در دمای حدود800 درجه سانتی گراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر صورت میگیرد. پارامترهای مهم تعیین کننده ی کیفیت محصول عبارتند از :
1- نرخ حرارت دادن
2- دمای نهایی
3- مدت زمان خیساندن
ساختار ریز منافذ کربن در دمای حدود 500 درجه سانتی گراد شکل میگیرد. بعضی از این منافذ به وسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرایند پیرولیز مسدود می شود که میتوان با حرارات دادن دوباره در 800 درجه سانتی گراد دوباره این منافذ را ایجاد کرد. افزایش دما تا1000 درجه سانتی گراد و بیش از آن باعث سخت شدن ساختار کربن و کاهش درجه تخلخل می شود.
فعال سازی
کربن ها را با توجه به آرایش یافتگی بلورهای آن به صورت گرافیتی یا غیر گرافیتی تعریف کرده اند. کربن های گرافیتی دارای بلورهایی با سه بعد یکسان می باشند در صورتی که در کربن های غیر گرافیتی اینگونه نمی باشد. در حین کربونیزاسیون سه فضای خالی در کربن ایجاد می شود که در حین پروسه توسط کربن های غیر آرایش یافته آمورف مسدود می شوند. محصولات مرحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب خیلی کمی می باشند که دلیل آن احتمالا به دلیل کربونیزاسیون در دمای پایین و و وجود مواد قیری باقیمانده در منفذ بین بلورها و روی سطح می باشد. بعضی از محصولات کربونیزه شده را می توان با خارج ساختن مواد قیری به وسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالص سازی به کمک حلال و یا واکنش های شیمیایی فعال کرد. عمل فعال سازی باعث بزرگ تر شدن قطر حفره هایی می شود که درحین فرایند کربونیزاسیون ایجاد شده اند. همچنین باعث ایجاد یک سری حفره ریز نیز خواهد شد و بدین گونه می توان به یک ساختار حفره ای با مساحت داخلی بالا دست پیدا کرد. پدیده فعال سازی به دو روش انجام می شود:
الف: فعال سازی شیمیایی: در این روش ابتدا ماده خام با یک محلول غلیظ از مواد فعال کننده اشباع می شود و با این عمل مواد سلولزی از بین می روند و تحت عملیات حرارتی در دمای بین 400 تا 600 درجه سانتی گراد قرار می گیرند. مواد پرولیز شده سرد می شوند و به منظور خارج ساختن مواد فعال کننده تحت عملیات شستشو قرار می گیرند. مواد فعال کننده عبارتند از اسید فسفریک، کلرید روی، اسید سولفوریک، یدید پتاسیم و. . . .
ب: فعال سازی فیزیکی: در این فرایند به کمک محصولات کربونیزه شده، ابعاد و ساختار مولکولی منافذ گسترش یافته و مساحت سطحی آنها افزایش می یابد. این عملیات در دمایی بین 800 الی 1000 درجه سانتی گراد با حضور مواد گازی اکسید کننده مناسب مانند دی اکسید کربن و هوا انجام می گیرد. برای تبدیل مواد کربونیزه شده به وسیله بخار و دی اکسید کربن از واکنش های زیر استفاده می شود:
(1-10) C + H2O → CO + H2 (29 kcal)
(1-11) C + CO2 → 2CO (39 kcal)
(1-12) CO + H2O → H2 (10 kcal)
مولکول آب کوچکتر از مولکول دی اکسید کربن است و در نتیجه سرعت نفوذ آن به داخل منافذ کربن بیشتر می باشد بنابراین سرعت واکنش با بخار بیشتر از سرعت واکنش با دی اکسید کربن است.
کربن های فعال پیشرفته
علاوه بر کاربرد های عمومی کربن های فعال، کربن های فعال پیشرفته ای با کنترل مخصوص بر روی ساختار منافذ در چند دهه اخیر برای کاربردهای خاص ایجاد شده اند.
غربال کننده های مولکولی کربنی (CMS) یک نوع ویژه از کربن فعال می باشند که دارای منفذ با اندازه کوچک و با یک محدوده توزیع کوچک در حد میکرو منافذ می باشند. این کربن ها برای جداسازی و جذب گاز و مایع در محیط هایی با غلظت خیلی کم مورد استفاده قرار می گیرند، مشابه جذب گاز اتیلن برای تازه نگه داشتن میوه و سبزیجات. اغلب کاربرد کربن های CMS در سیستم های جداسازی گاز می باشد. اندازه منفذ در کربن های CMS با اندازه مولکول های جذب شونده نیتروژن و هیدروژن قابل مقایسه می باشد. دمای جذب نیز سرعت جذب یک گاز را تحت تاثیر قرار می دهد. در دمای بالا سرعت جذب نیز بالاتر می باشند. کربن های CMS برای جداسازی نیتروژن و اکسیژن مورد استفاده قرار می گیرند.
نانو الیاف کربن فعال
تکنولوژی تولید نانو الیاف کربن فعال شده ترکیبی از تولید الیاف کربن به علاوه مراحل فعال سازی آن می باشد. تا هنگامی که خصوصیات مکانیکی بالا مورد نیاز نباشد ترجیح داده می شود که نانو الیاف کربن با ساختار آمورف تولید شود. فرایند تولید نانو الیاف کربن فعال شده شامل توسعه الیاف کربن آمورف در دمایی در حدود 1000 درجه سانتی گراد صورت می گیرد. در نانو الیاف کربن حاصل از قیر می توان بالاترین مساحت ویژه ای در حدود 250 متر مربع بر گرم و بیشترین حجم میکرو منافذ در حدود 61/1 میلی لیتر بر گرم را به دست آورد.
تعاريف ویژگی هاي فيزيكي كربن اكتيو
الف) سطح تماس يا Surface Area : سطح تماس عبارتست از كل سطح ذرات كربن كه جهت عمليات جذب با فاز سيال در تماس مي باشد. هرچه اين سطح بيشتر باشد، ميزان انتقال جرم و به تبع آن ظرفيت جذب بيشتر مي شود. هرچند علاوه بر سطح تماس، سايز و فرم خلل و فرج دانه هاي كربن نيز در اثرپذير بودن سطح جاذب موثر است. اين ویژگی با محاسبه ميزان جذب نيتروژن توسط كربن و گزارش آن به صورت مترمربع بر گرم كربن اندازه گيري مي شود. معمولاً كربن اكتيوها داراي سطح تماس مابين 500 تا m2/g 2000 هستند. استاندارد ASTM D3037 روش اندازه گيري اين ویژگی را با استفاده از جذب نيتروژن به روش BET كاملاً شرح داده است. دليل استفاده از نيتروژن سايز كوچك مولكول آن است كه اجازه مي دهد وارد دانه هاي كربن به خلل و فرج ميكروپور گردد.
ب) حجم سوراخ ها (Pore Volume) : حجم سوراخ ها مشخصة كل حجم سوراخ هاي يك دانة كربن اكتيو است به ازاء واحد جرم كربن (cm3/g).
ج) عدد يدي (Iodine Number) : عدد يدي به ميزان جذب محلول 02/0 نرمال يد روي كربن اكتيو مرتبط است. بر طبق استاندارد ASTM D4607. عدد يدي اندازه گيري درصد حجمي خلل و فرج با قطر 10 تا oA 28 است. كربن اكتيوهائي كه داراي درصد بالاي سوراخ هاي oA 10 تا oA 28 هستند براي جذب مولكولهاي با وزن مولكولي پايين تر مناسب تر است و كربن اكتيوهاي با عدد يدي بالا براي جذب فاز بخار مناسب تر است. براي جذب در فاز مايع بايد از كربن اكتيوهائي استفاده شود كه داراي عدد يدي 800 تا 1000 است.
د) عدد سايش Abrasion Number : عدد سايش معيار مقاومت دانه هاي گرانولي كربن اكتيو در برابر سايش است. عدد سايش عبارتست از نسبت قطر متوسط ذره گرانولي در حالت نهائي به قطر متوسط اوليه. مقدار مناسب اين ویژگی براي كربن اكتيوهاي گرانولي عدد 70% است.
فلورید سدیم
سازوکار تله گذاری فلورید سدیم شامل واکنش با هگزارفلوراید سدیم می باشد که با تشکیل کمپلکس جامد می شود. این واکنش با گرما کمپلکس تا دمای 650 فارنهایت می تواند برگردد. در نتیجه تله فلورید سدیم می تواند در جای خود احیاء شود و احیاء کل اورانیوم به طور مجازی امکان پذیر است.
فلورید سدیم به صورت استوانه های دایره ای قائم 8/1 اینچ موجود است و چگالی حجمی ظاهری آن 65lb/ft می باشد.
فلورید سدیم به صورت دو فلوریدی(NaF.HF) خریداری می شود و بایستی در معرض گرمایش قرار گیرد تا HF آن از بین برود زیرا جاذب دو فلوریدی ذاتاٌ ظرفیتی برای ندارد.
در ضمیمه 1 نتایج آزمایش BET و XRD بر روی جاذب فلورید سدیم گزارش شده و اثبات شده که قطر حفرات این جاذب در حدود 9 نانومتر است.
بخش سوم: بررسی جاذب هاي مورد استفاده در صنایع غنی سازي
به منظور انتخاب یک جاذب مناسب برای جذب هگزا فلورید اورانیوم نیاز به بررسی پارامترهای موثر در جذب مانند ظرفیت جذب، سینتیک واکنش، نمودار افت فشار، قابلیت احیاء و … می باشد.
در سال ۱۹۶۷ استفانسون بر روي جداسازی ناخالصی هگزا فلوئورايد اورانيوم بوسيله روش جذب انتخابي كاركرده است. همچنین ایشان در سال ۱۹۸۱ برروي انتخاب جاذب و پارامترهاي مورد نیاز برای طراحي تله اورانيوم كاركرده است.
براي جذب 6UF از تله هاي حاوی ذرات NaF نيز استفاده مي شود. واكنش سديم فلوئورايد با 6UF ابتدا از سال ۱۹۱۱ مورد توجه قرار گرفت و طي اين سالها بررسي كمپلمس آن توسط برخی از دانشمندان نظیر گاترز و همكارانش در سال ۱۹۵۷، ماسو و همكارانش در سال ۱۹۵۸، كاتز در سال ۱۹۶۴ انجام شد. بررسي و مدل جذب آن توسط مك نسي درسا ل ۱۹۶۳ انجام شد. در سال ۱۹۶۸ اندرسن مشاهدات تجربي خود را برروي جذب هگزافلوئوريد اورانيوم در بستر ثابت سديم فلوئورايد ارائه كرد. استفانسون در دسامبر ۱۹۶۸ يك مدل طراحي براي ديناميك جذب هگزا فلوئوريد روي بستر ثابت سديم فلوئورايد ارائه كرد و در سال ۱۹۸۱ مقايسه آن را با انواع آلومينا ارائه داد.
جذب UF6 روی آلومینا و فلورید سدیم
جذب هگزا فلورید اورانیوم توسط قرص فلورید سدیم که یک فرآیند جذب شیمیایی است با تشکیل UF6.NaF همراه است. توانایی جذبUF6 توسط NaF بستگی به ساختار قرص، دما و فشار عملیات تله گذاري دارد. حضور اجزاهاي گازي دیگر می تواند بر روي ظرفیت UF6تاثیرگذار باشد.
سازوکار تله گذاري آلومینا براي هگزا فلورید اورانیوم بستگی به واکنش هیدرولیزي که منجر به تولید UO2F2 که در ساختار حفره ها رسوب کرده، دارد. در فرایند جذب UF6 روی آلومینا، ابتدا رطوبت موجود در آلومینا با UF6 واکنش داده و تولید رسوب UO2F2 و گاز HF می کند و سپس آلومینا با گاز HF وارد واکنش شده و تولید AlF3 جامد میکند. همانطور که قبلا اشاره شد کمی یا زیادي مقدار آب باقی مانده تاثیر معکوس بر ظرفیت قرص خواهد گذاشت. مقدار رطوبت بهینه جاذب برای جذب مناسب هگزا فلورید اورانیوم حدود 3 تا 4 درصد می باشد.
در آزمایشی که توسط شولتز و همکارانش در سال 1981 انجام گردید، میزان جذب روی چهار جاذب در مجتمع ORGDP (Oak Ridge Gaseous Diffusion Plant ) مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. نتایج بدست آمده از آزمایشات در جدول 1-1 آمده است:
جدول ‏11میزان جذب UF6 روی چهار جاذب در آزمایش شولتز
قرص NaF نسبت به آلومینا H- 151 و XF- 100 فقط کمی بیشتر اورانیوم را جذب می کند. از سوي دیگر همه این سه نوع جاذب، اورانیوم خیلی بیشتري را نسبت بهF-1 جذب می کند. بهر حال بایستی تاکید کرد که این مقادیر، میزان اورانیومی را شامل می شود که تله به حالت اشباع رسیده باشد و براي هدف طراحی تله شیمیایی، می بایست ملاحظات مربوط به سرعت واکنش را مد نظر قرار داد. در حقیقت، اشباع قرص به ندرت توسط آلومینا در عملیات تله شیمیایی واقعی بدست می آید، زیرا واکنش هیدرولیز آرام است. از سوي دیگردر عمل میزان جذب اورانیوم توسط فلورید سدیم زمانی برابر مقادیر بدست آمده می گردد که از قرص هاي تازه برای تله ها استفاده شود. ساختار فیزیکی قرص NaF در طول چرخه جذب و دفع، تنزل می یابد و در نتیجه، ظرفیت جذب آن نیز کاهش می یابد.
سرعت واکنش
فرآیند کلی براي از بین بردن هگزا فلورید اورانیوم از جریان جاري بوسیله قرص جامد متخلخل می تواند توسط سازوکار زیر توصیف شود. نفوذ ملکول هگزا فلورید اورانیوم از توده جریان گاز به سطح خارج قرص، نفوذ داخل ساختار متخلخل، و جذب روي سطوح داخلی و واکنش با ماده جاذب. مهمترین اختلاف عمده بین NaF و آلومینا ها، سرعت جذب هگزا فلورید اورانیوم توسط جاذب ها می باشد. نمودار 1-1 مقایسه جذب تک لایه ای بین NaF و H-151 را رسم کرده است. سازوکار جذب NaF اساسا سریعتر ازH- 151 است. به عنوان نمونه، در فشار UF6 کمتر از 50 mbar وزن قرص هاي NaF پس از یک ساعت تا 40 درصد افزایش می یابد در حالیکه در جاذب آلومینا بیشتر از 50 ساعت لازم است تا این مقدار افزایش وزن حاصل شود.
نمودار ‏11 مقایسه تغییرات جذب هگزافلورید اورانیوم براي NaF و آلومینا H –151
مقایسه سرعت هاي بستر ثابت می تواند براساس طول

دسته‌ها: No category

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

background