بخش سوم:ایزوترم جذب UF6 توسط سدیم فلوراید

برای رسم نمودارهای ایزوترم، فشار تعادلی (P) و نسبت وزن جذب شونده به جاذب پس از آزمایش (q) باید مشخص باشند. q برابر جرم UF₆ جذب شده به جرم اولیه­ سدیم فلوراید می باشد و به دو روش می توان مقدار آن را محاسبه کرد:

الف) استفاده از رابطهء زیر:
در رابطه بالا ΔP(mbar) برابر افت فشار ناشی از جذب، V(lit) حجم سامانه، R ثابت جهانی گاز، T دما برحسب کلوین، m(gr) جرم جاذب، MW(gr/grmol) وزن مولکولی UF6 می باشد. در انجام آزمایشات مقادیر V,R,Mw ثابت می باشند که با K نشان داده شده است.
ب) نسبت وزن جذب شونده به جاذب(q) با وزن کردن سدیم فلوراید قبل و بعد از آزمایش نیز بدست می آید
جدول ‏۲‑۲تغییرات گرم جذب شده به گرم جاذب با فشار تعادلی برای جذب UF6 بر روی نانوجاذب سدیم فلورید
نمودار ‏۲‑۱۰) نمودار تجربی لانگمویر و فرندلیچ
نمودار ‏۲‑۱۱) نمودار تجربی ایزوترم جذب سطحی UF6 بر روی سدیم فلوراید
ایزوترم لانگ مویر و فرندلیش با برازش روی داده های ایزوترم تجربی به دست آمدند. این دو مدل کاربرد وسیعی برای پیش بینی ایزوترم های جذب دارند. با توجه به نتاج بدست آمده هر دو ایزوترم لانگ مویر و فرندلیش تطابق خوبی با داده های تجربی دارند اما مقادیر R-square و AARE بدست آمده پیش بینی مدل لانگ مویر نتایج بهتری را نشان می دهد. یکی از دلایل اینکه ایزوترم لانگ مویر تطابق بهتری دارد این است که به نظر می رسد جذب UF6 روی کربن فعال به صورت تک لایه بوده و با پیش فرض های ایزوترم لانگ مویر تطابق بیشتری دارد. علاوه بر این ایزوترم فرندلیچ در فشار های بالا تطابق خوبی ندارد زیرا طبق معادله ایزوترم فرندلیش با افزایش فشار مقدار جذب افزایش می یابد و حد معینی برای مقدار جذب نشان نمی دهد در حالی که در جذب سطحی مقدار جذب از حد معینی تجاوز نمی کند و افزایش فشار، مقدار جذب را به سرعت معادله فرندلیش افزایش نمی دهد ولی در معادله لانگ مویر با افزایش فشار مقدار جذب از مقدار ظرفیت جذب نهایی بیشتر نمی شود.
روش مقایسه نتایج تئوری مدل لانگمویر با داده های تجربی معمولاً عبارتست از رسم p/q برحسب p و یا ۱ /q برحسب ۱/p. بدین ترتیب معادلات به این شکل مرتب می شوند:
بنابراین بدیهی است که پارامترهای مدلqs و b به سادگی از روی شیب و عرض از مبدأ بدست می آیند.با بهره گرفتن از نرم افزار MATLAB بهترین میزان qs و b برای آزمایش های ما و مطابقت با معادله لانگمویر بدست آمد که به شرح زیر گزارش شد:
qs=0.917
b=2.15
لازم به ذکراست که عدد بدست آمده برای میزان جذب اشباع با اسناد موجود به خوبی مطابقت دارد.

بخش چهارم:آزمایش های واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلوراید

یکی از مهمترین مزیت های سدیم فلوراید نسبت به جاذب های دیگر در جذب هگزا فلوراید اورانیوم، قابل احیاء بودن آن است.
سازوکار تله گذاری فلورید سدیم شامل واکنش با هگزافلوراید سدیم می باشد که با تشکیل ۶Na-UF جامد می شود.
این واکنش با گرما کمپلکس تا دمای ۶۵۰ 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. واجذب هگزا فلوراید اورانیوم از روی جاذب برای صنعت بسیار مهم است چراکه مقدار هگزا فلوراید اورانیوم جذب شده بر روی سدیم فلوراید قابل ملاحظه بوده و بنابراین واجذب آن بسیار از لحاظ اصول پادمانی قابل توجه است از طرف دیگر در اصول پسمانداری نگهداری جاذب های آلوده به هگزا فلوراید اورانیوم به دلیل ماهیت رادیواکتیو بودن آن و همچنین سمی بودن برای محیط زیست بسیار خطرناک بوده بنابراین تمامی این ملاحظات ما را برآن داشت تا در این بخش از تحقیق به واجذب جاذب سدیم فلوراید بپردازیم .
اطلاعات موجود در زمینه واجذب در مراجع موجود بسیار محدود بوده و بنابراین برای حصول نتیجه قابل اجراء برای صنعت مجبور بودیم تمامی مراحل آزمایش را چندین بار انجام تا بهترین شرایط فرایندی حاصل شود.
به دلیل اینکه میزان UF6 واجذب شده قابل ملاحظه باشد ابتدا میزان ۱۰۰ میلی بار UF6 روی سدیم فلوراید جذب میکنیم که این میزان UF6 تقریباٌ ۱۸٫۳۱ گرم از این ماده می شود.

واجذب:

قبل از توضیح در مورد روش انجام مراحل آزمایش شایان یادآوری است که همانظور که در قسمت تئوری گفته شد گاز UF6 در اثر حرارت از سطح سدیم فلوراید جدا می شود و طبق واکنش برگشت پذیر زیر این جذب و واجذب انجام می گردد .
این تنها اطلاعاتی است که در اسناد و مدارک گزارش شده است بنابراین برای به نتیجه رسیدن به ناچار باید در تمام دماهای عملیاتی این آزمایشات مکرر انجام و بهترین روش گزارش می شد.
از طرفی به دلایل زیر بهترین دما جهت انجام فرایند واجذب، کمترین آن بود:

1. 1. طبق مطالعات صورت گرفته استیل ضد زنگ که عمده تجهیزات کارخانه غنی سازی از این آلیاژ ساخته شده در دمای بالاتر از حدود ۲۰۰ درجه سانتی گراد در معرض UF6به شدت خورده شده و سرعت خوردگی به حدی زیاد است که باعث شکستن جوش های اطراف آن و سوراخ شدن آن می گردد.

1. 1. طبق مطالعات صورت گرفته جهت کار کردن در دماهای بالاتر از ۲۰۰ درجه در معرض UF6 باید از آلیاژ monel استفاده کرد به دلیل گران بودن این فلز باید سعی می کنیم در دماهای پایین تر به بهترین نتیجه برسیم.

1. 1. بالا بردن دما هزینه دارد بنابراین به جهت ملاحظات اقتصادی بهتر بود که در دماهای پایین تر به نتیجه برسیم.

جذب:

برای شروع فرایند واجذب ایتدا نیاز بود که جذب سطحی انجام می شد به دلیل اینکه تمامی در این مرحله از تحقیق ابتدا میزان ۱۰۰٫۱۹ میلی بار گاز UF6 (18.13 گرم) را بر روی ۲۰ گرم سدیم فلوراید جذب کرده و در زمان حدود ۲۸ ساعت فشار تعادل به ۰٫۴۵ رسید. در جدول ۲-۳ داده های جذب جهت شروع فرایند واجذب آمده است.
جدول ‏۲‑۳داده های جذب برای شروع فرایند واجذب

مراحل آزمایش:

گرم کردن سدیم فلوراید در ستون جذب :

جهت گرم کردن ستون جاذب از المنت تسمه ای از نوع سرامیکی با کنترلر FINTEK استفاده می شود. این المنت و کنترلر آن قابلبیت افزیش دما تا حدود ۷۰۰ درجه سانتی گراد را دارد برای حسگر دمایی آن از سنسور دما از نوع PT100 استفاده شد که این سنسو ردما تا حداکثر ۹۰۰ درجه سانتی گراد را نشان می دهد.

• • ابتدا دما را روی ۸۰ درجه سانتی گراد تنظیم شد.

• • تقریبا هیچ گونه تغییر فشاری ملاحظه نشد.

• • در مرحله بعد دما روی ۱۰۰ درجه سانتی گراد تنظیم شد.

• • افزایش فشار مشاهده شد.

• • نمودار ۲-۱۲ افزایش فشار گاز UF6 با زمان را در دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد نشان می دهد. واجذب در دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد شروع می شود، همانطور که قبلا توضیح داده شد یکی از اهداف در فرایند واجذب انجام آن در دمای پایین بود بنابراین زمان بیشتری ستون جذب در این دما قرار گرفت ولی بعد از ثابت شدن فشار در حدود ۴٫۱۵ با افزایش زمان تغییر محسوسی در فشار ایجاد نشد.

• • حداکثر فشار در دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد در حدود ۴٫۱۵ میلی بار گزارش شد و با زمان بیشتر، فشار تغییر محسوسی نداشت.

نمودار ‏۲‑۱۲) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد

• • در مرحله بعد دما بر روی ۱۵۰ درجه سانتی گراد تنظیم شد.

• • افزایش ناچیزی در فشار ملاحظه گردید و حداکثر این افزایش فشار در حدود ۴٫۸۰ رسید. و با زمان بیشتر، فشار تغییر محسوسی نداشت.

• • در مرحله بعد دما در حدود ۱۸۰ درجه سانتی گراد تنظیم شد.

• • نمودار ۲-۱۳ افزایش فشار گاز UF6 با زمان را در دمای ۱۸۰ درجه سانتی گراد نشان می دهد حداکثر فشار در این دما در حدود ۱۸ میلی بار شد که با زمان بیشتر، فشار تغییر محسوسی نداشت، به دلیل اینکه در این دما بیشترین افزایش فشار نسبت به مراحل قبل مشاهده شد بنابراین در این مرحله دوباره سامانه تحت خلاء قرارگرفته و فشار به حدود ۴ میلی بار کاهش داده شد و دوباره ستون جذب در دمای ۱۸۰ درجه قرار گرفت و حداکثر تا فشار ۸٫۵ میلی بار بالا رفت و این نشان داد که تخلیه دوباره سامانه تفاوت زیادی در فرایند واجذب نداشته و گویا سدیم فلورید در هر دمایی به میزان مشخصی قابلیت واجذب UF6 راداشته باشد.

نمودار ‏۲‑۱۳) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای ۱۸۰ درجه سانتی گراد