cдоп. Исходя
из уравнения (7)
V = Vmax .
11
max
bt
bt
CC
m
bt
bt
допo +
⋅
−
=
+
ε
(8)
Представим уравнение (8) в ином виде )1
1
)((
maxmax
−−=
bt
CC
v
m допo
εε
, где обозначим
E
V
m = - расход сорбента на единицу очищенной воды; R
Co
=maxε
- ресурс сорбента при очи-
стке конкретного раствора; N
Cдоп =
maxε
- относительный показатель предела очистки.
Е = )1
1
)(
1
( −−
bt
N
R
. (9)
Из уравнения (9) следует, что расход сорбента на очистку единицы объема раствора
тем ниже, чем выше ресурс сорбента и показатель предела очистки.
Динамика сорбции определяется допустимой объемной скоростью очистки, которая
равна первой производной объема очищенной воды по времени процесса. Дифференцируя
уравнение (8), получим
ФОРМАЛЬНАЯ КИНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИЗА
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 11 2009 89
θ = 2max )1( bt
b
VV
dt
dV
+
==
•
. (10)
Как явствует из уравнения (10), скорость очистки величина переменная, т.е. расход
воды через сорбер устанавливается согласно приведенному выражению.
Алгоритм регулирования объемной скорости очистки можно задать динамикой ее из-
менения (вторая производная V по t).
αθ = 3
2
max )1(
2
bt
b
VV
dt
d
+
−== ••θ
. (11)
Уравнения (10) и (11) необходимо использовать в инженерных расчетах системы ав-
томатического регулирования процесса.
В практике обращения с РЗВ до настоящего времени на отечественных АЭС применя-
ется режим очистки с постоянной объемной скоростью, которая может быть выражена
b
t
b
t
V
p
pp t
V
+
⋅=== 1
max
)(θ . (12)
где tp – величина постоянная.
Столь непродуктивный способ может быть оправдан только простотой его реализа-
ции, однако сферу его практического применения следует ограничить системами очистки
РЗВ в петлевых технологических циклах, таких как первый контур (СВО-1), контур очистки
воды в БВ ОЯТ (СВО-4 ВВЭР или СВО-2 РБМК).
Преимущество переменного режима в его более высокой эффективности и произво-
дительности, его место – в системе обращения с ЖРО. На его основе возможно создание вы-
сокотехнологичных сорбционных систем с завершенным циклом переработки жидких отхо-
дов.
Качественное сравнение режимов приведено на графиках характеристик сорбционно-
очистного процесса (рис. 4). Здесь постоянный режим квалифицируется как стационарный
(СР), а переменный как нестационарный (НР).
Из рис. 4, а следует, что за время рабочего процесса tα в нестационарном режиме бу-
дет очищено воды dtV
pt
tAP ∫=
0
)(θ , что графически соответствует площади Оα’αС. За это же
время в стационарном режиме при скорости θ (=), обеспечивающей в течение tp непревыше-
ния допустимой концентрации реагирующего вещества в очищенной воде (С ≤ Сдоп), будет
очищено Vcp = θ(=)tp раствора, что соответствует площади Оα’αС’. Очевидно – S(Оα’αС)>
>S(Оα’αС’) и соответственно VHP > VCP.
Время tα - это время процесса очистки в стационарном режиме, в течение которого не
превышается Сдоп в очищенной воде.
При t < tα Ci < Cдоп; при t = tα Ci = Cдоп; при t > tα Ci > Cдоп.
Одинаковое количество очищенной воды будет за время процесса tp, когда согласно
графику функции θ (t) S(Ob’’b’C’) = S(Ob’’bC). Для выполнения условия Ci ≤ Cдоп необходи-
мо смешать воду, очищенную за время tp. В нестационарном режиме такая операция не тре-
буется.
На рис. 4, б показано изменения концентрации регулирующего вещества в очищенном
растворе в зависимости от времени. Координаты характерной точки (α) соответствуют оди-
наковой концентрации Ci = Cдоп и времени ее достижения при объемной скорости очистки
θср. График в демонстрирует сравнительную динамику очистки в нестационарном режиме и в
стационарном режиме при различных значениях θср.(θср1> θср2 > θср3). Количество очищен-
И. А. АГЕЕВА, О. Б. АНДРОНОВ, А. А. КЛЮЧНИКОВ
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 11 2009 90
ной воды V = ηVmax будет, соответственно, получено за время tp1; tp2; tp3. Характерные точки
(1 - α); (2 - α); (3 - α). При скорости θср1 через период времени tα1 и до окончания процесса tp1
будет превышение допустимой концентрации Ci > Cдоп. При скорости θср2 tα2 = tр2 концентра-
ция в конце процесса Ci = Cдоп. При скорости θср3 на протяжении всего процесса Ci < Cдоп.
θ oC
bV ⋅= maxmaxθ iC 'b
C
CP HP b
HP α
cpθ 'C α CP
'b
b ''b t
а1 b
0 ta tp ta tp
a б
V
maxVV =
α−3
maxVV η= α−2 b−3
1V α−1
HP
1
2 3
2αt 3αt 3pt t
0 1αt 1pt 2pt maxt
в
Рис. 4. Графическое сравнение режимов сорбционной очистки:
а - графики θ (t); б - графики C(t); в - графики V(t).
Скоростной режим 3 отличается низкой динамикой и для практики обращения с РЗВ
не представляет интереса. Скоростной режим 2 является оптимальным, когда качество и
время очистки СР и НР одинаковы, однако добиться его поддержания практически сложно.
Поэтому есть основания утверждать, что наилучшим решением при очистке РЗВ (в частно-
сти, ЖРО) в разомкнутых циклах является реализация нестационарного режима.
Динамика селективной сорбции и композиционный состав сорбентов
На основании уравнения (6) можно записать
Vi =∑
+k
iit
Sel
Vi
b
11
1 . (13)
ФОРМАЛЬНАЯ КИНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИЗА
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 11 2009 91
Это объем очищенной воды по i-му компоненту в любой момент времени.
Тогда согласно уравнениям (10) и (11) объемная скорость очистки и темп ее измене-
ния будут соответственно
∑
+
==
k
i
i
i
i
i
i
t
Sel
b
b
V
dt
dV
2)1(
θ . (14)
3
2
)1(
2
t
Sel
b
b
Sel
V
dt
d
i
i
i
i
k
i
i
+
−=
∑θ . (15)
При составлении массовой композиции сорбентов для очистки сложного раствора ру-
ководствуемся условиями:
объем очищенной воды по каждому компоненту раствора должен быть одинаковым:
V1 = V2 = V3 =…Vi = const;
объемная скорость очистки или время очистки по каждому компоненту раствора
должны быть одинаковыми: θ1= θ2 = θ3 =… θi = const t1 = t2 = t3 = … ti = const.
Предположим, что в растворе находится пять компонентов (реагирующих веществ А,
В, С, Д, Е), от четырех из которых (А, В, С, Д) его необходимо очистить. Подбираем четыре
сорбента (1, 2, 3 и 4) по принципу наивысшей избирательности (селективности) по отноше-
нию к одному из компонентов. Тогда справедливо равенство
=
−
+
−
+
−
+
−
)( 1111
11 D
dop
D
o
D
C
dop
C
o
C
B
dop
B
o
B
A
dop
A
o
A
CC
Sel
CC
Sel
CC
Sel
CC
Sel
mε
= =
−
+
−
+
−
+
−
)( 2222
22 D
dop
D
o
D
C
dop
C
o
C
B
dop
B
o
B
A
dop
A
o
A
CC
Sel
CC
Sel
CC
Sel
CC
Sel
mε
= =
−
+
−
+
−
+
−
)( 3333
33 D
dop
D
o
D
C
dop
C
o
C
B
dop
B
o
B
A
dop
A
o
A
CC
Sel
CC
Sel
CC
Sel
CC
Sel
mε
= )( 4444
44 D
dop
D
o
D
C
dop
C
o
C
B
dop
B
o
B
A
dop
A
o
A
CC
Sel
CC
Sel
CC
Sel
CC
Sel
m
−
+
−
+
−
+
−
ε . (16)
Из равенства (16) определяются соотношения
4
3
3
2
2
1 ;;
m
m
m
m
m
m
т.е. формируется компо-
зиционный состав.
Сорбционная система динамической очистки может быть разработана под фильтра-
ционную очистку, когда сорбент (катализатор) находится в статическом положении. Тогда
можно использовать сорбенты как в смешанной, так в раздельной загрузках.
Если сорбционная система строится под циркуляционный (более прогрессивный) ре-
жим очистки, когда сорбент движется совместно с очищаемым раствором, то следует ис-
пользовать только композиционную смесь. В настоящей работе данные вопросы не рассмат-
риваются.
При разработке инструмента инженерных расчетов для начальной количественной
оценки соотношений масс сорбентов в композиционном составе можно принять следующие
предложения, упрощающие равенство (16):
сорбционные емкости используемых сорбентов одинаковы (моль/г; мг⋅экв./г) ε1 ≅ ε2 ≅
≅ ε3 ≅ ε4;
И. А. АГЕЕВА, О. Б. АНДРОНОВ, А. А. КЛЮЧНИКОВ
________________________________________________________________________________________________________________________
ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 11 2009 92
оценка сорбентов при выборе производится только по наивысшей селективности по
отношению к одному из компонентов раствора (А, В, С или Д);
производится полная очистка (Сдоп = 0).
Допустим, максимальная селективность:
по компоненту А у сорбента 1 - Selmax
A = Sel1
A;
то же по компоненту В у сорбента 2 - Selmax
В = Sel2
В;
то же по компоненту С у сорбента 3 - Selmax
С = Sel3
С;
то же по компоненту Д у сорбента 4 - Selmax
Д = Sel4
Д.
Тогда на основе равенства (16) получим
B
o
A
A
o
B
CSel
CSel
m
m
⋅
⋅
=
1
2
2
1 ;
C
o
B
B
o
C
CSel
CSel
m
m
⋅
⋅
=
2
3
3
2 ;
D
o
C
o
C
D
C
C
Sel
Sel
m
m
⋅=
3
4
4
3 . (17)
Для примера обратимся к вышеприведенной таблице и выберем: для Cs – SelCs
25 =
= 0,83; для Sr – SelSr
12 = 0,88; для U – SelVu
20 = 0,045; для Pu – SelPu
28 = 0,80.
Поставим задачу очистить раствор от стронция, цезия и плутония, пользуясь данными
таблицы:
Sr
Cs
Cs
Sr
CSel
CSel
m
m
⋅
⋅
=
25
12
12
25 ;
Pu
Sr
Cs
Pu
CSel
CSel
m
m
⋅
⋅
=
12
28
28
12 .
Получим следующее:
для очистки исходного раствора от цезия необходимо взять 27 частей сорбента 25;
для очистки от стронция – 10 частей сорбента 12;
для очистки от плутония – 8⋅10-4 частей сорбента 28.
Это начальная оценка пропорций сорбентов в композиционном составе для очистки
конкретного поликомпонентного раствора.
Заключение
Закономерности кинетики сорбции задают динамику очистки и гидродинамику сорб-
ционного процесса в целом. Гидродинамика системы, в свою очередь, определяет конструк-
тивные требования к техническим средствам и требования к физико-механическим свойст-
вам сорбционного материала.
Формализация кинетики гетерогенного катализа позволяет создать простой и надеж-
ный инструмент аналитической оценки сложного сорбционно-гидромеханического процесса,
а также разработать необходимый инструмент конструктивных и инженерных расчетов сис-
тем сорбционной очистки целевого назначения, обладающий достаточной для практики точ-
ностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильченко Н.В., Носовский А.В., Павленко А.А. Обращение с радиоактивными отходами в Ук-
раине // Ядерная и радиационная безопасность. - 2006. - № 2. - С. 5 - 7.
2. Звіт про НДР за темою "Вивчення фізико-хімічних властивостей адсорбційних матеріалів і ста-
білізуючих полімерних покриттів палавовмісних мас об'єкта “Укриття”/ ІФКС НАН України. -
№ ГР 0101U002058. - Львів, 2001.
3. Андронов О.Б., Стрихарь О.Л. Очистка жидких радиоактивных отходов. Обзор методов и техно-
логий. – Чернобыль, 2001. – 51 с. - (Препр. / НАН Украины. МНТЦ «Укрытие»; 01-2).
4. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. - М.: Высш. шк., 2001. - 527 с.
Поступила в редакцию 22.10.08
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7433 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1813-3584 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:18:10Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Агеева, И.А. Андронов, О.Б. Ключников, А.А. 2010-03-30T10:11:26Z 2010-03-30T10:11:26Z 2009 Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов / И.А. Агеева, О.Б. Андронов, А.А. Ключников // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. — 2009. — Вип. 11. — С. 84–92. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1813-3584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7433 621.039.73:66.067.2 Рассматривается подход к созданию инструмента анализа и расчета сорбционных процессов очистки сложных растворов радиоактивно загрязненных вод (РЗВ) на основе формализации механизма кинетики гетерогенного катализа для уровня малого объема. Это первая работа из серии, посвященной разработке высокотехнологичных систем обращения с РЗВ и, в частности, с жидкими радиоактивными отходами. ru Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України Проблеми Чорнобиля Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов Article published earlier |
| spellingShingle | Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов Агеева, И.А. Андронов, О.Б. Ключников, А.А. Проблеми Чорнобиля |
| title | Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов |
| title_full | Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов |
| title_fullStr | Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов |
| title_full_unstemmed | Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов |
| title_short | Формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов |
| title_sort | формальная кинетика гетерогенного катализа и динамика сорбционной очистки сложных растворов |
| topic | Проблеми Чорнобиля |
| topic_facet | Проблеми Чорнобиля |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7433 |
| work_keys_str_mv | AT ageevaia formalʹnaâkinetikageterogennogokatalizaidinamikasorbcionnoiočistkisložnyhrastvorov AT andronovob formalʹnaâkinetikageterogennogokatalizaidinamikasorbcionnoiočistkisložnyhrastvorov AT klûčnikovaa formalʹnaâkinetikageterogennogokatalizaidinamikasorbcionnoiočistkisložnyhrastvorov |