Skuteczność schronowego filtra mineralnego na opad promieniotwórczy
Skuteczność schronowego filtra mineralnego na opad promieniotwórczy
W poprzednim artykule o filtrach mineralnych opisywałem ich zdumiewającą skuteczność w walce z niektórymi czynnikami rażenia. Ponieważ zasada ich działania nie była dokładniej rozwijana w cywilnych podręcznikach z okresu PRL, postanowiłem poszukać głębiej w źródłach naukowych.
Rygorystyczna procedura budowy samego złoża oraz obudowy filtra sugerowała, że każdy detal ma tu kluczowe znaczenie. Dokładniejsze przyjrzenie się mikrofizyce przepływu powietrza w szczelinach między ziarnami piasku w pełni to potwierdziło. Do polskich badań naukowych z lat 60. czy 70. nie udało mi się dotrzeć – podejrzewam, że stał za tym pragmatyzm ówczesnych władz. Filtry mineralne wykazują się w niektórych obszarach bardzo wysoką skutecznością, ale niestety niską w innych. Nadmierne zainteresowanie przyniosłoby pytania o tę drugą ich stronę (o słabych stronach i ograniczeniach tych filtrów napiszę w kolejnych artykułach).
Najmocniejszą stroną filtra mineralnego pozostaje wybitna filtracja mechaniczna cząstek stałych. Koronnego dowodu dostarczyła eksploatacja oraz analiza incydentów w amerykańskim zakładzie przetwarzania paliwa jądrowego Savannah River Site (SRS) w stanie Karolina Południowa, a dokładnie w instalacjach F-Canyon i H-Canyon, gdzie głębokie złoża piaskowe (Deep Sand Filters) zastosowano do oczyszczania gazów odlotowych.
Oto fragment raportu Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA/IAEA) z 1968 roku:
„Duże złoża piaskowe – po jednym dla obszarów F i H – zapewniają zadowalającą filtrację powietrza wylotowego już od 13 lat. Skuteczność filtracji utrzymuje się na poziomie powyżej 99%, przy czym wzrost różnicy ciśnień pozostaje w dopuszczalnych granicach. Aktywność przeniknęła jedynie do warstwy piasku o najdrobniejszym uziarnieniu (frakcja 30–50 mesh); szacuje się, że w złożu zgromadzona jest aktywność gamma rzędu 1000 kiurów. Skuteczność filtracji stopniowo wzrastała, prawdopodobnie dlatego, że nagromadzony pył utworzył drobniejszy materiał filtracyjny. W całym okresie eksploatacji przepływ powietrza mieścił się w granicach od 100 000 do 130 000 stóp sześciennych na minutę.”
Wynik powyżej 99% w skali przemysłowej mówi sam za siebie. Jak dokładnie przebiega proces filtracji na ziarnach piasku i w mikro-szczelinach złoża?
1. Rozmiar cząstek a skuteczność (Dane z testów nuklearnych)
W raportach prezentowanych m.in. na konferencjach International Nuclear Air Cleaning Conference (ISNATT) badano zdolność głębokich filtrów piaskowych do zatrzymywania cząstek o konkretnych średnicach. Zgodnie z analizami instalacji ochronnych (m.in. w Hanford Site i Savannah River Site):
-
Cząstki duże i średnie (> 10 µm): Skuteczność wynosi blisko 100%. Pył budowlany, gruz, gruby opad radioaktywny oraz większość zarodników biologicznych są całkowicie eliminowane w pierwszych kilkunastu centymetrach złoża.
Dominujące procesy: Osadzanie grawitacyjne (sedymentacja), bezwładność oraz efekt sitowy (w warstwie czołowej). Cząstki o dużej masie pod wpływem grawitacji opadają na ziarna piasku szybciej, niż porusza się strumień powietrza, lub uderzają w nie z impetem na zakrętach porów. Po zetknięciu z podłożem trwale wiążą się ze złożem poprzez siły Van der Waalsa. -
Cząstki od 1 µm do 10 µm (np. drobna sadza, pyły zawieszone PM10): Skuteczność wynosi od 95% do 99%. Wynika to z silnego efektu zderzenia inercyjnego w krętym labiryncie złoża kwarcowego.
Dominujące procesy: Zderzenie inercyjne oraz przechwycenie (intercepcja). Cząstki te mają zbyt dużą bezwładność, aby nadążyć za zakrzywiającymi się liniami prądu powietrza omijającego ziarna piasku, przez co uderzają w nie i osiadają. Przy wysokiej wilgotności powietrza lub złoża kluczową rolę zaczyna odgrywać napięcie powierzchniowe i siły kapilarne (kondensacja w punktach styku ziaren), które stabilizują osad i uniemożliwiają jego wtórne porwanie przez strumień powietrza. -
Submikronowe aerozole (0,1–1 µm): W tym zakresie złoża ziarniste wykazują najniższą sprawność – znajduje się tu tzw. MPPS (Most Penetrating Particle Size, zazwyczaj wokół 0,1–0,3 µm). Suchy, konwencjonalny piasek kwarcowy osiąga dla nich skuteczność na poziomie od 70% do 90% (w głębokich złożach powyżej 1 metra, przy niskiej prędkości przepływu).
Dominujące procesy: Dyfuzja molekularna (ruchy Browna) oraz oddziaływania elektrostatyczne. Cząstki w tym zakresie są zbyt małe na dominację grawitacji i inercji, a zarazem zbyt duże na błyskawiczną dyfuzję. Ruchy Browna zwiększają prawdopodobieństwo ich zderzenia z ziarnem kwarcu przy wolnym przepływie gazu. Dodatkowo, jeśli aerozol posiada ładunek (np. świeży pył z rozpadu promieniotwórczego), siły elektrostatyczne (Coulomba i indukcyjne) przyciągają submikronowe zanieczyszczenia do kwarcu, podnosząc sprawność filtracji.
Zastosowanie filtrów mineralnych do czyszczenia gazów nie jest zamkniętą kartą historii. W kolejnym artykule przytoczę badania dotyczące ich wykorzystania do filtracji gazów o wysokich temperaturach.