地下工程降氡技术的应用与现状

孙 祁，盖文佳，江 灏，闫洋洋，黄欣杰，梁 云，祝 娇，苏默龙

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064；2.中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)

氡是一种无色无味的惰性气体，化学性质稳定，不易与其他物质发生化学反应。219Rn、220Rn和222Rn为氡的三种天然同位素。其中，222Rn的半衰期最长，为3.85 d，是室内环境中氡的主要贡献者。氡与氡子体都具有放射性，普遍存在环境气体中。氡气体属于单质气体，以单个原子的形式存在。氡子体以结合态和未结合态两种形式存在。氡衰变生成的218Po带有正电，易被空气中的极性物质包围，形成团簇，并被中和失去电荷。衰变子体和团簇形态的子体都属于未结合态的氡子体，其直径范围为0.3～4 nm；未结合态子体在空气中扩散与空气中的灰尘、气溶胶等颗粒物质发生碰撞或吸附，结合在一起后转变为结合态子体，其直径范围为20～3 000 nm[1]。氡气和氡子体可以通过呼吸作用进入人体，两者在衰变过程中产生的高能α粒子会对呼吸系统组织细胞进行轰击，是造成人类罹患肺癌的第二致病因素[2]。

氡主要来源于岩石、土壤及建筑等材料内所含镭的衰变。岩石、土壤、建筑材料内部存在大量的不同粒径的气孔，材料内部的氡气体可通过这些气孔扩散至外部环境中，造成空气环境的氡活度浓度(以下简称氡浓度)升高。GB/T 17216—1988《人防工程平时使用环境卫生标准》要求Ⅰ类工程平衡当量氡浓度限值为200 Bq/m3，Ⅱ类工程平衡当量氡浓度限值为400 Bq/m3；GBZ 116—2002《地下建筑氡及其子体控制标准》[3]要求已建地下建筑平衡当量氡浓度限值为400 Bq/m3，待建地下建筑平衡当量氡浓度限值为200 Bq/m3。通常条件下，室内的氡浓度高于室外，地下工程内氡浓度又高于一般室内环境。主要原因是：(1)地下工程都是紧贴山体、土壤等氡的主要来源修建，是氡析出的主要空间；(2)通风差、空气流动少，析出的氡不能及时扩散，从而在析出空间内不断积累。李晓燕等人[2]对全国243个地下工程的年平均氡浓度进行监测，最高值为2 482 Bq/m3。地下工程平均氡浓度高于200 Bq/m3的占27%，高于400 Bq/m3的占15%。研究指出，通过连续通风8小时，地下工程氡浓度最高可降91%。

通风降氡是地下工程降低氡浓度最主要、最有效的手段之一。如为了保证地下实验室的低氡浓度的要求，美国Super-Kamiokande探测器实验室采用一个“Randon Hut”装置[4-5]将外界的低氡含量空气通入地下实验室中，进行地下环境中氡的稀释，从而保证实验室氡浓度要求和内部工作人员的安全。但部分地下工程由于年代久远或隐蔽性高等原因，存在通风不畅或者特殊条件无法通风的问题，如地下国防工程。地下国防工程内的氡浓度比相同地址条件下的地面建筑氡浓度高1～2个数量级。亓伟等人[6]对我国12个国防工程内氡浓度进行测量，结果表明工程内的平均氡浓度为2 702 Bq/m3，最高值为5 000 Bq/m3，是国家控制标准400 Bq/m3限值的12.5倍，属于严重超标，对于工程内部人员的健康造成巨大威胁，也严重影响国防工程的指挥作战和保障能力。因此对地下工程进行降氡处理并对降氡技术进行深入的了解和研究是十分必要的。本文主要从现有的降氡技术、相关技术的降氡能力进行阐述，并对新技术用于地下工程降氡的可行性进行了探讨。

1 常用局部降氡技术

地下工程从选址到工程内部装修都应采取相应的防氡降氡措施。工程选址时应对所在区域的土壤、地下水放射性进行勘察，尽量避免在高辐射、高氡浓度地区进行地下工程建设。建筑材料上应按照国家标准GB 6566《建筑材料放射性核素限量》的相关规定进行建筑材料的选型和安装。还可采用抽气法[2]将地下工程附近土壤释放出的氡气直接抽出排往地上周围环境中。以上技术都是从氡源进行防氡处理，但是无法绝对的隔绝氡的释放和扩散，因此依旧需要在地下工程内部采用降氡措施。氡气体和氡子体都具有放射性，进入人体后都存在内照射风险，而两者的物理化学性能差异较大，因此降氡技术主要包含降氡气技术和降氡子体技术两方面。

1.1 降氡气技术

1.1.1活性炭吸附技术

活性炭具有较大的比表面积、微孔结构发达、性能稳定等优点，对惰性气体具有较强的吸附作用，其吸附能力受活性炭种类、吸附压力、吸附温度等多种因素的影响。活性炭吸附能力的对数与吸附温度的倒数呈线性关系，吸附温度越低则活性炭的吸附能力越强。活性炭的吸附过程为动态过程，通过提高吸附压力同样可以提高活性炭的吸附能力。不同载气对活性炭吸附氡的能力也有较大影响。K.Pushkin等人[7]采用带有活性炭阱(charcoal trap)的低温恒温装置对不同载气及活性炭材料进行了降氡研究。结果表明，与Xe相比，使用N2和Ar作为载气时活性炭表现出更好的降氡能力，这是由于Xe的存在会减小活性炭中的吸附点，从而氡的吸附量减小。周青芝等人[8]通过对活性炭的最大降氡效率与活性炭吸附系数、质量、气体体积等因素的研究建立了活性炭局部降氡效率理论模型，并证明该理论是可行的。

地下工程关于使用活性炭技术进行降氡处理的相关资料主要集中在进行暗物质测量的地下实验室[4,9]。地下实验室在探测器工作区域带有专门的“radon trap”降氡装置，以保证测量结果的准确性。图1为意大利Gran Sasso LNGS使用的降氡装置图[10]，该装置由捷克ATEKO公司制造。装置的原理是将环境空气进行压缩和干燥，再通过活性炭单元进行氡吸附，从而实现环境气体降氡处理。活性炭吸附系统中，通过提高系统压力或降低气体温度以提高活性炭的吸附能力。该系统采用活性炭双塔单元进行降氡处理，工作原理尚不明确，有研究者推测该系统采用的是变压吸附原理进行环境空气降氡处理。但根据进一步的调研发现，该推测不完全正确。变压吸附技术采用双塔结构但属于单塔吸附操作，即某一活性炭塔进行降氡处理，而另一活性塔进行再生处理，两个活性炭塔交替吸附和再生，通常采用相同的工作参数。如法国Modane地下实验室[11]将活性炭单元的双塔工作温度都设置为-50 ℃，处理后氡气浓度为～10 mBq/m3。而位于日本的super-Kamiokande探测器地下实验室[4]将双塔设置成不同的工作温度，该实验室共使用8 m3的活性炭进行吸附处理，其中最后50 L活性炭的工作温度为-40 ℃，处理后的氡气浓度<2 mBq/m3。由此可知，双塔活性炭单元设备，更可能采用的是低温吸附及双塔深度处理的原理对环境气体进行降氡处理。地下实验室采用的降氡系统体积较大，需要预留较大的空间保证设备的正常工作，大体积活性炭的使用提高了活性炭单元替换的难度，同时所使用的空压机、制冷剂及热交换机等设备存在能耗高、噪音大的问题。

图1 意大利Gran Sasso LNGS实验室降氡装置[10]

根据提高压力、降低温度活性炭吸附能力提高的特点，国内研究者分别建立了活性炭高压吸附、变压吸附及低温吸附等降氡装置。龙慧佳等人[12]对商业小型变压系统进行改造，在氡浓度为2 000 Bq/m3的氡室内进行降氡研究。系统工作工程中可保证出气的低氡浓度，但该系统的处理能力较小其最高进气量为4.65 m3/h，同时还存在活性炭再生不完全，再生后处理能力下降的问题。王云祥等人[13]利用液氮冷却建立了一台活性炭低温吸附装置。研究表明在活性炭单元的温度为-48 ℃时，KC-6型活性炭的吸附系数为171.4 L/g，为室温条件下的20倍以上，可极大提高设备的降氡能力。但该设备无法进行气体的连续降氡处理，在活性炭单元穿透后，需要停止进气进行活性炭的再生处理。同时为保证降氡能力，设备需要不断的补充液氮，这对设备的密封性、保温性能及低温耐受性提出了较高的要求，设备成本也较高。

1.1.2化学降氡气技术

活性炭对氡的吸附属于物理作用，是一个动态的吸附解吸再吸附的过程。Yuji Yamada等人[14]建立了一台电弧放电化学降氡的装置，图2为该装置的原理图。化学降氡的原理为：含氡气体进入反应腔体后，圆柱形铝电极开始电弧放电，氡气体及反应气体CF4分别被激活和电解成*Rn和*F，反应生成氡的氟化物(RnFx)。该氟化物为固体，反应后沉积在反应腔底部，实现降氡。研究结果表明，CF4浓度为5%时降氡效率为99%。但该系统存在以下几个缺点：(1)产物RnFx为不稳定化合物，电极停止放电后重新分解成Rn气体和含F化合物，聚集在反应腔体中；(2)反应气体CF4为生态环境不友好气体，应减少其使用；(3)处理流量为6.05 m3/h，处理能力有限。又由于反应机理的不明确，使用化学方法进行环境气体降氡处理还需要进行更深入的研究，离工程应用还有较大的距离。

图2 电弧放电降氡系统原理图[14]

1.2 降氡子体技术

1.2.1HEPA过滤技术

HEPA(high efficiency particulate air)，高效空气过滤，是利用达到HEPA标准的过滤网对空气进行过滤处理。美国环境科学和技术研究院要求HEPA过滤对直径≥0.3 μm的粒子去除率不低于99.97%[15]。HEPA网通过去除空气中不同直径的粒子从而实现空气的净化。HEPA网通常采用玻璃纤维或聚丙烯无纺纤维作为过滤材料，过滤材料为褶皱状，通过硬纸板或塑料框架固定，通过多层褶皱纤维的叠加实现空气的高效过滤。HEPA网通过拦截、撞击和扩散三种方式捕获空气中的粒子。其中，直径大于0.4 μm的粒子通过拦截和惯性撞击被捕获，而直径小于0.1 μm的粒子通过扩散作用被捕获。

HEPA网对空气中的颗粒去除率较高，在空气净化过程中无臭氧产生，因此在家居环境中的空气净化领域被广泛使用。Kazuki Iwaoka等人[16]使用Airtech公司AMU-04型空气净化器在氡气浓度为10 000 Bq/m3，持续通入气溶胶的模拟环境进行空气净化降氡效果的研究。研究结果表明，空气净化器开启后，净化空间内的结合态的氡子体浓度有明显下降，但氡气浓度保持不变，同时非结合态的氡子体含量上升，氡暴露剂量上升。由此可知，HEPA过滤只对结合态的氡子体有去除效果，但无法去除空间内的氡气，因此环境中的氡气浓度依旧较高且在不断衰变，对人体安全造成威胁。需要指出的是，HEPA过滤材料(玻璃纤维滤纸)在遇水润湿后强度极低，在风压作用下容易被吹破，并且不能清灰复用，成本高、容尘量低，阻力上升，使用寿命短。因此在地下工程内使用HEPA过滤降氡需要对过滤材料进行优化或进行气体的除湿处理，以保证降氡能力和效率。

1.2.2静电除尘技术

静电除尘技术是在工业电除尘器的基础上发展起来的，一般由电离段和集尘段组成，氡子体为金属粒子，很容易与空气中的粉尘结合并形成结合态氡子体，这样可以通过静电除尘的方法达到去降氡子体的目的。静电除尘技术较多的应用于铀矿的局部降氡。铀矿井内普遍存在风流分配不合理、通风动力不足等问题，大范围的结构更改不可行，因此只能通过添加小型降氡装置的方式进行局部的降氡处理。王秉权等人[17]针对铀矿内不在通风系统控制范围内的边缘和局部区域的特殊性建立了一套复合式除尘降氡子体系统，其结构示意图如图3所示。气体通过集风器后进入处理系统，在经过前级除尘、中高效过滤后进入静电单元进行最后的除尘降氡子体处理。该系统的处理能力为4 320 m3/h，粉尘净化率>99%，达世界领先水平。

1—静电除尘器；2—滤料过滤器；3—风机；4—滤纸中高效过滤器；5—集风器。

耿世彬等人[18]利用氡子体可被静电吸附的特点研制了一台蜂窝电场-平行板电场组合的双区静电降氡装置，图4为装置实物图。处理气体中的粉尘和微粒在蜂窝电场中进行荷电，到达平板电场区域后再沉降下来，除尘后的气体再经过气体精过滤模块，将更小粒径的尘粒过滤。双区静电降氡较单区装置有更高的降氡子体效率，同时清灰操作也更为方便。为了加大空气流量、减小风阻，YUAN Li等人[19]将系统传统的圆孔静电场更换为蜂巢状静电场，并适当提高蜂巢状模的电压以产生更大的电晕来提升颗粒物荷电和凝并效果，从而提高降氡效率。改进后的处理单元被融入到国防工程的通风处理系统中形成了一套集中降氡系统，系统原理图如图5所示。集中式降氡系统由降氡净化机组、空调机组、送风系统、地下工程空间、回风系统五个部分组成。结果表明，集中式降氡设备在运行8小时后降氡子体率最高为95%。

图4 双区静电降氡装置实物图[18]

图5 集中式降氡设备整体示意图[19]

2 新型功能材料

地下工程使用活性炭吸附进行环境降氡处理时，为保证降氡能力和降氡效率，需要使用体积较大的活性单元，同时配有压力和制冷单元，因此活性炭系统占地面积大、操作较为复杂。地下环境降氡领域主要还是依赖于静电技术，但静电技术只能去除环境中的氡子体，在氡含量较高的地下空间大量氡气的存在依旧对其内部的工作人员形成了辐射照射威胁。随着技术的发展，一些新型功能材料的出现使得环境气体精准、高效降氡成为可能。

2.1 金属有机骨架材料

金属有机骨架(metal-organic frameworks，MOFs)材料属于一种新型多孔材料，应用于气体储存、气体分离、有毒气体净化等领域[20-22]。MOFs材料通过气体的粒径不同，捕获目标气体来实现惰性气体的分离。MOFs分离较传统的低温精馏制备惰性气体能耗更低，较传统的吸附材料具有更高的分离能力和效率。MOFs材料因为孔径大小、孔径分布以及作用原子的不同，则具有不同的氡气捕获、分离能力。北京化工大学曹达鹏团队[23]分别以N2和O2为载气，模拟了室温条件下MOFs材料的氡分离能力，从23种MOFs中筛选出4种分离氡能力较强的材料。研究人员将氡活度浓度设置为XRn=0.001，远高于地下工程现实环境中的氡活度浓度值(<～ppb)。其中，ZIF-12型MOFs材料在Rn含量降低后具有更优异的分氡能力。因此ZIF-12可作为地下工程氡分离的潜能材料之一。CHEN等人[24]使用1,3,5-三醛基苯和1,2-二氨基环乙烷做原材料在三氯乙酸溶液中脱水生成CC3化合物，其化学反应过程如图6所示。从图中可知通过三醛基苯中的O原子与二氨基乙烷中氨基中的两个H原子结合生成水，断裂的化学键重新连接后形成有机多孔笼状化合物(porous organic cages)，化合物的3D视图如图7所示。

图6 CC3笼状化合物合成图[24]

图7 CC3化合物3D示意图[24]

CC3化合物3D示意图表明，化合物中存在两种用于气体分子捕获的“空洞”(Cavity)：笼型空洞(cage cavity，CC)和窗口空洞(window cavity，WC)。其中CC的直径为4.4 Å，与Rn(4.17 Å)的动力学直径十分接近，是环境气体降氡的理想材料。Simgen等人[25]在Rn体积浓度小于0.001 ppm，Rn-He组分中Rn的选择吸收因数为5.4×108。CHEN等人[24]以N2为载气，在Rn浓度为(3.8±0.1)×10-16mol/kg时，CC3固体化合物捕获Rn后，其内部Rn体积因数最高可达1×106,CC3表现出极高的Rn选择吸收能力。在含CO2、H2O等竞争组分的空气中CC3也表现出较高的Rn选择吸收能力，同时在潮湿环境中性能稳定工作，极大地弥补了潮湿环境下活性炭的失效问题。

2.2 膜分离

膜分离技术利用混合气体中，不同组分在膜材料表面溶解度及扩散能力的不同，在膜材料两侧产生偏压来实现气体分离。气体膜分离技术在空气制氧/制氮、CO2捕获等领域中[26-30]应用广泛。膜技术在含氡气体的防治中集中应用在防氡方面，即通过采用低氡渗透率的材料将氡源与生活、工作空间隔绝开来。而利用膜分离单元进行氡气分离的相关研究则极少。陈占营等人[31]进行空气环境中Xe的富集研究中，首先使用富氮膜组件对空气进行氮的分离，从而实现Xe的浓缩，浓缩后的气体再经过碳分子的吸附与解吸实现Xe的富集。常用的富氮膜有聚砜和聚亚酰胺两种。Rn和Xe同属惰性气体，两者的物理化学性能相似，因此膜分离单元在降氡领域中也有一定应用前景。聚砜膜材料透气率高，但气体选择性低，聚亚酰胺则具有更优异的气体选择性能，且抗辐射性能更强，更适合于低浓度组分的气体分离。为了提高膜材料的气体渗透速率，研究人员在传统膜材料中添加MOFs颗粒进行了气体渗透和气体分离的研究，结果表明，亚微米级S-Cu3(BTC)2和ZIF-8材料的添加对膜材料的完整性没有影响、没有颗粒团聚的现象，而气体渗透率最高可提高3倍[32]。

3 总结及展望

地下工程通风不畅或特殊情况无法通风时，为保障内部工作人员的身体健康需对其内部的空气进行降氡处理。现有的环境降氡技术主要集中在活性炭吸附和静电降氡子体两方面。为实现高效的降氡，通常要采用大量的活性炭，同时对吸附单元进行加压和降温处理，所建立的降氡设备通常能耗高、体积大、难以移动，同时活性炭芯的替换难度较高。而静电技术只能去除结合态的氡子体，非结合态氡子体和氡气依旧存在于环境空气中，依旧对人体造成辐射照射威胁。

综上所述，降氡新材料、新技术的研究和开发十分必要。例如针对氡可进行精准捕获的新材料，在保证降氡效率的同时，还可避免处理气体的损耗。目前MOFs等新型材料主要还在试验研究阶段，没有相关的工程经验，对于材料吸附氡后如何再生及再生率的情况也还需要更多的研究。而气体分离膜组件的使用可减小处理的能耗、设备成本,同时减小设备体积，但关于氡在膜材料内的扩散能力和主要影响因素还需要更多的研究。在地下工程降氡中应考虑使用多种技术相结合的复合式处理技术以保证设备的降氡能力，不同技术之间的配合、流程优化也需要进行更多的研究。