一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法
【专利摘要】本发明公开了一种放射性污染碳材料的液相氧化消解法，目的在于提供一种在液相中将碳氧化成气体的方法作为放射性污染碳材料的处理手段。该方法包括如下步骤：球磨含氧化钼基团的物质与碳材料的混合物、热处理球磨后的混合物、液相氧化热处理后的混合物。本发明首先利用热处理使碳进入钼原子间的间隙，以此降低碳的粒径，提高碳的化学活性；然后利用氧化剂将间隙中的碳在液相中氧化为气体，同时将含钼部分转变为水溶性钼酸。此技术发明能够起到反应条件温和、能耗低、操作安全度高且利于碳材料上核素的回收的技术效果。
【专利说明】
一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法
技术领域
[0001]本发明涉及的是放射性废物处理技术领域，尤其是一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法。【背景技术】
[0002]涉核过程产生了大量放射性污染碳材料，如核反应堆内用于慢化/反射中子的石墨层、放射性材料熔炼铸造中使用的石墨坩埚、模具等。针对放射性污染碳材料的处理，至今未有周全、成熟的解决方案。现有的焚烧技术可勉强用于放射性污染水平较低的碳材料的减容，一旦涉及放射性污染水平较高的碳材料，如铀污染的石墨坩埚、模具，在目前的焚烧装置无法确保能够完全截留铀气溶胶的事实基础上，焚烧处理此类放射性污染碳材料是不可行的。
[0003]碳，尤其是核工业中使用的高纯碳，是优良的热导体，这一性质决定碳难以蓄热， 若以焚烧的方式氧化碳，则需要持续的高能量输入使碳的温度维持在1000°c以上，此过程的能耗极高，且高温下装置的密封性能下降会伴生放射性气溶胶泄漏的隐患。蒸汽重整利用高温水蒸气将碳氧化成气体(C+H2〇4⑶+H2)，也可以作为一条放射性污染碳材料的处理路线。但水对碳的显著氧化发生在l〇〇〇°C以上，在此条件下装置的连接件极有可能因热膨胀而发生吻合失效，从而导致放射性气溶胶泄漏。
[0004]由此可见，对于放射性污染碳材料的氧化处理，需要尽可能地降低反应条件，拟制放射性气溶胶生成，确保处理过程安全、稳定、可靠。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法的技术方案，该方案首先利用热处理使碳进入钼原子间的间隙，以此降低碳的粒径，提高碳的化学活性;然后利用氧化剂将间隙中的碳在液相中氧化为气体，同时将含钼部分转变为水溶性钼酸，能够起到反应条件温和、能耗低、操作安全度高且利于碳材料上核素的回收的效果。
[0006]本方案是通过如下技术措施来实现的:一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，包括有以下步骤:a.使用行星式球磨机以固定的球磨公转速度研磨含氧化钼基团的物质与碳材料的混合物，得到第一级粉末；b.将步骤a中得到的第一级粉末放入加热炉中，在流动的含氢气体或纯氢气中，热处理第一级粉末后，自然冷却得到第二级粉末；c.将第二级粉末加入含氧化剂的水中，使其中的碳被氧化消解。
[0007]作为本方案的优选:步骤a中，碳材料与含氧化钼基团的物质的组分配比按照重量份计为:碳材料1份、含氧化钼基团3-50份。
[0008]作为本方案的优选:步骤b中，含氢气体为氢气与惰性气体的混合气。
[0009]作为本方案的优选:步骤c中，氧化剂为双氧水、高锰酸盐、臭氧、重铬酸盐中的一种或自由组合。
[0010]作为本方案的优选:含氧化钼基团为三氧化钼、二氧化钼、仲钼酸铵、磷钼酸、硅钼酸中的一种或自由组合。
[0011]作为本方案的优选:碳材料为活性炭或碳纳米管或石墨或碳纤维或炭黑。
[0012]作为本方案的优选:行星式球磨机的球磨公转速度为200-800转/分钟。
[0013]作为本方案的优选:行星式球磨机的研磨时间为1-5小时。
[0014]作为本方案的优选:惰性气体为氩气或氦气。[〇〇15]作为本方案的优选:步骤b中，热处理的升温速率为1-20°C/分钟，加热至500-900 °C，维持温度1-5小时。
[0016]本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于该方案利用热处理使碳进入钼原子间的间隙，降低了碳的粒径，提高了碳的化学活性，因此，可以利用氧化剂将间隙中的碳在液相中氧化为气体，同时含钼部分转变为水溶性钼酸，能够起到反应条件温和、能耗低、操作安全度高且利于碳材料上核素的回收的效果。[〇〇17]由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。【具体实施方式】
[0018]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0019]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0020]实施例1(1)将带有核素的天然鳞片石墨、三氧化钼按重量比1:20混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨以500转/分钟的公转速度研磨5小时；(2)取2克得到的粉末放入管式炉中，在氩气流速为30毫升/分钟、氢气流速为50毫升/ 分钟的氩气氢气混合气中以2°C/分的升温速率升温至800°C，维持温度4小时，关闭气体，自然冷却后得到粉末；(3)取1克得到的粉末加入20毫升30wt%双氧水中，6小时后测定液体中无有机碳含量， 天然鳞片石墨的消解率为100%，核素的回收率为96%。
[0021]实施例2(1)将活性炭、三氧化钼按重量比1:15混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨以300转/ 分钟的公转速度研磨3小时；(2)取2克得到的粉末放入管式炉中，在氦气流速为30毫升/分钟、氢气流速为50毫升/ 分钟的氩气氢气混合气中以5°C/分的升温速率升温至700°C，维持温度2小时，关闭气体，自然冷却后得到粉末；(3 )取1克得到的粉末加入20毫升30wt%高锰酸钾水溶液中，6小时后测定液体中无有机碳含量，活性炭的消解率为100%。
[0022]实施例3(1)将天然鳞片石墨、三氧化钼按重量比1:10混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨以 500转/分钟的公转速度研磨5小时；(2)取2克得到的粉末放入管式炉中，在氩气流速为30毫升/分钟、氢气流速为50毫升/ 分钟的氩气氢气混合气中以2°C/分的升温速率升温至800°C，维持温度4小时，关闭气体，自然冷却后得到粉末；(3)取1克得到的粉末加入20毫升臭氧水溶液中(臭氧流量:40毫升/分钟)，6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为81%。
[0023]实施例4(1)将天然鳞片石墨、仲钼酸铵按重量比1:40混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨以 500转/分钟的公转速度研磨5小时；(2)取2克得到的粉末放入管式炉中，在氩气流速为30毫升/分钟、氢气流速为50毫升/ 分钟的氩气氢气混合气中以2°C/分的升温速率升温至800°C，维持温度4小时，关闭气体，自然冷却后得到粉末；(3)取1克得到的粉末加入20毫升30wt%双氧水中，6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为 97%。
[0024]实施例5(1)将天然鳞片石墨、三氧化钼按重量比1:30混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨以 500转/分钟的公转速度研磨5小时；(2)取2克得到的粉末放入管式炉中，在氩气流速为30毫升/分钟、氢气流速为50毫升/ 分钟的氩气氢气混合气中以2°C/分的升温速率升温至600°C，维持温度5小时，关闭气体，自然冷却后得到粉末；(3)取1克得到的粉末加入20毫升30wt%双氧水中，6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为 79%〇
[0025]实施例6(1)将天然鳞片石墨、磷钼酸按重量比1:30混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨以 500转/分钟的公转速度研磨5小时；(2)取2克得到的粉末放入管式炉中，在氩气流速为30毫升/分钟、氢气流速为50毫升/ 分钟的氩气氢气混合气中以2°C/分的升温速率升温至800°C，维持温度4小时，关闭气体，自然冷却后得到粉末；(3)取1克得到的粉末加入20毫升30wt%双氧水中，6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为 85%。
[0026]实施例7(1)将天然鳞片石墨、二氧化钼按重量比1:20混合后置于球磨罐中，采用行星式球磨以 500转/分钟的公转速度研磨5小时；(2)取2克得到的粉末放入管式炉中，在氩气流速为30毫升/分钟、氢气流速为50毫升/ 分钟的氩气氢气混合气中以2°C/分的升温速率升温至750°C，维持温度5小时，关闭气体，自然冷却后得到粉末；(3)取1克得到的粉末加入20毫升30wt%双氧水中，6小时后测定天然鳞片石墨的消解率为 92%。
[0027]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1.一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:包括有以下步骤:a.使用行星式球磨机以固定的球磨公转速度研磨含氧化钼基团的物质与碳材料的混 合物，得到第一级粉末；b.将步骤a中得到的第一级粉末放入加热炉中，在流动的含氢气体或纯氢气中，热处理 第一级粉末后，自然冷却得到第二级粉末；c.将第二级粉末加入含氧化剂的水中，使其中的碳被氧化消解。2.根据权利要求1所述的一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:所述 步骤a中，碳材料与含氧化钼基团的物质的组分配比按照重量份计为:碳材料1份、含氧化钼 基团3-50份。3.根据权利要求1所述的一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:所述 步骤b中，含氢气体为氢气与惰性气体的混合气。4.根据权利要求1所述的一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:所述 步骤c中，氧化剂为双氧水、高锰酸盐、臭氧、重铬酸盐中的一种或自由组合。5.根据权利要求1所述的一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:所述 含氧化钼基团的物质为三氧化钼、二氧化钼、仲钼酸铵、磷钼酸、硅钼酸中的一种或自由组 合。6.根据权利要求1所述的一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:所述 碳材料为活性炭或碳纳米管或石墨或碳纤维或炭黑。7.根据权利要求1所述的一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:所述 行星式球磨机的球磨公转速度为200-800转/分钟。8.根据权利要求1所述的一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:所述 行星式球磨机的研磨时间为1-5小时。9.根据权利要求1所述的一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:所述 惰性气体为氩气或氦气。10.根据权利要求1所述的一种放射性污染碳材料的液相氧化消解方法，其特征是:所 述步骤b中，热处理的升温速率为1-20°C/分钟，加热至500-900°C，维持温度1-5小时。
【文档编号】G21F9/30GK106024088SQ201610339632
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】庞敏, 唐灿, 陈晓谋, 牟涛, 刘艳, 万小岗
【申请人】中国工程物理研究院材料研究所