Stanowisko do pomiaru objętości porów glinokrzemianowych sitach molekularnych stosowanych do suszenia gazów.

Projekt Podstawy Ochrony Radiologicznej Prowadzący: dr inż. Z. Górski

Maciej Bazarnik i Jakub Dąbrowski

Spis treści:

1. Teoretyczne omówienie zagadnienia.

1.1. Sita molekularne

Sita molekularne są porowatymi ciałami stałymi o rozmiarach porów 0.3-10 nm. Przykładem mogą być zeolity, węgle, szkła, tlenki. Większość z nich posiada krystaliczną strukturę z jednolitą wielkością porów, inne są amorficzne, a jeszcze inne, pomimo obecności amorficznych ścian, zachowują się jak materiały posiadające krystaliczną strukturę[1].

Przedmiotem naszego zainteresowania są krystaliczne glinokrzemiany metali grup IA i IIA zwane zeolitami. Ogólny wzór chemiczny przedstawia się następująco:

M_2/nO ^. Al₂O₃ ^. ySiO₂ ^. wH₂O,

gdzie:

y ≥ 2,

n - wartościowość kationu,

w - zawartość wody,

M - kation pozasieciowy.

Struktura sieciowa zeolitów składa się z kanałów i/lub komór, które są zajęte przez kationy pozasieciowe i cząsteczki wody. Wymianie jonowej podlegają bardzo łatwo kationy pozasieciowe, ponieważ są one mobilne. Woda, która stanowi do 50% objętość kryształów może być odwracalnie usuwana. Właśnie odwracalna adsorpcja i desorpcja wody powoduje, że są one używane do suszeniu gazów. Mnogość struktur jak również ich komplikacja przestrzenna jest nadal przedmiotem wielu badań naukowych.

rys. Przykładowe struktury

1.2. Suszenie gazów

Woda wpływa destruktywnie na badane podłoża metalowe, jak również na klastery metali osadzane na powierzchni kryształów. Dlatego jest bardzo istotne by do badań używać atmosfery obojętnej, a przede wszystkim suchej. W tym celu przepuszczamy gaz poprzez filtr zbudowany z zeolitów wcześniej wyprażonych. Odnawialność filtru zeolitowego gra tu niebagatelną role, gdyż ilość zużywanego gazu jest bardzo duża, a przez to wymiana filtru mogłaby być bardzo kosztowna.

1.3. Specyfikacja problemu.

Powstaje pytanie: jak duży ma być filtr, aby osuszył potrzebną ilość gazu? Tu przydatna jest wiedza o objętości porów zeolitów. Jednak ze względów praktycznych informacja o jednym porze jest bezużyteczna i bardzo uciążliwa w przetwarzani. Dlatego też interesuje nas objętość porów w jednym gramie substancji. Ta informacja zapewnia nam skuteczne wykorzystanie filtru i pewność, że gaz będzie dokładnie oczyszczony z wilgoci.

Od stanowiska pomiarowego wymagamy:

- szybkości,

- dokładności,

- bezpieczeństwa,

- wytrzymałości.

2. Proponowane rozwiązanie.

2.1. Schemat działania.

Nabijamy pod ciśnieniem obudowę filtru zeolitem. Otwieramy zawory i zestaw jest gotowy do użytku. Zestaw pomiarowy składa się z hydroforu(1) z zapasem 1% roztworu T₂O w C₂H₅OH, zestawu(2) połączeń, dwóch sond scyntylacyjnych(3), miernika(4), komputera PC(5), obudowy filtru sprzężonej z mikrofalą(6) i chłodnicą oraz zbiornika końcowego(7) połączonego z pierwotnym za pomocą miedzianych połączeń wraz z zaworem. Uruchamiamy zestaw pomiarowy, czekamy aż program wykaże zakończenie pomiaru, wyłączamy zestaw, odpompowujemy resztki roztworu z układu. Filtr wyprażamy za pomocą mikrofali, a odpad „wyciskamy” do zbiornika na odpady skażone T₂O.

2.2. Rola poszczególnych elementów zestawu.

2.2.1. Hydrofor.

Hydrofor z zapasem 1% roztworu T₂O w C₂H₅OH, ma za zadanie zapewnić stałe ciśnienie i prędkość przepływu roztworu przez układ. Wymagana prędkość przepływu wynosi 5 m/s. Stała prędkość jest potrzebna do określenia przesunięcia fazowego pomiędzy obiema sondami. Wszelkie połączenia muszą być szczelne, a rurki winny być wykonane z miedzi - by zapewnić odporność korozyjną, a także pochłanianie promieniowania pochodzącego od wody trytowej. Pojemnik powinien zapewnić ciągły przepływ roztworu. W tym celu powinien zawierać około 50 l roztworu.

2.2.2. Obudowa filtru.

Obudowa wykonana z pleksi ma za zadanie umożliwić mocowanie filtru w układzie, ochronę przed promieniowaniem wydzielanym przez filtr nasiąknięty woda trytową. Jest sprzężona z emiterem mikrofali, który włącza się po dokonaniu pomiaru w celu wyprażenia zeolitu i odzyskania wody trytowej w nim uwięzionej. Na jej obu końcach są umieszczone zawory umożliwiające odcięcie filtru od reszty układu. Przed zaworami wbudowane są siatki mające na celu utrzymać ewentualne drobiny zeolitu, które mogłyby być porwane przez płynący roztwór. Po jednej stronie jest umieszczony zawór ciśnieniowy, przez który wstrzykiwany jest zeolit, w celu zapełnienia obudowy lub sprężone powietrze w celu wypchnięcia zeolitu zamykanym zaworem po drugiej stronie, który prowadzi do mechanizmy pakującego - owija on odpad w folię plastikową, a całość jest przetrzymywana w zbiorniku miedzianym o ściance grubości 1,5 mm, co wystarczy na wygaszenie wszelkiego promieniowania pochodzącego od wody trytowej.

Grubość obudowy: 8 mm ze względu na wymaganą wytrzymałość na podwyższone ciśnienie i temperaturę.

2.2.3. Połączenia.

Mają doprowadzać roztwór do sond i filtru, oraz odprowadzać go do zbiornika odpływowego. Wymagana jest odpowiednia grubość w celu ochrony przed promieniowanie. Materiałem powinna być miedź ze względu na odporność na korozję i degradację pod wpływem czynników zewnętrznych. Właśnie z tego powodu, jak i ze względu na nieodporność na uszkodzenia mechaniczne rezygnujemy z wygodniejszych w montażu połączeń gumowych.

Minimalna grubość:

2.2.4. Sonda scyntylacyjna.

Na potrzeby układu pomiarowego trzeba wykonać odpowiednią sondę scyntylacyjną. Scyntylator o kształcie walca, o średnicy wewnętrznej 10 mm i długości 100 mm wykonany z ZnS(Ag) (związek nierozpuszczalny w alkoholu i wodzie).

Grubość potrzebna do wygaszenia całego promieniowania:

Taki kształt zapewnia nam minimalne szumy promieniowania zewnętrznego, a co za tym idzie dokładniejszy pomiar. Siarczek cynku charakteryzuje się emisją maksymalną dla fali o długości 450 nm. Łączymy to z dwoma fotopowielaczami ustawionymi po przeciwnych stronach scyntylatora. Całość obudowujemy w plastik i dodatkowo zewnętrzną stronę plastiku pokrywamy wypolerowaną powierzchnią lustrzaną, by całość wyświecanego światła trafiała do sond. Fotopowielacze łączymy za pomocą sumatora i taki sygnał jest kierowany na miernik wielofunkcyjny. Szczegółowa sprawność takiego układu musi być doświadczalnie zmierzona.

2.2.5. Miernik.

Urządzenie ma za zadanie zliczać impulsy pochodzące z sond scyntylacyjnych. Skorzystamy z kart montowanych wprost do komputera PC na złączu PCI. Urządzenie musi obsługiwać co najmniej 2 kanały wejściowe.

2.2.6. PC

Komputer osobisty z odpowiednim oprogramowaniem - ma za zadanie przeliczyć wyniki według odpowiedniego algorytmu, jak również informować o zakończeniu eksperymentu. Droższa wersja zawierałaby jeszcze automatyczne sterowanie pompą i zaworami.

2.3. Szczegóły techniczne.

Jeśli przekrój wewnętrzny jest okręgiem o średnicy 10 mm to w 1 m instalacji mamy 78.54 cm³ objętości. Aby osiągnąć prędkość przepływu 5 m/s pompa musi mieć wydajność 392.7 cm³/s, czyli 23,56 l/minute. Taka sprawność po drobnej regulacji obrotów oferuje pompa BY-PASS 2000 12/24 V, jej zaletą jest niewielki pobór mocy oraz nieduże rozmiary.

Połączenia pomiędzy podzespołami powinny być jak najkrótsze, aby zminimalizować ryzyko uszkodzenia. Konkretne ułożenie będzie zależało od umiejscowienia zestawu.

Scyntylator wybrany przez nas do tego układu charakteryzuje się następującymi parametrami: gęstość - 4.1 g/cm³, Emisja maksymalna dla 450 nm, czas wyświecania - 5 ns, wydajność w porównaniu z NaJ(Tl) - 100%. Czynnikiem decydującym o jego wyborze była duża polarność tego związku, a co za tym idzie nierozpuszczalność w alkoholu etylowym i w wodzie. Jest to ciało stałe w warunkach normalnych, dla jakich układ jest przewidziany, a to oznacza, że można go uformować w pożądany walcowy kształt z otworem wykonanym centralnie wzdłuż głównej osi symetrii.

Jako sondy scyntylacyjne zastosujemy produkt Hamamatsu - 1166

Maksimum fotoczułości przypada na 420 nm, lecz pracuje on w zakresie od 300 do 650 nm, przy czym małe rozmiary obszaru aktywnego fotopowielacza zapewnia niewielki wpływ promieniowania zewnętrznego na wynik pomiaru.

Zadania miernika przejmie karta montowana do PC na porcie PCI produkcji Hamamatsu M9005, która może pracować pod systemem Windows XP. Komputer PC o 256MB RAM, procesorze powyżej 750MHz i twardym dysku co najmniej 20GB. Zainstalowany program powinien działać według algorytmu przedstawionego poniżej.

2.4. Algorytm.

1. Impulsy rejestrowane przez sondy trafiają do 2 kanałów wejściowych karty

2. Należy wziąć pod uwagę przesunięcie fazowe:

Koniec pierwszej sondy jest oddalony od końca drugiej o 0.4 m, co przy prędkości 5 m/s daje nam 0.08 s.

3. Obliczamy różnice pomiędzy impulsami zarejestrowanymi na obu sondach, oczywiście po przeliczeniu przez sprawność sond.

4. Różnicę należy zsumować.

5. Gdy różnica będzie wynosić w przybliżeniu 0, pomiar należy zakończyć.

6. Przeliczyć impulsy „pochłonięte” przez filtr na ilość wody trytowej pochłoniętej przez zeolit.

1 g wody trytowej zawiera 1/11 * 6.02 * 10²³ atomów T i wypromieniowuje w ciągu sekundy następującą ilość cząstek β:

, gdzie

Po czym korzystamy z zależności

, gdzie

X - ilość gramów T₂O „pochłonięta” przez filtr.

7. Przeliczyć ilość wody trytowej na objętość, jako, że ta będzie taka sama dla T₂O jak dla H₂O.

8. Obliczamy interesującą nas wielkość - objętość H₂O na 1 g zeolitu.

,gdzie

m - masa filtru w gramach.

2.5. Analiza zagrożeń.

Głównym zagrożeniem jest uszkodzenie instalacji, co doprowadzi do rozlania się wody trytowej. Aby zminimalizować skutki ewentualnej awarii należy umieścić stanowisko w rynience, w ten sposób wyciek nie będzie się rozprzestrzeniał. W razie awarii należy postępować zgodnie z „Instrukcją postępowania w razie awarii”.

Stanowisko do pomiaru objętości porów w glinokrzemianowych sitach molekularnych stosowanych do suszenia gazów

10

Maciej Bazarnik

Jakub Dąbrowski

---